簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作.docx

1、學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計題 目學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名指導(dǎo)教師年月日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作 初始條件：（1） 要求用直接測量法測量輸入信號的頻率（2） 輸入信號的頻率為19999HZ要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計任務(wù)及要求（2） 方案比較及認(rèn)證（3） 系統(tǒng)框圖，原理說明（4） 硬件原理，完整電路圖，采用器件的功能說明（5） 調(diào)試記錄及結(jié)果分析（6） 對成果的評價及改進(jìn)方法（7） 總結(jié)（收獲及體會）（8） 參考資料（9） 附錄：器件表，芯片資料時間安排：6月

2、27日6月30日：明確課題，收集資料，方案確定，仿真7月1日7月4日：硬件電路制作與調(diào)試7月5日7月8日；報告撰寫，交設(shè)計報告，答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 目 錄摘 要數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號。它被廣泛應(yīng)用與航天、電子、測控等領(lǐng)域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號一起通過一個閘門，然后用計數(shù)器計數(shù)信號脈沖的個數(shù)，把標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)的計數(shù)的結(jié)果，用鎖存器鎖存起來，最后用顯示譯碼器，把鎖存的結(jié)果用LED數(shù)碼顯示管顯示出來。本文設(shè)計的是要求用直接測量法測量輸入信號的頻率，并且能夠直接地顯示頻

3、率在1Hz至9999Hz范圍內(nèi)的被測信號的頻率。根據(jù)數(shù)字頻率計的基本原理及設(shè)計的基本要求，本文設(shè)計的基本思想是分為五個模塊，即放大電路、整形電路、定時電路、計數(shù)電路和譯碼顯示電路。其中放大電路是由集成運算放大器和幾個電阻組成的，整形電路是由555定時器構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器組成，定時電路是由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，計數(shù)電路是由四塊74LS90芯片組成，譯碼顯示電路是由四塊74LS48芯片及四塊數(shù)碼管組成。整個設(shè)計電路可以顯示被測信號的頻率，并且還有清零端，當(dāng)測完一個被測信號后，通過一個開關(guān)就可以清零，為下次測量做準(zhǔn)備。整機元件少、成本低、易于制作?？蓴U展性強，若需增大測頻范圍，只需增加

4、數(shù)碼管與驅(qū)動塊即可。全部采用通用元件，易于購買與制作。整個課題完成的整個過程是我先設(shè)計電路，然后通過功能強大的protues軟件仿真得出正確結(jié)果，最后去電子市場購買所需電子器件，并組裝成完整電路實現(xiàn)頻率計數(shù)的功能，其中我設(shè)計電路時就已經(jīng)計劃好了所買器件必須要便宜并且易于購買，最后撰寫論文。關(guān)鍵詞：計數(shù)器 protues軟件 74LS90 555定時器簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作1緒論1.1數(shù)字頻率計的介紹當(dāng)今，電子行業(yè)在市場銷售業(yè)中占有很大的份額。電子系統(tǒng)非常廣泛應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費用的微波爐和電視、先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)

5、等在設(shè)計過程中無一不用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。數(shù)字頻率計是電子系統(tǒng)中一個重要環(huán)節(jié)。數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用二進(jìn)制計數(shù)器級連成一個8421BCD碼的十進(jìn)制計數(shù)器，并能顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號以及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精度高，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計。1.2protues仿真軟件的介紹Proteus是一種功能強大的

6、電子設(shè)計自動化軟件，提供智能原理圖設(shè)計系統(tǒng)、SPICE模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真系統(tǒng)和PCB設(shè)計系統(tǒng)功能。其不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數(shù)字電路實驗等，而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)（單片機應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）的仿真實驗，這也是其它任何仿真軟件無力所及的。例如，其支持單片機和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI

7、器件、部分IIC器件等。在編譯方面，它也支持Keil和MPLAB等多種編譯器。Protues軟件功能十分強大，特點也十分鮮明。它不僅可以仿真電路分析實驗、模擬電子線路試驗，還能仿真數(shù)字電路實驗。它的最大特設(shè)是可以提供嵌入式系統(tǒng)（單片機應(yīng)用系統(tǒng)、ARM應(yīng)用系統(tǒng)）的仿真實驗，所以它完全可以稱之為多功能的實驗平臺。它的內(nèi)部含有萬種以上的元器件（數(shù)字的、模擬的、交流的和直流的）及多達(dá)30多個元件庫。它的內(nèi)部所含的的儀表如示波器、頻譜分析儀、電壓表、電流表、圖表分析儀、邏輯分析儀、虛擬終端等等為我們做電類實驗提供了大量的幫助。1.3結(jié)合本文談?wù)刾rotues仿真軟件及數(shù)字頻率計本文所設(shè)計的簡單頻率計數(shù)器

8、分為五個模塊，它們分別是信號放大模塊、信號整形模塊、定時閘門模塊、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊。其中信號放大模塊和信號整形模塊屬于模擬電子技術(shù)的范疇，定時閘門模塊、計數(shù)模塊和譯碼顯示模塊屬于數(shù)字電子技術(shù)的范疇。本文在做每一個模塊時，先是以模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)及數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)這兩本書為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為輔，查閱大量的相關(guān)知識，確定每個模塊基本電路，為了提高工作的效率及電路的正確性，在做每個模塊時都用了protues軟件，對電路進(jìn)行了仿真，并用它內(nèi)部的虛擬示波器進(jìn)行檢測，直到每個模塊能實現(xiàn)各自的功能。簡單頻率計數(shù)器的制作一般可以分為以單片機為主體的制作和以數(shù)字電子器件為主體的制作。雖然以單片機為主體制作簡單的

9、頻率計數(shù)器的方法簡單，只需一個合適的芯片，并編寫一段程序就能達(dá)到要求，但由于這學(xué)年我們專業(yè)還沒有學(xué)到單片機，這學(xué)年我們專業(yè)學(xué)了模電和數(shù)電，為了鞏固我所學(xué)到的模電和數(shù)電的知識，我選擇了用以數(shù)字電子器件為主體進(jìn)行設(shè)計與制作。本設(shè)計的簡單頻率計數(shù)器核心技術(shù)就是利用了由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的一個定時的作用，即輸入信號只能在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的tw時間內(nèi)才能輸入。本文還利用了數(shù)電中的由555定時器構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器，74LS90計數(shù)器的應(yīng)用等課本知識。2電路的設(shè)計思路與原理2.1電路設(shè)計方案的選擇根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)書中的要求，及我們對頻率計數(shù)器的了解，大致可以設(shè)計出以下三種方案。2.1.1方案

10、一：利用單片機制作頻率計如圖1所示，此方案是采用單片機程序處理輸入信號并且將結(jié)果直接送往LED顯示，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸入信號前進(jìn)行放大整形，在通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機系統(tǒng)，采用這種方法可大大提高測試頻率的精度和靈活性，并且能極大的減少外部干擾，采用VDHL編程設(shè)計實現(xiàn)的數(shù)字頻率計，除被測信號的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分以外，其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)，整個系統(tǒng)非常精簡，而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。但采用這種方案相對設(shè)計復(fù)雜度將會大大提高并且采用單片機系統(tǒng)成本也會大大提高。 圖1 方案一 框架圖2.1.2方案二：利用鎖存器與計數(shù)器制作頻率計圖2 是利用鎖存器和計數(shù)器設(shè)計的數(shù)

11、字頻率計的組成框圖，其基本原理是被測信號首先經(jīng)放大電路、整形電路后，它的幅值改變了但它的頻率沒有改變，所以能得到計數(shù)器所要求的脈沖信號。時鐘電路產(chǎn)生時間基準(zhǔn)信號，分頻后控制計數(shù)與保持狀態(tài)。當(dāng)其高電平時，計數(shù)器計數(shù)；低電平時，計數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)送入鎖存器進(jìn)行鎖存顯示。然后對計數(shù)器清零，準(zhǔn)備下一次計數(shù)。圖2 方案二 框架圖2.1.3方案三：利用定時電路與計數(shù)器制作頻率計圖3為利用定時電路與計數(shù)器制作頻率計電路，整體框架如圖3所示。被測信號經(jīng)過放大電路、整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率不同幅值的脈動信號，送入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，閘門電路的一個輸入信號是定時電路構(gòu)成的秒脈沖發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，秒脈沖信號源可

12、以是含有一個高穩(wěn)定的石英振蕩器和一個多級分頻器共同決定，其時間是相當(dāng)精確的，也可以是含有一個555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，通過控制R、C的值就可以準(zhǔn)確地確定一個1秒定時電路，計數(shù)器用來計數(shù)1秒鐘通過的波形，清零電路由一個簡單的單刀雙擲開關(guān)控制，就可以達(dá)到清零的目的，顯示電路采用七段共陰極LED數(shù)碼管。 圖3 方案三 框架圖2.1.4方案確定方案一整個系統(tǒng)非常精簡，而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。但采用這種方案相對設(shè)計復(fù)雜度將會大大提高，并且采用單片機系統(tǒng)成本也會大大提高。有了單片機，雖然可以通過編寫一段適當(dāng)?shù)某绦蚓涂梢缘玫浇Y(jié)果，但到目前為止我們還沒有正式地接觸單片機的知識。此方案不能起到鞏固所學(xué)

13、知識的作用。方案二所用的原理雖說都是我們在模電和數(shù)電中學(xué)到，但它的設(shè)計原理很復(fù)雜。用protues軟件雖然可以仿真出正確的結(jié)果，但到現(xiàn)實中進(jìn)行購買元器件、電路的調(diào)試時就會很復(fù)雜，并且所需精力和財力也比較多，所以不宜采用。方案三所選的單元電路都是我們在模電和數(shù)電課上學(xué)到的知識，并且這些單元電路很常用，也很便宜，所以易于購買。它的整體結(jié)構(gòu)也簡單，便于組裝和調(diào)試，也容易出結(jié)果，并且能鞏固我們所學(xué)的知識。綜合以上的三種頻率計的設(shè)計方案，通過考慮設(shè)計方案設(shè)計復(fù)雜程度、調(diào)試難易程度及所用的元器件的價格等幾個方面，得出：應(yīng)選用方案三。2.2電路設(shè)計結(jié)構(gòu)及基本設(shè)計原理通常頻率計是由輸入放大電路、整形電路、定時

14、電路、閘門電路、計數(shù)器、顯示器組成。如下是簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計方框圖。 圖4 原理方框圖數(shù)字頻率計是直接用十進(jìn)制數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它不僅可以測量正弦波，方波，三角波和類似脈沖信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。數(shù)字頻率計在測量其他物理量如轉(zhuǎn)速，振動頻率等方面獲得廣泛應(yīng)用。 頻率就是周期性信號在單位時間一秒內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為fN/T，當(dāng)我們把T取1時，N即為所被測信號的頻率。 因此，得到圖4中的數(shù)字頻率計測頻率時的原理框圖。其中放大電路和整形電路的作用是：將被測信號變成脈沖信號，即正常的脈沖方波信號。定時電

15、路是提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，當(dāng)我們把它的周期定為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間也準(zhǔn)確的等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)的秒信號進(jìn)行控制，當(dāng)定時電路的1S信號來到時，閘門則開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)器，進(jìn)行計數(shù)，數(shù)他在這個1S的時間間隔內(nèi)有多少個波形，然后傳給譯碼顯示電路，即可以顯示出被測信號的頻率。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N為在1s時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測信號的頻率fx =N Hz。其中本文所選用的放大電路是由LM324集成運算放大器芯片，他能夠把輸入的被測信號的幅值放大到能被后面的整形電路識別，并且波形和頻率都不變。整形電路是由555定時器構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器，他能夠把不是脈沖波的任何波形變成脈沖波，使之能夠進(jìn)入閘門電路。定時電路是由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，這里是利用了它的一個