簡(jiǎn)易數(shù)顯頻率計(jì)

1、沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)（說明書）簡(jiǎn)易數(shù)顯頻率計(jì)的設(shè)計(jì)班 級(jí) 34060402 學(xué) 號(hào) 25 學(xué) 生 姓 名 徐子譯 指 導(dǎo) 教 師 滕金玉 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課 程 名 稱 模擬與數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目 簡(jiǎn)易數(shù)顯頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說明設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)顯頻率計(jì)電路，測(cè)量正弦波、三角波、方波周期信號(hào)的頻率，其原理框圖如圖1所示。振蕩電路整形電路譯碼顯示計(jì)數(shù)器電路主控制電路1Hz時(shí)鐘被測(cè)信號(hào)清零、鎖存脈沖信號(hào)圖1 數(shù)顯頻率計(jì)原理框圖二、技術(shù)指標(biāo)1測(cè)量頻率范圍為100Hz10KHz，峰值為5V。2測(cè)量精度為±1Hz。3用數(shù)碼

2、管顯示頻率。三、設(shè)計(jì)要求1在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本。2根據(jù)技術(shù)指標(biāo)通過分析計(jì)算確定電路形式和元器件參數(shù)。3畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。 四、實(shí)驗(yàn)要求1根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路。2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。五、推薦參考資料1閻石著. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社，2005年2童詩(shī)白、華成英主編者. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社，2006年3趙淑范、王憲偉主編.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2006年4孫肖子、鄧建國(guó)主編.電子設(shè)計(jì)指南M. 北京：高等教育出版社，2006年六、按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)?cè)u(píng)定表：序號(hào)評(píng)

3、定項(xiàng)目評(píng)分成績(jī)1設(shè)計(jì)方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分）2設(shè)計(jì)結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律（15分）4設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范化、參考文獻(xiàn)充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評(píng)定成績(jī)（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）指導(dǎo)教師簽字： 2014 年 12 月 26日一、概述 頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器，是一種專門對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：時(shí)基（T）電路、輸入電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路。數(shù)顯頻率計(jì)采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)完成頻率的進(jìn)位，用數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率顯示，正弦信號(hào)、方波信號(hào)等信號(hào)通過放大整形變?yōu)槊}沖信號(hào)來(lái)便于測(cè)量，主控

4、電路來(lái)實(shí)現(xiàn)快速清零和鎖存，是一種方便的實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的儀器。經(jīng)過改裝可以測(cè)量脈沖寬度，做成數(shù)字脈寬測(cè)量?jī)x；在電路中增加傳感器，還可以做成數(shù)字脈搏儀，計(jì)價(jià)器等。因此數(shù)字頻率計(jì)在測(cè)量其他物理量如轉(zhuǎn)速，震動(dòng)頻率等方面獲得廣泛應(yīng)用。 二、方案論證 方案一：原理框圖如圖1所示。振蕩電路放大整形電路譯碼顯示計(jì)數(shù)器電路主控制電路1Hz時(shí)鐘被測(cè)信號(hào)清零、鎖存脈沖信號(hào)圖1 方案一的原理框圖原理：圖1為簡(jiǎn)易數(shù)顯頻率計(jì)電路的邏輯框圖。按功能分成五個(gè)單元電路進(jìn)行分析，被測(cè)信號(hào)經(jīng)過整形電路變成脈沖信號(hào)，經(jīng)過計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管來(lái)顯示，同時(shí)主控制電路能夠完成清零和鎖存，完成頻率的測(cè)量。方案二：原理框圖2所示。閘 門顯 示

5、 器譯 碼 器鎖 存 器計(jì) 數(shù) 器被 測(cè) 信 號(hào)IIIIIVVII邏 輯 控 制 電 路 時(shí) 基 電 路 圖2 方案二的原理框圖 原理：數(shù)字頻率計(jì)由四部分組成：時(shí)基電路、閘門電路、邏輯控制電路以及可控制的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路。在整個(gè)電路中,時(shí)基電路是關(guān)鍵,閘門信號(hào)脈沖寬度是否精確直接決定了測(cè)量結(jié)果是否精確。各個(gè)部分共同協(xié)調(diào)來(lái)完成頻率的測(cè)量。 論證：本次設(shè)計(jì)我采用的是方案一，方案一電路所用的原件多為常見的元器件，對(duì)性能比較了解，而且更加簡(jiǎn)潔明了，更易理解，性價(jià)比較高。三、電路設(shè)計(jì)1、諧振蕩電路本電路中的振蕩器是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。由于采用差分電路形式，而且555計(jì)時(shí)器的振蕩頻率受電源

6、電壓和溫度變化的影響很小。此多諧振蕩器產(chǎn)生的振蕩頻率為1Hz。555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端TRQ放電管T功能0××0導(dǎo)通直接清零101x保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)1101截止置11001截止置11110導(dǎo)通清零用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路如圖1所示信號(hào)輸出 圖1 由集成555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩電路 2、 放大整形電路放大整形電路方框圖和放大整形電路如圖2、3所示輸出信號(hào)施密特觸發(fā)器集成放大器輸入信號(hào) 圖2 放大整形電路方框圖 本電路由集成放大器和由55

7、5定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器構(gòu)成，集成放大器起放大作用，其輸出信號(hào)應(yīng)為輸入信號(hào)的101倍；施密特觸發(fā)器起整形作用。由信號(hào)發(fā)生器輸出各種波形信號(hào)，如方波，正弦波。經(jīng)過集成放大器放大，輸出信號(hào)增強(qiáng)，再經(jīng)由施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，將信號(hào)整形成相同的輸出信號(hào)，輸出進(jìn)計(jì)數(shù)器電路。 信號(hào)輸出 圖3 放大整形電路的原理圖 3、 譯碼顯示電路計(jì)數(shù)器電路與譯碼顯示電路方框圖和計(jì)數(shù)器電路與譯碼顯示電路及分其電路，如圖5,6所示 數(shù)碼管顯示 譯碼器輸入信號(hào) 計(jì)數(shù)器 圖5 計(jì)數(shù)器與譯碼顯示電路圖方框圖 同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160 作用：實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的功能，為脈沖分配器做好準(zhǔn)備。 74LS160結(jié)構(gòu)和功能 160為十進(jìn)制計(jì)

8、數(shù)器，直接清零。 簡(jiǎn)要說明:160為可預(yù)置的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，共有54/74160 和54/74LS160 兩種線路結(jié)構(gòu)型式,其主要電器特性的典型值如表3-1(不同廠家具體值有差別): 下表是74LS160的主要電器特性 異步清零端/MR1 為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端CP信號(hào)狀態(tài)如何，都可以完成清零功能。 160的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器/PE為低電平時(shí)，在CP上升沿作用下，輸出端Q0-Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0-P3一致。對(duì)于54/74160，當(dāng)CP由低至高跳變或跳變前，如果計(jì)數(shù)器控制端CEP、CET為高電平，則/PE應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而54/74LS160無(wú)此種限制。 160的計(jì)數(shù)是同步的，靠

9、CP同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)CEP、CET均為高電平時(shí)，在CP上升沿作用下Q0-Q3同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。對(duì)于54/74LS160的CEP、CET跳變與CP無(wú)關(guān)。 160有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位輸出端（TC）輸出一個(gè)高電平脈沖，其寬度為Q0的高電平部分。 在不外加門電路的情況下，可級(jí)聯(lián)成N位同步計(jì)數(shù)器。 對(duì)于54/74LS160，在CP出現(xiàn)前，即使CEP、CET、/MR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。數(shù)碼顯像管1、2 數(shù)碼顯像管3、4控制開關(guān)輸入信號(hào)四、性能的測(cè)試1、振蕩電路的測(cè)試，如圖7所示設(shè)計(jì)要求提出精度±1Hz，峰值為5V，所以振蕩

10、電路輸出的，電信號(hào)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試用示波器連接到振蕩電路兩端，測(cè)得時(shí)鐘脈沖信號(hào)。調(diào)整時(shí)間軸比例到可以觀察到合適的脈沖波形。輸出的為頻率為1Hz、幅度為5V的時(shí)鐘脈沖，符合設(shè)計(jì)要求。 圖7 振蕩電路的輸出波形 2、整形電路的測(cè)試， 如圖8、9所示。 整形電路的作用是對(duì)不同的波形進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整變換，輸出統(tǒng)一的波形。首先進(jìn)行對(duì)三角波的整形。連接示波器到整形電路兩端，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的波形到三角波，頻率為100kHz，得到想要的輸出波形。 圖8 整形電路的輸出波形同理進(jìn)行對(duì)方波的測(cè)試。 圖9 整形電路的輸出波形3計(jì)數(shù)電路與譯碼顯示電路的測(cè)試，如圖10所示 計(jì)數(shù)器電路與譯碼器電路相互作用，應(yīng)使電路能夠進(jìn)行

11、正確的度數(shù)進(jìn)位與計(jì)數(shù)，顯示器能正確的顯示出輸入端輸入的波形頻率。計(jì)數(shù)器清零和定時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)發(fā)生器均采用單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，74LS160內(nèi)部含兩個(gè)獨(dú)立的單穩(wěn)態(tài)電路，可以分別產(chǎn)生計(jì)數(shù)器清零脈沖和定時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)。 采用555電路的時(shí)基信號(hào)上升沿，作為清零信號(hào)電路的輸入觸發(fā)信號(hào)，清零信號(hào)的寬度由R1、C1值確定，一般調(diào)節(jié)為1mS左右。 清零信號(hào)加到計(jì)數(shù)器的清零端。 用清零信號(hào)的下降沿，作為定時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)電路的輸入觸發(fā)信號(hào)，定時(shí)計(jì)數(shù)信號(hào)的寬度由R2、C2值確定，一般調(diào)節(jié)為1S左右，用示波器觀察74LS160單穩(wěn)電路的輸入和輸出端，應(yīng)有周期變化的脈沖波形。測(cè)試開始調(diào)整輸入端的信號(hào)發(fā)生

12、器的輸出頻率為194。開始運(yùn)行電路，顯示器度數(shù)開始從0000增長(zhǎng)，個(gè)位，十位，百位，千位依次增長(zhǎng)，進(jìn)位正確。顯示器正確顯示，譯碼器正確譯碼，顯示器度數(shù)到194，顯示器顯示停止到194，正確的測(cè)試出信號(hào)發(fā)生器輸出的頻率。能夠正確的顯示所測(cè)試的頻率的頻率值，并且能夠正確實(shí)現(xiàn)進(jìn)位，符合設(shè)計(jì)要求。 圖10 計(jì)數(shù)電路與譯碼顯示電路 五、結(jié)論 放大電路的輸入電壓為300mV，放大倍數(shù)約5至10倍，有源帶通濾波器的中心頻率為1kHz，Wd=100HZ。有源濾波器：（1）放大增益：Au=1+Rf/R1（2） 下限頻率：fL=1/2R1C1 (3） 上限頻率：fH=1/2R2C2（4） 帶寬：BW=fL-fH。

13、通過比較器可以將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，并且要求門限電壓為1V，上拉電阻必須加上且阻值在4.7k至5.1k，若不加則會(huì)輸出一條直線。然后又通過理解和學(xué)習(xí)數(shù)電中周期，計(jì)數(shù)，保持功能等知識(shí)，了解了計(jì)數(shù)過程中的充放電時(shí)間和振蕩周期，計(jì)數(shù)過程中充電時(shí)間為Tw1=0.7*（R1+R2）*C，放電時(shí)間為Tw2=0.7*R2*C，振蕩周期為T=Tw1+Tw2。清零時(shí)間應(yīng)在30ms左右，計(jì)數(shù)時(shí)間在1s左右。本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的電路能夠完成頻率的范圍為100Hz10KHz，峰值為5V的頻率的測(cè)量；測(cè)量頻率的精度為±1Hz。并且能正確的實(shí)現(xiàn)進(jìn)位及復(fù)位鎖存功能。參考文獻(xiàn)1 閻石著. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社，2005年2 童詩(shī)白、華成英主編者. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社，2006年3 趙淑范、王憲偉主編.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2006年4 孫肖子、鄧建國(guó)主編.電子設(shè)計(jì)指南M. 北京：高等教育出版社，2006年5 孫俊人.新編電子電路大全.中國(guó)計(jì)量出版社，20016 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，20067 王新賢.通用集成電路出查手冊(cè).山東科學(xué)技術(shù)出版社,20058 魏海明，楊興瑤.實(shí)用電子電路500例.化學(xué)工業(yè)出版社，19969 趙負(fù)圖.數(shù)字邏輯集成電路手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社，2005附錄I 總電路圖附錄II