數(shù)電課程設(shè)計_數(shù)字頻率計

1、目錄： 一 摘要2 二 設(shè)計原理及方案31.、設(shè)計方案.42設(shè)計原理.5三 單元電路.71.輸入信號電路.72. 時基和閘門電路.83. 邏輯控制電路11 4. 鎖存器和清零.115. 計數(shù)電路設(shè)計12四 元器件清單14五 整體電路.15參考文獻.17體會心得18摘要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。本次課程設(shè)計的目的是根據(jù)已經(jīng)學(xué)到的知識，按照這次課程設(shè)計的要求設(shè)計一個簡易的數(shù)字頻率計，要求頻率計范圍內(nèi)能測出所輸入信號的頻率。測量頻率的方法有多種，中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，其以及

2、便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。根據(jù)設(shè)計的要求我是按照第一種方法設(shè)計的，是直接測頻法?？梢砸娨欢ǚ秶鷥?nèi)的信號輸入后直接測的信號的頻率。關(guān)鍵詞：邏輯控制，計數(shù)器，門控信號。一 設(shè)計原理及方案數(shù)字頻率計就是直接用十進制的數(shù)字來顯示被測信號頻率。可以測的方波的頻率，通過放大正行處理，它可還以測量正弦波、三角波和尖脈沖信號的頻率。所謂頻率就是在單位時間（1s）內(nèi)周期信號的脈沖個數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得周期信號的脈沖個數(shù)N，則其頻率為f=N/T，據(jù)此，設(shè)計方案框圖

3、如圖1所示：譯碼顯示電路鎖存器邏輯控制電路計數(shù)器時基電路 閘門電路分頻器被測信號的整形 圖1 數(shù)字頻率計組成框圖圖中脈沖形成的電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測信號的頻率f。，時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號也就是閘門信號持續(xù)時間也會等于1s。閘門電路由閘門信號進行控制當(dāng)閘門號到來時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門被送到計數(shù)器譯碼顯示電路。閘門信號結(jié)束時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率f= N Hz。 1、設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求，簡易數(shù)字頻率計的工作原理方框圖如圖2所示：圖2設(shè)計原理方框圖首先，被

4、測信號經(jīng)放大整形處理后，會得到與輸入信號頻率相同的方波；然后時基電路產(chǎn)生的閘門信號，與處理后的被測信號一起送入閘門電路，若是閘門信號關(guān)閉，被測信號不能進入計數(shù)器，當(dāng)閘門信號開啟時，當(dāng)被測信號被送入計數(shù)器時，計數(shù)器開始計數(shù)，后面的鎖存譯碼電路，最后顯示出所測信號的頻率。根據(jù)課題的要求，首先需要確定滿足測量要求的測量方法。由測量原理與方法可知，可用的測量方法由兩種，一種是測周法，另一種是測頻發(fā)。測周法適用于低頻信號的頻率測量，測頻發(fā)適用于較高頻率信號的頻率測量。但是由于用測周法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)才能得到周期的頻率，數(shù)字電路中用大多時二進制單位，所以求倒數(shù)不太容易實現(xiàn)。因此本實驗采用

5、的是測頻法，測周法不適合這個實驗。2、設(shè)計原理由邏輯電路組成的頻率計，大多是由中小規(guī)模的集成芯片按照邏輯原理組合而成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組裝、調(diào)試比較麻煩；但是我們所學(xué)的知識大部分是集成芯片，所以只用中小型規(guī)模的集成芯片組成的邏輯電路，有多個單元組成而成的簡易數(shù)字頻率計。圖3（a）原理方框圖測頻法：又稱為M法測量頻率的原理框圖如圖3（a）.測量頻率共有4個檔位。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即

6、開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達到了測量頻率的目的。對頻率是f的周期信號，測頻的實現(xiàn)方法，是有一個標(biāo)準(zhǔn)閘門信號（閘門寬度為Tg）對周期信號的重復(fù)周期數(shù)進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)結(jié)果為N1時，其信號的頻率為：f=N1/Tg，式中Tg為標(biāo)準(zhǔn)閘門的寬度（s），N1是由計數(shù)器記錄的脈沖個數(shù)（重復(fù)周期數(shù)）。如圖（3）所示：圖3（b）測量電路在檢測到脈沖信號的上升沿的時候打開計數(shù)器, 并且在檢測到下降沿的時候關(guān)閉計數(shù)器, 設(shè)脈沖寬度為Tg, 計算公式為: Tg = N1/f。三 單元電路設(shè)計1.輸入信號電路其作用是將接收到的各種被測信號（如正弦波、三角波或者其他呈周期性變化的波形）并加以放大、整形，轉(zhuǎn)換為為計數(shù)器所要求

7、的脈沖信號，但是被測信號的頻率并不發(fā)生改變。將其他波形的信號變換成脈沖波形的信號電路有多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，其中施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較多。電路形式采用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，電路原理如圖4（a） 所示。 圖中R1與R2的作用是將被測信號進行電平移動，因為555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平UT+ =2/3Ucc，下觸發(fā)電平UT=1/3Ucc，如圖4（b）所示。 4(a) 原理圖 圖4（b） 波形圖 輸入信號的直流電平Uxo應(yīng)該滿足下列關(guān)系1/3Ucc<Uxo<2/3Ucc。輸入信號的幅度Uxm與直流電平Uxo和回差UT有關(guān)，一般說來，UT越小，對輸入信號的幅

8、值Uxm要求越小，如果需要減小回差，可以在555的控制端CO接入一個正電壓。如果取+Ucc=+5V,回差UT=1.67V。對于圖4（b）所示的波形圖，若取Uxo=1/3Ucc+1/2UT=2.5V,則輸入信號幅度為 Uxm>1/2UT=0.83V.為使Uxo=2.5V，對于圖4（a）所示電路，則取R1=R2=10K。2. 時基和閘門電路如圖3所示，閘門電路是控制計數(shù)器計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，被測信號的脈沖通過閘門進入計數(shù)器的個數(shù)就是由閘門信號決定的，閘門信號的精度很大程度上決定了頻率計的頻率測測量精度。當(dāng)要求頻率測量精度高時，應(yīng)使用晶體振蕩器通過分頻獲得。本次頻率計的設(shè)計要求精度不是太高，因

9、此在頻率計設(shè)計中，我選用的是時基信號采用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間信號（高電平）來到時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門進入計數(shù)器開始計數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖結(jié)束時（為低電平），閘門關(guān)閉，計數(shù)器無時鐘脈沖輸入。如圖5所示準(zhǔn)時基為0.001s的脈沖是由555定時器構(gòu)成的多謝振蕩器電路產(chǎn)生的，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩氣的周期計算公式：t=t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比為：D= t2/ t1+t2= R2/R1+2R2<50%，t1為正方波的寬度，t2為負(fù)方波的寬度；若取振蕩器的頻率f0=1/ t1+t2=0.8HZ,則振蕩器的輸出波形如圖6所示，其中t1=1

10、s，t2=0.25s圖5 多諧振蕩器圖6tpH=(R1+R2)C1n20.7(R1+R2)C ，振蕩器由555定時器組成，有振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號在經(jīng)過分頻器分頻后來進行不同檔位之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了多檔之間的轉(zhuǎn)化。 由公式可以推導(dǎo)出多諧振蕩器的占空比，由振蕩器的振蕩周期來推導(dǎo)出多諧振蕩器在穩(wěn)定工作時的振蕩頻率，再通過分頻器來實現(xiàn)x1000,x100,x10和x1檔之間的轉(zhuǎn)換。3.邏輯控制電路根據(jù)圖3(b)所示時序波形，在標(biāo)準(zhǔn)時間信號即閘門信號結(jié)束時所產(chǎn)生低電平用來產(chǎn)生鎖存信號，因為由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)電路是低電平有效，即在閘門信號結(jié)束時產(chǎn)生鎖存信號。同時鎖存信號經(jīng)過非門產(chǎn)生清零信號。鎖存

11、信號的脈沖寬度由本身電路的時間常數(shù)決定，鎖存信號由兩個反相器產(chǎn)生的清零信號恰好有時間差，即在鎖存信號產(chǎn)生后再產(chǎn)生清零信號，由此可知這兩個脈沖信號可由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，其電路如圖3所示圖7 控制電路4.鎖存器和清零鎖存器的作用是將計數(shù)器在計數(shù)結(jié)束時的計數(shù)值進行鎖存，使顯示器獲得穩(wěn)定的測量值。因為計數(shù)器在1s內(nèi)要計算成千上萬個輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將隨計數(shù)器的輸出而變化，不便于讀數(shù)。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)結(jié)束時，邏輯控制電路會產(chǎn)生鎖存信號，將計數(shù)器此時的值送到譯碼器，因此經(jīng)由顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定不變的。在本次試驗中我選用的兩片8D鎖存器74LS273可以完成上述鎖存功能。74LS273的真值表

12、如表1所示。表1 74LS273真值表當(dāng)時鐘脈沖CP的上升沿到來時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將4個十進制計數(shù)器即個位、十位、百位、千位的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍然保持原來的狀態(tài)。所以在計數(shù)周期內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。清零信號是在計數(shù)器的計算值送鎖存后，為了下次計數(shù)而把計數(shù)器進行清零，所以在鎖存信號發(fā)出后，利用反相器的功能得到一個對計數(shù)器清零的延時信號。5. 計數(shù)電路設(shè)計 數(shù)字頻率計的核心內(nèi)容就是電子計數(shù)器,近年來大規(guī)模的集成電路得到廣泛的應(yīng)用,在電子計數(shù)器電路上也是如此,我用的計數(shù)器是小集成塊74LS290。計數(shù)器74

13、LS290是二五十進制計數(shù)器選用集成電路74LS290進行設(shè)計較簡便。（a） 二進制：CP1輸入端接計數(shù)脈沖，Q1為輸出端；（b） 五進制：CP2輸入端接計數(shù)脈沖，Q2-Q4為輸出端；（c） 十進制：Q1與CP2相連，CP1接計數(shù)脈沖，輸出端為Q1_Q4；（d） 只有在Ro1*Ro2=0和R9a*R9b=0時，計數(shù)器在計數(shù)脈沖作用下（下降沿）實現(xiàn)其功能。圖8 74290的管腳圖和原理圖畫法當(dāng)74290為十進制接法如右圖9四 元器件清單元件數(shù)量元件數(shù)量555定時器3片反相器1片0.01F電容4個74HC1604片10F電容1個5V直流電源4個撥盤開關(guān)1個其余電阻若干與門1個分頻器4個數(shù)碼管4個7

14、4LS2904片74LS2932片74484片五 整體電路圖參考文獻（一）何小婷，電子系統(tǒng)設(shè)計，浙江大學(xué)出版社，2001年6月（二）姚福安，電子電路設(shè)計與實踐，山東科學(xué)技術(shù)出版社，2001年10月（三）王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計實踐，東南大學(xué)出版社，1999年10月（四）李銀華，電子線路設(shè)計指導(dǎo)，北京航空航天大學(xué)出版社，1999年10月（五）康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，高教出版社，2003心得體會剛接到課程設(shè)計的時候完全沒有思路，不知該如何下手，好像自己學(xué)到的東西一點都用不上，后來經(jīng)過翻閱資料就有了思路，在整個課程設(shè)計完后，總的感覺是：有收獲。在這個過程中，我的確學(xué)得到很多在書本上學(xué)不到的東西，如：如何利用現(xiàn)有的元件組裝得到設(shè)計利用計算機來畫圖等等。在學(xué)習(xí)中的小問題在課堂上不可能犯，在動手的過程中卻很有可能犯。特別是在接電路時，一不小心就會犯錯，而且很不容易檢查出來。但現(xiàn)在回過頭來看，還是挺有成就感的。我的動手能力又有了進一步的提高，我感到十分的高興我學(xué)到了課本上沒有的東西，還知道課本上的知識也是很重要的，在你完全沒有思路的時候課本會給我很多靈感，這在以后的學(xué)習(xí)和生活中會有