數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)01624

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進(jìn)行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測信號在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測信號的頻率f=N/T。用中小規(guī)模數(shù)字集成電路和半導(dǎo)體顯示器件實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)：頻率測量范圍：109999Hz輸入電壓幅度：300mV3V輸入信號波形：任意周期信號顯示位數(shù)： 4位電源： 220V50Hz三、設(shè)計(jì)計(jì)劃電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)共1周：第1天：針對選題查閱資料，確定設(shè)計(jì)方案；第2天：電路原理設(shè)計(jì)，進(jìn)行元器件及參數(shù)選擇；第34天：電路仿真，畫電路原理圖；第5天：編寫整理設(shè)計(jì)說明書。四、設(shè)計(jì)要求1. 系

2、統(tǒng)工作原理說明；2. 畫出系統(tǒng)電路原理圖；3. 對所設(shè)計(jì)的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求；4. 寫出設(shè)計(jì)說明書。指 導(dǎo) 教師：時(shí) 間： 年 月 日 目錄0綜述11 方案論證22 原理及技術(shù)指標(biāo)33 單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算53.1時(shí)基電路53.2放大整形電路63.3邏輯控制電路63.4計(jì)數(shù)器73.5鎖存器83.6譯碼電路94 仿真115 設(shè)計(jì)小結(jié)125.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況125.2 問題及改進(jìn)125.3 心得體會(huì)126 參考書目13摘要 數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字，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(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬

3、、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、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，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計(jì)。 頻率測量中直接測量的數(shù)字頻率計(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。在一個(gè)測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成方波信號，加到與非門的另一個(gè)輸入端上.該與非門起到主閥門的作用,在與非門第二個(gè)人輸入端上加閥門控制信號,控制信號為低電平時(shí)閥門關(guān)閉,無信號進(jìn)入計(jì)數(shù)器;控制信號為高電頻時(shí),閥門開啟整形后的信號進(jìn)入計(jì)數(shù)器,若閥門控制信號取1s,則在閥門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器得到的脈沖數(shù)N就是被測信號的頻率. 在普通的電子測量儀器中，示波

4、器在進(jìn)行頻率測量時(shí)測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實(shí)時(shí)快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。 本課程次設(shè)計(jì)是基于TTL系列芯片的簡易數(shù)字頻率計(jì),數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路和模擬電路的知識進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，所有電路仿真均基于Mulstisim仿真軟件。關(guān)鍵詞：周期；頻率；時(shí)基電路;鎖存器;計(jì)數(shù)器;數(shù)碼管;0綜述數(shù)字頻率計(jì)主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研領(lǐng)域。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字，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

5、號，方波信號以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、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(jì).1 方案論證數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時(shí)間（ 1S ）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時(shí)間內(nèi)對信號波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。信號的頻率就是信號在單位時(shí)間內(nèi)

6、所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，其表達(dá)式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為計(jì)數(shù)器所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)，T為產(chǎn)生N個(gè)脈沖所需的時(shí)間。計(jì)數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測信號的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個(gè)脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。測量頻率的基本方法有三種:直接測量法,直接和間接測量相結(jié)合的方法和多周期同步測量.直接測量法最簡單,但測量誤差較大;后兩種方法測量精度雖高,但電路復(fù)雜,為簡便起見,采用直接測量法.2 原理及技術(shù)指標(biāo)交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電振動(dòng)的次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為：f=式中f為頻率。N為電振動(dòng)次數(shù)或脈沖數(shù)。T為產(chǎn)生N次電振動(dòng)或脈沖所需要的時(shí)間。第一步把各

7、種被測信號通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)頻率測量的另一必備環(huán)節(jié)是時(shí)基電路。時(shí)基電路就是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz或5MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號發(fā)生器。一般計(jì)數(shù)器則采用十位計(jì)數(shù)器，N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器也就是N分頻器，其N進(jìn)位信號也可作為N分頻信號。如圖2.1所示為數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理總框圖，被測量信號經(jīng)過放大與整形電路傳入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，變成矩形波信號，此時(shí)數(shù)字頻率計(jì)與被測信號的頻率相同，時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號，此時(shí)利用所獲得的基準(zhǔn)信號來觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門信號，計(jì)數(shù)時(shí)1S內(nèi)，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計(jì)數(shù)器開始

8、計(jì)數(shù)，當(dāng)1s至1.25S閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù),所得的數(shù)字N就是其頻率.邏輯控制電路數(shù)碼顯示器譯碼器鎖存器計(jì)數(shù)器閘門電路放大與整形電路時(shí)基電路VX圖2.1數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理方框圖 邏輯控制電路的一個(gè)重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時(shí)基信號輸入，使圖2.2 邏輯控制電路計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時(shí)間，以便觀測和讀取數(shù)據(jù)。簡而言之，控制電路就是通過循環(huán)打開主控門計(jì)數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然后清零，這個(gè)過程來完成頻率的計(jì)數(shù)?？刂齐娐啡鐖D2.1.b所示. 3 單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1時(shí)基電路用于獲得穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號，以此來控制主控門的開啟時(shí)間，電路見圖3.1. 圖3.1 時(shí)基電路 本設(shè)計(jì)中采取用5

9、55定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3.1所示。接通電源后，電容被充電，當(dāng)上升到時(shí)，使為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到時(shí)，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時(shí)間為當(dāng)上升到時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為3.2放大整形電路由于輸入的信號可以是正弦波，方波，三角波。而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測信號為方波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測量的時(shí)候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成方波。對信號的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來實(shí)現(xiàn)，對信號整形

10、的功能由施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字電路器件當(dāng)輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當(dāng)輸入小于這個(gè)閾值時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個(gè)閾值，一個(gè)是高電平的閾值，輸入從低電平向高電平變化時(shí)，僅當(dāng)大于這個(gè)閾值時(shí)才為高電平，而從高電平向低電平變化時(shí)即使小于這個(gè)閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不這；低電平閾值具有相同的特點(diǎn)。為保證測量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器。對幅值較低的被測信號經(jīng)放大后再送入整形器整形。如圖3.2.2為放大整形電路原理圖。此電路采用晶體管3DG100與74LS00等組成，其中3DG100為放大器，可對周期

11、信號進(jìn)行放大再傳入整形器中對信號進(jìn)行整形。 3.2放大整形電路3.3邏輯控制電路控制電路需要控制幾個(gè)模塊。包括計(jì)數(shù)電路，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產(chǎn)生控制信號控制所要控制的模塊，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結(jié)果穩(wěn)定.輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關(guān)閉，同時(shí)也控制整機(jī)邏輯關(guān)系。本次設(shè)計(jì)采用74LS123N組成邏輯控制電路，先啟動(dòng)脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，此時(shí)時(shí)基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測信號通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)電路，于是計(jì)數(shù)器譯碼器開始計(jì)數(shù)，記下所測信號頻率值。當(dāng)控制電路轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到有一次循環(huán)

12、，計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，到此為止，頻率計(jì)完成一次測量。脈沖信號可由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123N產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時(shí)間常數(shù)決定。由74LS123N的功能得出，當(dāng)1、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時(shí)，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖2.2所示的波形和的要求，手動(dòng)復(fù)位開關(guān)S按下時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。邏輯控制電路如圖3.2所示： 邏輯控制電路圖3.33.4計(jì)數(shù)器為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。采用4個(gè)74LS90D二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，該芯片無需額外的元器件就可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)，所以首選。計(jì)數(shù)器依次從個(gè)位開始計(jì)數(shù)，向上為發(fā)出進(jìn)位信號而是高位開始計(jì)數(shù)。其特點(diǎn)是計(jì)

13、數(shù)脈沖作為時(shí)鐘信號同時(shí)接于各位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端，在每次時(shí)鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖沿到來時(shí)，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。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(shí)基信號的到來。時(shí)基信號由石英晶體多諧振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測信號通過閘門，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號，計(jì)數(shù)器即開始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，這樣就達(dá)到了測量頻率的目的.由于頻率計(jì)的測量范圍19999Hz，因此采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90D，它不僅可用于對脈沖進(jìn)行

14、計(jì)數(shù)，還可用于分頻；此電路則需分頻，N位進(jìn)制計(jì)數(shù)器就是N分頻器。被測信號由閘門開通送入計(jì)數(shù)器，記錄所測信號頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進(jìn)行下次循環(huán)，計(jì)數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計(jì)完成一次測量。數(shù)字頻率計(jì)測周期基本原理如圖3.3所示3.4數(shù)字頻率計(jì)測周期基本原理圖當(dāng)被測信號的頻率較低時(shí)，采用直接測頻方法由量程誤差一起的測量誤差太大，為了提高測低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，應(yīng)先測周期，然后計(jì)算。被測信號經(jīng)過放大整形電路變成方波，加到門控電路產(chǎn)生閘門信號，如，則閘門打開的時(shí)間也為10ms，在此期間內(nèi)，周期為的標(biāo)準(zhǔn)脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。若。則計(jì)

15、數(shù)器記得的脈沖數(shù)=10000個(gè)。若以毫秒為單位，則顯示器上的讀數(shù)為10.000。 以上分析可見，頻率計(jì)測周期的基本原理正好與測頻相反，即被測信號用來控制閘門電路的開通與關(guān)閉，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號作為計(jì)數(shù)脈沖。3.5鎖存器鎖存器是構(gòu)成各種時(shí)序電路的存儲單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。在確定的時(shí)間內(nèi)（1s）,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值.鎖存器的作用通過觸發(fā)脈沖控制.將測得的數(shù)據(jù)寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可以采用8位并行輸入寄存器.為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定,采用邊沿觸發(fā)方式的器件

16、.在確定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的技術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測量的數(shù)據(jù)寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。 此電路采用74LS273N鎖存器，其作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)鎖記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。當(dāng)1s計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，通過邏輯電路產(chǎn)生信號送入鎖存器，將此時(shí)計(jì)數(shù)的值送入譯碼顯示器。選用兩個(gè)8位鎖存器74LS273N可以完成上計(jì)數(shù)功能。當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來到時(shí)，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)的Q不變。

17、所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。圖3.4鎖存器芯片3.6譯碼電路在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計(jì)數(shù)被測信號中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字。采用七段共陽數(shù)碼管顯示,譯碼顯示器的作用是把計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號,從而獲得數(shù)字顯示.圖3.5 3.5數(shù)碼管顯示及其控制電路4 仿真所有單元電路調(diào)制所需值,本此設(shè)計(jì)采用mulstisim1.0仿真運(yùn)行.測信號經(jīng)由三極管組成的放大器放大后，送到由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的輸入端進(jìn)行整形，使之成為計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號。由于放大電路的電源值為5V,所

18、以輸入信號比較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)線性失真，放大后的信號不會(huì)太大，超過5V。當(dāng)時(shí)基脈沖處于高電平時(shí)，閘門電路打開，計(jì)數(shù)器對輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)輸入信號頻率為345時(shí)所測得信號頻率值如下圖顯示344,在誤差范圍之內(nèi),本次設(shè)計(jì)成功.5 設(shè)計(jì)小結(jié)5.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況通過為期一周的課程設(shè)計(jì)，我對于數(shù)字頻率計(jì)的組成與功用有了了解與掌握，并且對于數(shù)字頻率計(jì)的個(gè)部分電路有了各設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了論證與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)頻率計(jì)的電路過程中對于邏輯控制電路有了更深一步的認(rèn)識，了解并掌握了芯片74LS123N的功能與連接，并且對于譯碼顯示器、計(jì)數(shù)器與鎖存器的工作有了認(rèn)識與了解。5.2 問題及改進(jìn)在仿真的過程中，連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng)，然后通過示波器一個(gè)一個(gè)檢測元件的輸入和輸出信號，看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分，對照電路圖進(jìn)行檢查修改，最后發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電阻取值過大導(dǎo)致數(shù)碼管無法顯示元件的功能沒有實(shí)現(xiàn)。所以在連接電路的時(shí)候要細(xì)心，這也是要改進(jìn)的地方。當(dāng)閘門導(dǎo)通時(shí)