【數(shù)字頻率計】自動換擋頻率計設(shè)計

1、海 南 大 學課程設(shè)計報告課 程： 電子線路課程設(shè)計 題 目： 自動換擋數(shù)字頻率計的設(shè)計 學 院： 信息科學技術(shù)學院 指導(dǎo)教師： 易家傅 15自動換擋頻率計設(shè)計摘 要數(shù)字頻率計是主要用來顯示被測頻率的大小的裝置，其廣泛應(yīng)用于許多設(shè)計復(fù)雜、功能多樣的電子設(shè)備中，雖然其功能復(fù)雜，但是使用起來既簡單又方便。本設(shè)計以純電路方式來實現(xiàn)頻率計的各項功能，主要涉及的是數(shù)字電子電路方面的知識。時基信號為1MHz，采用晶振電路來實現(xiàn)；電路可以對輸入的正弦信號、三角波信號整形成脈沖信號，以實現(xiàn)對其頻率的測量；電路的自動換擋功能利用74LS194來實現(xiàn)，4個檔位（3個發(fā)光二級管）來實現(xiàn)1999KHz的測量，當量程大

2、于1MHz，則顯示溢出信號“F”，示數(shù)的顯示則采用由3個數(shù)碼管組成的電路來實現(xiàn)；測量的數(shù)據(jù)誤差保持在1%之內(nèi)，并具有自檢功能。本電路的設(shè)計方案很好的實現(xiàn)了課程設(shè)計的要求，模塊聯(lián)系緊密，計數(shù)精確。關(guān)鍵詞：晶振 整形 自動換擋 自檢 74LS194AbstractA digital cymometer is the device which messure the frequency and widely used in many design complexity and feature-rich electronic devices. The design approach to achiev

3、e pure frequency meter circuit of the function, mainly related to the digital electronic circuit knowledge. Time base signal is 1MHz, using crystal oscillator circuit to achieve; circuit on the input sinusoidal signal, the entire triangular wave signal and a pulse signal, in order to achieve their f

4、requency of measurement; circuit features automatic shifting to achieve using 74LS194, 4 files bit (three light-emitting diodes) to achieve 1 999KHz measurements, when the range is greater than 1MHz, an overflow signal is "F" measured data error remains within 1%, and has a self-test funct

5、ion. The circuit design to achieve a good curriculum design requirements, the module closely, count accurate.Key words: crystal plastic automatic shift self-test 74LS194目 錄1引 言12課程設(shè)計的目的22.1設(shè)計說明22.2設(shè)計要求32.3量程自動轉(zhuǎn)換的數(shù)字式頻率計的功能實現(xiàn)33方案比較44自動轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率計電路系統(tǒng)設(shè)計54.1電路框架圖54.2電路設(shè)計54.2.1晶振信號電路54.2.2分頻器64.2.3門控及時序控制電路8

6、4.2.4自動換檔電路94.2.5計數(shù)、譯碼、顯示電路105 測試數(shù)據(jù)和誤差分析125.1 測試數(shù)據(jù)125.2 誤差分析136課程設(shè)計的收獲、體會和建議146.1課程設(shè)計的收獲體會146.2課程設(shè)計的建議147附 錄15參考文獻161引 言在電子測量領(lǐng)域中，頻率測量的精確度是最高的，可達1010E-13數(shù)量級。因此，在生產(chǎn)過程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉(zhuǎn)換成信號頻率，然后用數(shù)字頻率計來測量，以提高精確度。國際上數(shù)字頻率計的分類很多。按功能分類，因計數(shù)式頻率計的測量功能很多，用途很廣，所以根據(jù)儀器具有的功能，電

7、子計數(shù)器有通用和專用之分。(1)通用型計數(shù)器：是一種具有多種測量功能、多種用途的萬能計數(shù)器。它可測量頻率、周期、多周期平均值、時間間隔、累加計數(shù)、計時等；若配上相應(yīng)插件，就可測相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當?shù)膫鞲衅?，還可進行長度、重量、壓力、溫度、速度等非電量的測量。(2)專用計數(shù)器：指專門用來測量某種單一功能的計數(shù)器。如頻率計數(shù)器，只能專門用來測量高頻和微波頻率；時間計數(shù)器，是以測量時間為基礎(chǔ)的計數(shù)器，其測時分辨力和準確度很高，可達ns數(shù)量級；特種計數(shù)器，它具有特種功能，如可逆計數(shù)器、予置計數(shù)器、差值計數(shù)器、倒數(shù)計數(shù)器等，用于工業(yè)和白控技術(shù)等方面。數(shù)字頻率計按頻段可分為四類：低

8、速計數(shù)器，最高計數(shù)頻率10MHz；中速計數(shù)器，最高計數(shù)頻率10100MHz；高速計數(shù)器，最高計數(shù)頻率100MHz；微波頻率計數(shù)器，測頻范圍180GHz或更高。數(shù)字頻率計將模擬電子電路和數(shù)字電子電路很好融合到一起，是一個將所學習的理論知識轉(zhuǎn)化為實踐的一個很好的載體。2課程設(shè)計的目的本次課程設(shè)計主要是配合模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)理論課程而設(shè)置的一門實踐性課程，起到鞏固所學知識，加強綜合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計能力，提高實驗技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。2.1設(shè)計說明數(shù)字頻率計用于測量正弦信號、矩形信號等波形的頻率，其概念是單位時間里的脈沖個數(shù)，如果用一個定時時間T控制一個閘門電路，時間T內(nèi)閘門打開，讓被測

9、信號通過而進入計數(shù)譯碼，可得到被測信號的頻率fx=，若T=1秒，則fx=N。原理圖如圖2.1所示。計數(shù)器鎖存器譯碼器時鐘電路10進制分頻器顯示器整形正弦波矩形波自檢控制電路閘門1s0.001s圖2.1 數(shù)字頻率計原理框圖2.2設(shè)計要求基本部分(1) 被測信號的頻率范圍為1Hz999KHz，分為4個檔位：1Hz,10Hz,100Hz,1KHz。(2) 具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標準脈沖校準測量精度。(3) 用3為數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，測量誤差小于10%。(4) 用3個發(fā)光二極管表示單位，分別對應(yīng)4個高檔位。(5) 具有自動換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。2.3量程自動轉(zhuǎn)換的數(shù)字式頻率計

10、的功能實現(xiàn)量程范圍為1MHz，量程分1kHz、10kHz、100kHz和1MHz（最大讀數(shù)分別為999HZ，9.99kHz，99.9kHz，999kHz）。量程自動轉(zhuǎn)換：(1)當讀數(shù)大于999時，頻率計處于超量程狀態(tài)。此時顯示器發(fā)出溢出指示（最高位顯示F，其余各位不顯示數(shù)字），下一次測量時，量程自動增大一檔。(2)讀數(shù)小于000時，頻率計處于欠量程狀態(tài)。下次測量時，量程自動減少一檔。顯示方式：(1)用記憶顯示方式，即計數(shù)過程中不顯示數(shù)據(jù)，待計數(shù)過程結(jié)束后，顯示技術(shù)結(jié)果，并將此顯示結(jié)果保持到下一次計數(shù)結(jié)束。顯示時間不小于1秒。(2)小數(shù)點位置隨量程變化自動移位。（仿真中用小燈表示）3方案比較(1

11、)基于單片機的數(shù)字頻率計設(shè)計這種方案最大的好處就是硬件電路設(shè)計簡單，容易制作PCB板，但是它的缺點也是明顯的由于單片機本身晶振的問題，在測量高頻時單片機難以勝任，在造價方面單片機也會相對高一些。(2)用純硬件電路實現(xiàn)數(shù)字頻率計的設(shè)計，這種方案雖然電路復(fù)雜，但測量范圍大，精度高，造價低。綜合上述兩種方案在技術(shù)和經(jīng)濟方面的多重考慮，本設(shè)計采用第二種方案，并且本課程為電子線路設(shè)計，主要鍛煉我們數(shù)電與模電的知識，所以才有方案二更為合理。4自動轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率計電路系統(tǒng)設(shè)計4.1電路框架圖電路框架圖如圖4.1所示：圖4.1 量程自動轉(zhuǎn)換的數(shù)字頻率計的組成框圖4.2電路設(shè)計4.2.1晶振信號電路為了

12、得到高精度、高穩(wěn)定度的時基信號，需要一個高穩(wěn)定的高頻信號源。產(chǎn)生此信號的電路如圖4.2所示。圖中的R7，R8為反饋電阻，為門電路提供合適的工作點，使其工作在線性狀態(tài)。電容C3是耦合電容。采用1MHz的晶振，可以到到1MHz的振蕩信號。輸出波形如圖4.3。圖4.2 石英晶體振蕩器圖4.3 輸出頻率波形4.2.2分頻器分頻器電路（如圖4.4所示）是由多級計數(shù)器完成，目的是得到不同的標準時基信號。采用6個十進制74LS90級聯(lián)可獲得時基為1s，0.1s ，0.01s ，0.001s (對應(yīng)的頻率分別為1Hz，10Hz，100Hz， 1000Hz)。分頻后波形如圖4.5所示。圖4.4

13、0;分頻器電路圖4.5 分頻后輸出波形4.2.3門控及時序控制電路圖4.6中 由雙JK觸發(fā)器構(gòu)成門控電路（門控電路即提取連續(xù)時基信號中的單個高電平脈沖信號的電路），由D觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路組成4時序控制電路。系統(tǒng)通電開始運行時JK觸發(fā)器由R2和C1自動復(fù)位，門控電路開始工作，提取計數(shù)時鐘脈沖并讓閘門開啟和使計數(shù)器計數(shù)后觸發(fā)時序控制電路，讓系統(tǒng)中其他各個功能部分如：量程開關(guān)選擇電路，譯碼電路，數(shù)碼管顯示電路、計數(shù)器清零和進退位信號鎖存器按順序工作，互不沖突干擾，此后，第4個D單穩(wěn)觸發(fā)器讓門控電路復(fù)位，觸發(fā)下一個計數(shù)時鐘脈沖，即電路循環(huán)工作開始。時基信號、門控信號及顯示、清零、等待信號的時序

14、關(guān)系如圖4.7所示。圖4.6 門控及時序控制電路圖4.7 工作時序波形圖4.2.4自動換檔電路換檔電路由74LS194（移位寄存器）、雙JK觸發(fā)器及門電路構(gòu)成，圖4.8中JK觸發(fā)器用作進退位信號鎖存器，在圖4.9計數(shù)器電路中有三位10進制數(shù)位，最高位的狀態(tài)（是否有計數(shù)或是否有溢出）作為進位、退位和保持的依據(jù)，其狀態(tài)可用表1說明。表1 JK觸發(fā)器U8A，U8B控制74LS194 S0、S1真值表（設(shè)U8A的Q端為QA，U8B的Q端為QB）Qa(有溢出)Qb(有計數(shù))S0S174ls1940001左移0100保持1110右移  74LS194芯片腳

15、SR接高電平、SL接低電平，目的是讓右移補充項是1，左移補充項是0。由于74LS194 的Q0、Q1、Q2、Q3并非單引腳高電平切換，為了讓時基信號單通道（圖4.8中A，B，C，D 4通道）選通，則需要進行簡單譯碼，譯碼真值表可見表2。表2 量程真值表74LS194 Q0 Q1 Q2 Q374LS138對應(yīng)頻率范圍相應(yīng)燈顯示 0 0 0 0Y01999Hz全不亮 1 0 0 0Y119.99kHz燈1 1 1 0 0Y310kHz99.9kHz燈2 1 1 1 0Y7100kHz999kHz燈3 1 1 1 1超出范圍到F輸出自動換檔電路如圖4.8所示：圖4.8 

16、自動換檔電路圖4.2.5計數(shù)、譯碼、顯示電路頻率計的計數(shù)、譯碼、顯示電路如圖4.9所示。根據(jù)設(shè)計要求超出量程時高位顯示F，低位不顯示，因此引入74LS32或門進行控制；由于需要有小數(shù)點的自動換檔顯示，因此引入了三個LED管；計數(shù)器采用了74LS90，將其接成十進制的計數(shù)器；BCD管顯示譯碼器選用CD4511，CD4511用于驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管，它是將鎖存、譯碼、驅(qū)動三種功能集于一身的電路。其LE端是鎖存控制端，當LE=0時選 通，LE=1時鎖存，故用D觸發(fā)器U25；A控制LE。同時利用D觸發(fā)器U25：B控制LS90的清零端。圖4.9 計數(shù)、譯碼、顯示電路設(shè)計的總電路圖如圖4.10

17、所示：圖4.10 總電路圖5 測試數(shù)據(jù)和誤差分析5.1 測試數(shù)據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)如表3所示：表3 測試數(shù)據(jù)實際數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)誤差誤差百分比5Hz5 Hz00155Hz154 Hz1Hz0.6%400Hz396Hz4Hz1%515Hz510Hz5Hz0.9%980Hz976Hz4Hz0.4%1.5kHz1.5kHz003kHz3kHz004.5kHz4.5kHz005kHz5kHz009kHz9kHz0012kHz12.1kHz100Hz0.8%20kHz20kHz0055kHz55kHz0075kHz75.1kHz100Hz0.1%95kHz95.1kHz100Hz0.1%120kHz121kHz1

18、00Hz0.08%200kHz200kHz00350kHz350kHz00500kHz500kHz00950kHz951kHz1000.1%1.5MHzF綜觀上述數(shù)據(jù)所有誤差均在要求范圍10%之內(nèi)，故此方案是可行的。5.2 誤差分析表4 誤差分析表高位顯示可能誤差（%）00 2010.9 120.4030.3340.2750.2060.1670.1380.1290.10由上述知：在高位數(shù)值較低時，低位浮動產(chǎn)生的誤差較大。因此在上表中在高位數(shù)值較低時給予一個誤差范圍，在其他情況誤差變化不大給予可能誤差一個固定數(shù)值。另外，若為了得到高精度的測量數(shù)據(jù)，可引入修改因子對測量數(shù)據(jù)進行修正。修改

19、因子數(shù)值等同于可能誤差，在高位為0或1時候?qū)?yīng)取值為10%、0.95%?？紤]到測量值總比輸入值大，誤差為正，可以引入簡單修正公式如下：修正值=測量值/(+1)由誤差=（測量值-實際值）/實際值 類比得：修改因子=（測量值-修改值）/修改值。從而得到修正公式。 采用修正公式可以有效地減少誤差，但是在高位較小時，采用修改因子進行修改精度較低。6課程設(shè)計的收獲、體會和建議6.1課程設(shè)計的收獲體會在之前的學習中，小組成員已經(jīng)對設(shè)計軟件比較熟悉。在設(shè)計早期，應(yīng)用Proteus軟件完成對電路的設(shè)計。在前期的設(shè)計中本組對自動換擋方面的電路設(shè)計總是不理想，但通過大家的共同討論，以及與一些老師的交流，我們設(shè)計出了合適的電路。當我們把所設(shè)計的所有分塊電路組合起來卻出現(xiàn)了一些問題，這些問題可能是在設(shè)計之初沒有考慮到全局的各各