數(shù)字頻率計課程設(shè)計報告

數(shù)電課程設(shè)計實驗報告學(xué)院：機械與電子工程學(xué)院班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：2016．11.18課程設(shè)計報告一、設(shè)計題目數(shù)字頻率計設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測信號在特定時間段T內(nèi)的周期個數(shù)為N時，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)體顯示器件實現(xiàn)以下技術(shù)指標：頻率測量范圍：10～9999Hz輸入電壓幅度：300mV～3V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)計要求1.系統(tǒng)工作原理說明；2.畫出系統(tǒng)電路原理圖；3.對所設(shè)計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設(shè)計任務(wù)要求；4.寫出設(shè)計說明書。目錄TOC\o"1-6"\h\u0綜述 21方案論證 42原理及技術(shù)指標 53單元電路設(shè)計及參數(shù)計算 73.1時基電路 73.2邏輯控制電路 83.3計數(shù)器 93.4鎖存器 113.5譯碼電路 123.6設(shè)計總圖 134設(shè)計小結(jié) 134.1設(shè)計任務(wù)完成情況 134.2問題及改進 144.3心得體會 14摘要數(shù)字頻率計是一種用十進制數(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間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、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。頻率測量中直接測量的數(shù)字頻率計主要由四個部分構(gòu)成：時基（T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個測量周期過程中，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輸入端上.該與非門起到主閥門的作用,在與非門第二個人輸入端上加閥門控制信號,控制信號為低電平時閥門關(guān)閉,無信號進入計數(shù)器;控制信號為高電頻時,閥門開啟整形后的信號進入計數(shù)器,若閥門控制信號取1s,則在閥門時間1s內(nèi)計數(shù)器得到的脈沖數(shù)N就是被測信號的頻率1方案論證數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（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時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。信號的頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T為產(chǎn)生N個脈沖所需的時間。計數(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個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。2原理及技術(shù)指標交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電振動的次數(shù)或脈沖個數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為：f=f=N/t式中f為頻率。N為電振動次數(shù)或脈沖數(shù)。T為產(chǎn)生N次電振動或脈沖所需要的時間。第一步把各種被測信號通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號實現(xiàn)頻率測量的另一必備環(huán)節(jié)是時基電路。時基電路就是產(chǎn)生時間標準信號的電路裝置。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準時間信號發(fā)生器。一般計數(shù)器則采用十位計數(shù)器，N進制的計數(shù)器也就是N分頻器，其N進位信號也可作為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制計數(shù)器，變成矩形波信號，此時數(shù)字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路提供標準時間基準信號，此時利用所獲得的基準信號來觸發(fā)控制電路，進而得到一定寬度的閘門信號，計數(shù)時1S內(nèi)，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)1s至1.25S閘門關(guān)閉，停止計數(shù),所得的數(shù)字N就是其頻率.邏輯控制電路邏輯控制電路數(shù)碼顯示器譯碼器鎖存器計數(shù)器閘門電路放大與整形電路時基電路VX圖2.1數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理方框圖圖2.2邏輯控制電路3單元電路設(shè)計3.1時基電路用于獲得穩(wěn)定的時間基準信號，以此來控制主控門的開啟時間，電路見如下圖3.1時基電路本設(shè)計中采取用555定時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，使為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到時，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時間為當(dāng)上升到時，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周期性的矩形波。其振蕩頻率為3.2邏輯控制電路控制電路需要控制幾個模塊。包括計數(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，同時會產(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，同時也控制整機邏輯關(guān)系。本次設(shè)計采用74LS123N組成邏輯控制電路，先啟動脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，此時時基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測信號通過閘門進入計數(shù)電路，于是計數(shù)器譯碼器開始計數(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，閘門關(guān)閉，計數(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)，計數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，到此為止，頻率計完成一次測量。脈沖信號可由兩個單穩(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，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端可獲得一負脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖2.2所示的波形Ⅳ和Ⅴ的要求，手動復(fù)位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清零。邏輯控制電路如圖3.2所示：邏輯控制電路圖3.23.3計數(shù)器為了提高計數(shù)速度，可采用同步計數(shù)器。采用4個74LS90D二-五-十進制計數(shù)器，該芯片無需額外的元器件就可實現(xiàn)十進制計數(shù)，所以首選。計數(shù)器依次從個位開始計數(shù)，向上為發(fā)出進位信號而是高位開始計數(shù)。其特點是計數(shù)脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當(dāng)前計數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計數(shù)脈沖沿到來時，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時翻轉(zhuǎn)，同時也使用所有應(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，等待時基信號的到來。時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)生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，被測信號由閘門開通送入計數(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，計數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進行下次循環(huán)，計數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計完成一次測量。3.4鎖存器鎖存器是構(gòu)成各種時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)。在確定的時間內(nèi)（1s）,計數(shù)器的計數(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.在確定的時間內(nèi)計數(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，其作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時鎖記得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。當(dāng)1s計數(shù)結(jié)束時，通過邏輯電路產(chǎn)生信號送入鎖存器，將此時計數(shù)的值送入譯碼顯示器。選用兩個8位鎖存器74LS273N可以完成上計數(shù)功能。當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計數(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。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。鎖存器芯片3.5譯碼電路在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(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數(shù)器產(chǎn)生的十進制數(shù)轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號,從而獲得數(shù)字顯示圖3.53.5數(shù)碼管顯示及其控制電路3.6設(shè)計總圖4設(shè)計小結(jié)4.1設(shè)計任務(wù)完成情況通過為期一周的課程設(shè)計，我對于數(shù)字頻率計的組成與功用有了了解與掌握，并且對于數(shù)字頻率計的個部分電路有了各設(shè)計的方案進行了論證與設(shè)計。在設(shè)計頻率計的電路過程中對于邏輯控制電路有了更深一步的認識，了解并掌握了芯片74LS123N的功能與連接，并且對于譯碼顯示器、計數(shù)器與鎖存器的工作有了認識與了解。4.2問題及改進連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng)，然后通過對照電路圖進行檢查修改，用萬用表測所有元器件接口電壓，一步一步改進。當(dāng)閘門導(dǎo)通時，時基信號通過閘門到達計數(shù)電路計數(shù)。由于閘門導(dǎo)通時間與被測信號周期相同，則可根據(jù)計數(shù)器計數(shù)值和時基信號的周期算出被測信號的周期T。T=1S*計數(shù)器計數(shù)值,所測頻率可直接表示為所測信號頻率.4.3心得體會因為是第一次做課程設(shè)計，在拿到題目時，很茫然不知如何下手。后來通