简易数字式频率计实验报告.docx
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简易数字式频率计实验报告
电子线路课程设计报告
姓名:
学号:
专业:
电气工程及其自动化
日期:
2012.10.30
2012-10-30
1引言
《电子线路课程设计》是一门理论和实践相结合的课程。
它融入了现代电子设计的新思想和新方法,架起一座利用单元模块实现电子系统的桥梁,帮助学生进一步提高电子设计能力。
对于推动信息电子类学科面向21世纪课程体系和课程内容改革,引导、培养大学生创新意识、协作精神和理论联系实际的学风,加强学生工程实践能力的训练和培养,促进广大学生踊跃参加课外科技活动和提高毕业生的就业率都会起到了良好作用。
在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此,频率的测量就显得更为重要。
若配以适当的传感器还可以对许多物理量进行测量,它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。
测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。
电子计数器测频有两种方式:
一是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;二是间接测频法,如周期测频法。
直接测频法适用于高频信号的频率测量,间接测频法适用于低频信号的频率测量。
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。
它的基本功能是测量正弦信号,方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其适用十进制内变化的物理量。
在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量迅速,精确度高,显示直观,经常要用到频率计。
2简易数字式频率计原理
2.1电子计数器测频原理
周期性信号在单位时间内重复出现的次数,称为电流/电压的频率。
频率计又称为频率计数器,是一种专门对信号频率进行测量的电子测量仪器,不论频率计技术指标如何定义,其基本工作原理都类似,频率测量原理如图1。
若在一定的时间间隔T内的计得这个周期性信号的重复次数个为No时,则被测信号的频率F为:
F=No/T
式中:
F为频率,单位为Hz。
No为计数器计数值,计数器计数定时时间为T。
一般的数字式频率计主要由四个部分构成:
输入电路、闸门电路,计数显示电路和控制电路,频率和周期测量原理框图如图2。
在一个频率测量的周期过程中,被测频率信号在输入电路中经过放大、滤波和整形、形成特定的被测脉冲,送到主门的一个输入端。
主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲(定时计数信号)。
在闸门脉冲开启主门的期间,特定的被测脉冲才能通过主门,从而进入计数器进行计数,计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值,内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。
2.2周期测量原理
周期测量原理框图如图4,脉冲宽度测量计算公式:
T=No*To
式中:
T为被测脉冲宽度,单位为s,To为时标,No为计数器计数值。
2.3简易数字式频率计方框图
简易数字式频率计方框图如图
3主要技术指标和要求
3.1主要技术指标
频率计电路的输入信号为正弦信号:
频率:
1Hz~10KHz,
幅度:
峰-峰值300mV。
输入信号整形电路:
(1)设计一个电压放大器,增益5~10倍可调。
(2)设计一个电压比较器,参考端基准电压为1.0V左右。
(3)设计一个中心频率为200Hz~1KHz的有源带通滤波器,使计数器能够对频率通带内的信号进行正常计数,其余则不计数。
计数器电路:
(1)设计一个2位的十进计数器、译码驱动和显示电路。
(2)要求频率计具有自动测频、自动清零、数据显示和数据保持功能。
3.2发挥部分
(1)实现双通道自动测频、数据显示和保持功能。
(2)实现通道号显示。
(3)实现输入信号和数字频率计的隔离。
(4)其他。
3.3实物要求
根据频率计测频原理,结合模电和数电的基础理论知识,完成对简易数字式频率计方案和电路设计和仿真,并在面包板上完成连接、装配、调试和演示。
基本要求
(1)输入信号:
正弦、三角和方波;
频率:
1Hz~10KHz;
幅度:
峰-峰值0.3V~5V;
(2)频率计通带:
100Hz~2KHz;
(3)量程范围:
0~99;
(4)闸门时间:
1s;
(5)采样周期:
≥2s;
(6)实现自动测频、自动清零、数据显示和保持功能。
3.4实验仪器
示波器:
TDO2022A
功率函数信号发生器:
SP1631A
三路稳压电源:
MPS-3003L-3
万用表:
UNI-T
3.5主要器件及典型电路形式
(1)本次课程设计用器件介绍:
74LS00、74LS04、74LS20、74LS32、74LS160、74LS47、74LS123、74LS74、74HCT573、CD4020、LM339、TLP521、OP07、LM324、七段LED数码管、发光二极管、开关二极管、三极管等。
(2)典型数字电路形式:
十进计数器、译器显示及驱动电路、逻辑控制电路、比较器、分频器、光电隔离器、时基信号发生器、单稳态信号发生器。
(3)典型模拟电路形式:
放大器、跟随器、二阶有源带通滤波器。
集成运放电路均采用±5V供电。
4各单元电路设计和元件参数选择
4.1单元电路设计
4.1.1放大器、有源带通滤波器和电压比较器设计
(1)放大器设计
该放大器可以把技术指标规定的输入信号放大到足够的电平,以驱动后面的电压比较器,放大器可采用OP07集成运放,如图8所示。
图8由OP07构成的放大器电路
(2)带通滤波器设计
带通滤波电路的设计中心频率为1KHz左右,通带宽度BW=100Hz左右。
巴特沃斯滤波器:
特点是带内带外最佳平稳,但低阶的过度带比较宽。
切比雪夫滤波器:
特点是过度带可以很窄,但带内带外幅频震荡比较严重。
典型的有源带通滤波器电路如图9。
带通滤波器中心频率和带宽的调整:
带通滤波器的中心频率和带宽主要是由滤波器中RC元件参数确定,通常可先选定电容器C值,再调节电阻阻值,一般可采用电位器调节。
带通滤波器采用集成运放OP07。
图9典型的有源带通滤波器电路
(3)比较器设计
比较器电路如图10,电压比较器的主要作用是把输入模拟信号转换成数字信号,使计数器可以对输入信号正确计数,电压比较器参考端的基准电压调整为1.0V左右,当输入端电压大于参考端电压时,该比较器电路实现翻转,完成对输入信号的整形。
电压比较器可采用LM339,该芯片中含四个独立的比较器电路,由于其输出端为集电极开路,必须外接4K7上拉电阻才可正常工作。
图10电压比较器电路
4.1.2时基电路设计
时基信号电路主要采用NE555集成电路,时基信号周期不小于3秒左右,
555时基信号电路及工作波形图如图11。
4.1.3计数器及译码驱动电路设计
计数器、译码驱动和显示电路可分别采用74LS160、74LS47和LED七段共阳数码管。
74LS47译码驱动的输出是低电平有效,由74LS160组成的十进计数器电路如图12。
图12由74LS160组成的十进计数器电路
4.1.4计数器清零和计数定时信号发生器设计
计数器清零和定时计数信号电路均采用74LS123单稳态电路构成,74LS123内部含两个独立的单稳态电路,图13为由74LS123单稳态电路构成的定时计数和计数器清零电路,在该电路中,通常是固定Ct,调整电路中的Rt值,可以得到不同脉宽的输出信号。
图13由74LS123单稳态电路构成的定时计数和计数器清零电路
4.1.5设计原理图
数电部分
模电部分
4.2元件和参数选择
(1)OP07运算放大器
1和8为偏置平衡(调零端),2为反向输入端,3为正向输入端,4接地,5空脚,6为输出,7接电源+
(2)LM339电压比较器
3脚接电源正12脚接地4,6,8,10脚接反向输入端
5,7,9,11脚接正向输入端1,2,13,14脚接输入端
当输入电压高于门限电压时,则输出高电平
当输入电压低于门限电压时,则输出低电平
(3)74LS123
(4)74LS160
(5)74LS47
(6)555芯片
(7)七段显示译码管
5仿真结果
5.1数电部分
5.2模电部分
示波器测出的输入信号,放大后的信号,滤波衰减信号,滤波后放大信号如下:
比较器输出信号如下:
6原始设计修改部分的说明
通过实际实物电阻电容,修改了部分电阻、电容值,使其更具可操作性。
7功能与测试结果
7.1调试前注意事项
在电路调试之前要注意以下事项:
(1)检查芯片位置方向,检查芯片电源和地连线正确。
(2)检查各芯片和器件的连接线是否正确。
(3)检查LED数码管各个管脚连线是否正确。
(4)放大器和滤波器电路采用±5V供电,数字电路电压为+5V。
7.2电路调试方法
注意:
为简化和方便整体电路的调试工作,可根据每一个单元电路的技术要求进行相对独立的调试,每部分电路工作正常后,再进行其它电路的调试工作。
(1)放大器特性测试
调整输入信号为频率为1KHz,幅度为峰-峰值300mV:
用示波器观察输入信号和放大器输出信号的波形,调整放大倍数为10。
(2)滤波器特性测试
调整输入信号为频率为10Hz~10KHz,信号幅度为峰-峰值300mV:
用示波器观察输入信号和滤波器输出端信号的幅度差异,测出-3dB带通滤波电路幅频特性曲线。
(3)电压比较器性能测试
电压比较器的信号输入端,保持输入信号频率为1KHz,幅度为1.5V,调整电压比较器的电平基准电压:
用示波器观察电压比较器输出端应出现具有TTL电平的1KHz脉冲信号。
(4)计数器、译码驱动和显示电路调试
计数器电路在不加输入信号的状态下,计数器、译码驱动和显示电路如接线正确,数码管应该显示00,否则检查连接或更换器件。
(5)时基信号电路性能测试
用示波器观察NE555电路输出端,电路正常时,应输出低频方波信号,占空比为50%。
一般电容取值100uF,调节R值,可以得到理想波形。
(6)计数器清零和定时计数信号电路性能测试
计数器清零和定时计数信号发生器均采用单稳态电路构成,74LS123内部含两个独立的单稳态电路,可以分别产生计数器清零脉冲和定时计数信号。
采用NE555电路的时基信号上升沿,作为清零信号电路的输入触发信号,清零信号的宽度由R1、C1值确定,一般调节为1mS左右。
清零信号加到计数器的清零端。
用清零信号的下降沿,作为定时计数信号电路的输入触发信号,定时计数信号的宽度由R2、C2值确定,一般调节为1S左右,用示波器观察74LS123单稳电路的输入和输出端,应有周期变化的脉冲波形。
定时计数信号应加到计数器的计数控制端.
7.3电路调试结果
仪器:
滤波器,函数信号发生器,稳压电源,导线等
功能的实现:
放大,滤波,比较,清零,计数,定时。
经过几天的搭面包板,调试与测试放大器部分把初始波形放大5倍左右,而滤波器出来的正弦波缩小了3倍左右,经过比较器后形成了方波。
555的周期为2秒,清零为2毫秒,定时为1秒。
整个电路实现了频率计的功能。
8安装与调试中发现的问题、故障排除方法及改进措施
为简化和方便整体电路的调试工作,可根据每一个单元电路的技术要求进行相对独立的调试,每部分电路工作正常后,再进行其它电路的调试工作。
8.1调试前注意事项
在电路调试之前要注意以下事项:
(1)检查芯片位置方向,检查芯片电源和地连线正确。
(2)检查各芯片和器件的连接线是否正确。
(3)检查LED数码管各个管脚连线是否正确。
(4)放大器和滤波器电路采用±5V供电,数字电路电压为+5V。
8.2电路调试方法
注意:
为简化和方便整体电路的调试工作,可根据每一个单元电路的技术要求进行相对独立的调试,每部分电路工作正常后,再进行其它电路的调试工作。
(1)放大器特性测试
调整输入信号为频率为1KHz,幅度为峰-峰值300mV:
用示波器观察输入信号和放大器输出信号的波形,调整放大倍数为10。
(2)滤波器特性测试
调整输入信号为频率为10Hz~10KHz,信号幅度为峰-峰值300mV:
用示波器观察输入信号和滤波器输出端信号的幅度差异,测出-3dB带通滤波电路幅频特性曲线。
(3)电压比较器性能测试
电压比较器的信号输入端,保持输入信号频率为1KHz,幅度为1.5V,调整电压比较器的电平基准电压:
用示波器观察电压比较器输出端应出现具有TTL电平的1KHz脉冲信号。
(4)计数器、译码驱动和显示电路调试
计数器电路在不加输入信号的状态下,计数器、译码驱动和显示电路如接线正确,数码管应该显示00,否则检查连接或更换器件。
(5)时基信号电路性能测试
用示波器观察NE555电路输出端,电路正常时,应输出低频方波信号,占空比为50%。
一般电容取值100uF,调节R值,可以得到理想波形。
(6)计数器清零和定时计数信号电路性能测试
计数器清零和定时计数信号发生器均采用单稳态电路构成,74LS123内部含两个独立的单稳态电路,可以分别产生计数器清零脉冲和定时计数信号。
采用NE555电路的时基信号上升沿,作为清零信号电路的输入触发信号,清零信号的宽度由R1、C1值确定,一般调节为1mS左右。
清零信号加到计数器的清零端。
用清零信号的下降沿,作为定时计数信号电路的输入触发信号,定时计数信号的宽度由R2、C2值确定,一般调节为1S左右,用示波器观察74LS123单稳电路的输入和输出端,应有周期变化的脉冲波形。
定时计数信号应加到计数器的计数控制端。
结论
这次的电子课程设计综合运用了我们大二所学的电路、模拟电子线路、数字电路和信号与系统等课程的理论知识,实际应用Multisim10仿真等技术、以及采用各种分立元器件和模拟集成电路、数字集成电路等器件完成的。
通过老师的讲解了解了软件的激活与使用,接下来通过理论的讲解让我们知道了一些技术指标:
放大电路的输入电压为300mV,放大倍数约5至10倍,有源带通滤波器的中心频率为1kHz,Wd=100HZ。
有源滤波器:
(1)放大增益:
Au=1+Rf/R1
(2)下限频率:
fL=1/2πR1C1(3)上限频率:
fH=1/2πR2C2(4)带宽:
BW=fL-fH。
通过比较器可以将正弦波转化为方波,并且要求门限电压为1V,上拉电阻必须加上且阻值在4.7k至5.1k,若不加则会输出一条直线。
然后通过在软件中认真的设计电路图和连接线路得出仿真结果。
然后又通过理解和学习数电中周期,计数,保持功能等知识,了解了计数过程中的充放电时间和振荡周期,计数过程中充电时间为Tw1=0.7*(R1+R2)*C,放电时间为Tw2=0.7*R2*C,振荡周期为T=Tw1+Tw2。
清零时间应在30ms左右,计数时间在1s左右。
再通过在软件中设计电路图和仿真得出结果。
认真的完成了理论部分并且得出正确的波形之后,开始了实践操作部分--搭面包板。
根据前面在仿真中的电路原理图搭元器件,首先搭好数电部分的电路图,确认线路正确后,对电路输入电压,观察二极管以及数码管的显示,验证结果,第一次我的二极管是一直亮着,并不是理论中的1或2秒间隔着亮暗,根据理论应该是555定时器那部分线路连接问题,后来我把555定时器引脚一个一个的进行检查重新连接,再次的进行验证,终于数电部分电路成功了。
然后是连接模电部分的电路图,确认线路正确后,利用示波器测出了在第一个OP07的输入端的波形,输出了正弦波,后又测了6端的输出波形是放大后的正弦波,发现峰峰值变为原来的9倍验证了之前的结论,在最后的输出端6利用LM339电压比较器测出了输出波形为矩形波,且幅度为10.2V。
分别验证好数电和模电两部分的电路,下面将这两部分连接起来做成一个简易数字频率计,然后通过输入电压和调节频率验证数码管显示的频率值,虽然实际显示的频率值和输入信号的频率值有一点误差,但是我的设计成功了,我的频率计的整个设计过程中还算顺利,没有犯过多的错误!
在这次实验设计中我总结了几点心得:
1、做任何事一定要认真仔细。
2、不管你面对的困难多复杂,一定要有耐心,静下心来慢慢的分析,找出错误,一定不能急躁。
3、团结的力量是无穷的,自己实在不能解决的问题一定要虚心去问同学,去请教老师。
这次的实验锻炼了我的耐心与毅力,在今后的实验中要注重对理论的理解,真正理解到理论的精髓,不理解盲目的依葫芦画瓢事情只会事倍功半。
参考文献
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[4]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计(2版)..北京:
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[5]杨刚.电子系统与实践.北京:
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[6]谢自美.电子线路设计.实验.测试(第二版).武汉:
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[7]胡宴如.耿苏燕.模拟电子技术基础.北京:
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[8]杨吉祥.詹宏英.电子测量技术基础.南京:
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[9]周文良.电子电路设计与实践.北京:
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[10]王松武.电子创新设计与实践.北京:
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[11]刘霞等.电子设计与实践.北京:
电子工业出版社.2009.4
[12]元红妍.张鑫.电子综合设计实验教程.济南:
山东大学.2005.7
附:
电子线路课程设计主要元器件清单
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