简易数字频率计课程设计报告55792865.docx
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简易数字频率计课程设计报告简易数字频率计课程设计报告55792865电子系统设计课程研究论文数字频率计的设计与制作姓名:
马天琪学院:
信息学院班级:
2010级电子信息科学与技术一班学号:
邮箱:
时间:
2013年6月1日1设计目的:
针对电子系统设计课程要求,设计能够完成一定功能的复杂电子系统,进行实用型电子线路设计、安装、调试等各环节的综合性训练,运用课程中所学的理论与实践紧密结合,培养独立解决实际问题的能力。
2设计内容和要求:
设计内容:
设计一个数字频率计。
设计要求及技术指标:
1)测量方波、正弦波、三角波的频率2)以四位十进制数字显示3主要参考文献:
【1】华成英,童诗白.模拟电子技术基础(第四版).高等教育出版社,2010【2】阎石,数字电子技术基础(第五版).高等教育出版社,2010【3】杨志忠,电子技术课程设计.机械工业出版社,2008【4】吴正光,电子技术实验仿真与实践.科学出版社,2008【5】田良,王尧,综合电子设计与实践.东南大学出版社,2010目录第一章设计要求4整体功能要求4数字频率计的基本原理.4系统结构要求4第二章整体方案设计52.1算法设计52.2整体方框图及原理6第三章单元电路设计73.1时基电路设计73.2闸门电路设计83.3控制电路设计93.4小数点显示电路设计113.5整体电路图123.6整机原件清单14第四章测试与调整144.1时基电路的调测144.2显示电路的调测144-3计数电路的调测154.4控制电路的调测164.5整体指标测试20第五章设计小结205.1设计任务完成情况205.2问题及改进205.3心得体会21附录21第一章第一章设计要求设计要求1整体功能要求整体功能要求:
该频率计用于测量正弦波、矩形波、三角波等周期信号的频率值并以四位十进制数字表示出来。
2数字频率计的基本原理:
数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。
频率是单位时间(1S)内信号发生周期变化的次数。
如果我们能在给定的1S时间内对信号波形计数,并将计数结果显示出来,就能读取被测信号的频率。
数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间,同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号,然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数,将其换算后显示出来。
这就是数字频率计的基本原理。
2.系统结构要求系统结构要求:
数字频率计的整体结构要求如图所示。
图中被测信号为外部信号,送入测量电路进行处理、测量,档位转换用于选择测试的项目-频率、周期或脉宽,若测量频率则进一步选择档位。
数字频率计整体方案结构方框图第二章第二章整体方案设计整体方案设计2.1算法设计算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。
可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。
图2-2是根据算法构建的方框图。
被测信号图2-2频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路,用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。
改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。
让被测信号送入闸门电路,当1s闸门脉冲到来时闸门导通,被测信号通过闸门并到达后面的计数电路(计数电路用以计算被测输入信号的周期数),当1s闸门结束时,闸门再次关闭,此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数,即为被测信号的频率。
测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关,因此,为保证在1s内被测信号的周期量误差在10量级,则要求闸门信号的精度为10量级。
例如,当被测信号为1kHz时,在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次,由于闸门脉冲精度为10,闸门信号的误差不大于0.1s,固由此造成的计数误差不会超过1,符合5*10的误差要求。
进一步分析可知,当被测信号频率增高时,在闸门脉冲精度不变的情况下,计数器误差的绝对值会增大,但是相对误差仍在5*10范围内。
但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点,例如,当被测信号为0.5Hz时其周期是2s,这时闸门脉冲仍未1s显然是不行的,故应加宽闸门脉冲宽度。
假设闸门脉冲宽度加至10s,则闸门导通期间可以计数5次,由于数值5是10s的计数结果,故在显示之间必须将计数值除以10。
2.2整体方框图及原理整体方框图及原理输入电路:
由于输入的信号可以是正弦波,三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波,所以需要设计一个整形电路则在测量的时候,首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
当输入信号电压幅度较大时,通过输入衰减电路将电压幅度降低。
当输入信号电压幅度较小时,前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路,则调节输入放大的增益,时被测信号得以放大。
频率测量:
测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3个档位。
被测信号经整形后变为脉冲信号(矩形波或者方波),送入闸门电路,等待时基信号的到来。
时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器,经整形分频后,产生一个标准的时基信号,作为闸门开通的基准时间。
被测信号通过闸门,作为计数器的时钟信号,计数器即开始记录时钟的个数,这样就达到了测量频率的目的。
计数显示电路:
在闸门电路导通的情况下,开始计数被测信号中有多少个上升沿。
在计数的时候数码管不显示数字。
当计数完成后,此时要使数码管显示计数完成后的数字。
控制电路:
控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。
控制电路工作波形的示意图如图2-5.第三章第三章单元电路设计单元电路设计3.1时基电路设计时基电路设计图3-1时基电路与分频电路它由两部分组成:
如图3-1所示,第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:
f=1.43/(R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R3取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。
在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。
第二部分为分频电路,主要由4518组成(4518的管脚图,功能表及波形图详见附录),因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。
4518为双BCD加计数器,由两个相同的同步4级计数器构成,计数器级为D型触发器,具有内部可交换CP和EN线,用于在时钟上升沿或下降沿加计数,在单个运算中,EN输入保持高电平,且在CP上升沿进位,CR线为高电平时清零。
计数器在脉动模式可级联,通过将Q连接至下一计数器的EN输入端可实现级联,同时后者的CP输入保持低电平。
如图3-2所示,555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz、10Hz和1Hz的方波。
图3-21kHz的方波分频后波形图3.2闸门电路设计闸门电路设计如图3-3所示,通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。
74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。
当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz;当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz;当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz;这里我们以输出100Hz的信号为例。
分析其通过4017后出现的波形图(4017的管脚图、功能表和波形图详见附录)。
4017是5位计数器,具有10个译码输出端,CP,CR,INH输入端,时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能,对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制,INH为低电平时,计数器清零。
100Hz的方波作为4017的CP端,如图3-3,信号通过4017后,从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期,相当于将原信号二分频。
也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms,那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。
图3-3闸门电路图3-43.3控制电路设计控制电路设计通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。
其中控制模块里面又有几个小的模块,通过控制选择所要测量的东西。
比如频率,周期,脉宽。
同时控制电路还要产生74160的清零信号,4511的锁存信号。
控制电路、计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。
当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。
当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。
当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。
图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图。
其中第一个波形是被测信号的波形图、第二个是PT端输入信号的波形图、第三个是计数器的清零信号。
第四个是锁存信号。
PT是高电平的时候计数器开始工作。
CLR为低电平的时候,计数器清零。
根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。
根据4511(4511的管脚图和功能表详见附录)的功能表可以知道,当锁存信号为高电平的时候,4511不送数。
如果不让4511锁存的话,那么计数器输出的信号一直往数码管里送。
由于在计数,那么数码管上面一直显示数字,由于频率大,那么会发现数字一直在闪动。
那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示,计完数后,让数码管显示计数器计到的数字的功能。
根据图可以看到,当PT到达下降沿的时候,此时4511的LE端的输入信号也刚好到达下降沿。
图3-6计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图图3-6,是测量被测信号频率是1.1KHz的频率的图。
由于multsisim软件篇幅的关系。
时基电路产生的信号直接用信号发生器来代替。
图中电路1K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基准信号。
那么这个电路实现测量频率的范围是0.01KHz9.99KHz的信号的频率。
同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。
当CBA的取一定的值,电路实现一定的测量功能。
3.4小数点显示电路设计小数点显示电路设计在测量频率的时候,由于分3个档位,那么在不同的档的时候,小数点也要跟着显示。
比如CBA接011测量频率的时候,它所测信号频率的范围是0.1KHz99.9KHz,那么在显示的时候三个数码管的第二个数码管的小数点要显示。
CBA接010测量频率的时候,它所测信号频率的范围是0.01KHz9.99KHz,那么显示的时候,最高位的数码管的小数点也要显示。
对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样,显示的小数点就不一样。
我们可以想到可以通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。
具体的实现方法见图3-7所示。
3.5整体电路图图3-8整体电路图3.6整机原件清单整机原件清单元件数量元件数量555定时器一片7404一片8.2K一个4518两片5.1K一个拨盘开关一个10K电位器一个4017一片74151一片74160三片74153三片4511三片74132一片数码管三个LED灯一个保护电阻四个0.01F电容两个5V直流电源一个导线若干第四章第四章测试与调整测试与调整4.1时基电路的调测时基电路的调测首先调测时基信号,通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式,选择R1=8.2K,R2=5.1K,C=0.01F。
把555产生的信号接到示波器中,调节电位器使得输出的信号的频率为1K
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