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2.1时基电路设计-------------------------------------------------------------------------------------7
2.2闸门电路设计--------------------------------------------------------------------------------------9
2.3控制电路设计-------------------------------------------------------------------------------------10
2.4整形电路设计-------------------------------------------------------------------------------------12
2.5整体电路图----------------------------------------------------------------------------------------14
2.6整机元件清单-------------------------------------------------------------------------------------16
3.设计小结-------------------------------------------------------------------------------------------------16
3.1系统调试情况-------------------------------------------------------------------------------------16
3.2心得体会--------------------------------------------------------------------------------------------16
参考文献-----------------------------------------------------------------------------------------------------17
致谢-----------------------------------------------------------------------------------------------------17
摘要
本次课程设是针对简易频率计的设计,在设计过程中,所有电路仿真都是基于multisim仿真软件,另外Protues也行。
本课程设计介绍了简易频率计的设计方案及其基本原理,并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路,原理及仿真,整体电路的的工作原理,控制器件的工作情况。
整个设计配以仿真电路图和波形图加以辅助说明。
设计共有三大组成部分:
一是原理电路的设计,本部分详细讲解了电路的理论实现,是关键部分;
二是仿真结果及分析,这部分是为了分析电路是否按理论那样正常工作,便于理解。
三是性能测试,这部分用于测试设计是否符合任务要求。
最后是对本次课程设计的总结。
关键字:
频率计、时基电路、逻辑控制、分频、计数、逻辑显示
1.引言
信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数,其表达式为f=N/T,其中f为被测信号的频率,N为技术其所累计的脉冲个数,T为产生N个脉冲所需的时间。
技术其所记录的结果,就是被测信号的频率。
如在1s内记录1000个脉冲,则被测信号的频率为1000HZ。
测量频率的基本方法有两种:
计数法和计时法,或称测频法和测周期法。
计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法,如果闸门打开的时间为T,计数器得到的计数值为N1,则被测频率为f=N1/T。
改变时间T,则可改变测量频率范围。
如图1-1所示。
设在T期间,计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知,N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=(N1-N)/N=1/N。
由N1的相对误差可知,N的数值愈大,相对误差愈小,成反比关系。
因此,在f以确定的条件下,为减少N的相对误差,可通过增大T的方法来降低测量误差。
当T为某确定值时(通常取1s),则有f1=N1,而f=N,故有f1的相对误差:
δf1=(f1-f)/f=1/f
从上式可知f1的相对误差与f成反比关系,即信号频率越高,误差越小;
而信号频率越低,则测量误差越大。
因此测频法适合用于对高频信号的测量,频率越高,测量精度也越高。
计时法又称为测周期法,测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭,而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器,闸门在外信号的一个周期内打开,这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值,然后求周期值的倒数,就得到所测频率值。
首先把被测信号通过二分频,获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号;
然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲,在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数,如图1-2所示。
图2-2计时法测量原理
图1-2计时法测量原理
若在T时间内的计数值为N2,则有:
T2=N2*T1f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2
N2的绝对误差为N2=N+1。
N2的相对误差为δN2=(N2-N)/N=1/N
T2的相对误差为δT2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1
从T2的相对误差可以看出,周期测量的误差与信号频率成正比,而与高频标准计数信号的频率成反比。
当f1为常数时,被测信号频率越低,误差越小,测量精度也就越高。
根据本设计要求的性能与技术指标,首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。
有上述频率测量原理与方法的讨论可知,计时法适合于对低频信号的测量,而计数法则适合于对较高频信号的测量。
但由于用计时法所获得的信号周期数据,还需要求倒数运算才能得到信号频率,而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现,因此,计时法不适合本实验要求。
测频法的测量误差与信号频率成反比,信号频率越低,测量误差就越大,信号频率越高,其误差就越小。
但用测频法所获得的测量数据,在闸门时间为一秒时,不需要进行任何换算,计数器所计数据就是信号频率。
因此,本实验所用的频率测量方法是测频法。
二、整体方框图及原理
由测频法构成的数字频率计的原理框图如图1-3所示
图1-3数字频率计原理图
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:
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。
时基信号有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。
时基电路:
时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器,其两个暂态时间分别为
T1=0.7(Ra+Rb)CT2=0.7RbC
重复周期为T=T1+T2。
由于被测信号范围为100Hz~100kHz,如果只采用一种闸门脉冲信号,则只能是10s脉冲宽度的闸门信号,若被测信号为较高频率,计数电路的位数要很多,而且测量时间过长会带来不便,所以可将频率范围设为几档:
1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽;
0.01kHz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽;
0.1kHz~99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽,1kHz~100kHz。
多谐振荡器经二级10分频电路后,可提取因档位变化所需的闸门时间1s、0.1s、0.01s、1ms。
闸门时间要求非常准确,它直接影响到测量精度,在要求高精度、高稳定度的场合,通常用晶体振荡器作为标准时基信号。
在实验中我们采用的就是前一种方案。
为使产生的脉冲波的占空比为50%,在电路中引进二极管来将充放电回路分开,具体说明放到单元电路得分析中。
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1-4.
2.单元电路设计
2.1、时基电路设计
它由两部分组成:
图2-1脉冲产生电路
图2-2分频电路
如图2-1所示,为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生100kHz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R5取71.5欧姆,R6取71.5欧姆,电容取10nF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。
在管脚2和7之间加了两个反方向的二极管,这样就将原来由R5、R6、C6构成的充电回路和由R6、C6构成的放电回路的重合部分分开,得到由R5、D2构成的充电回路和由R6、C1构成的放电回路,当R5、R6的取值在符合周期要求的前提下,取相等的值,由
占空比=充电时间/周期
可得到占空比为50%的脉冲波形。
图2-2为分频电路,主要由74LS90组成(74LS90的管脚图,功能表及波形图详见附录),因为振荡器产生的是100KHz的脉冲,也就是其周期是0.00001s,而时基信号要求为0.001、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Q³
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2-3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2-31kHz的方波分频后波形图
2.2、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7474后出现的波形图(7474的管脚图、功能表和波形图详见附录)。
7474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
2.3、控制电路设计
通过分析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74Ls90的清零信号,74Ls374的锁存信号。
图3-4控制电路、计数电路和译码显示电路图
控制电路、计数电路和译码显示电路详细的电路如上图所示。
当74151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。
图3-5是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、CLK0端输入波形、R0段清零信号波形、74LS374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CLK0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。
CLK0是高电平的时候计数器开始工作。
R0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74374(74374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,74374不送数。
如果不让74374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CLK0到达下降沿的时候,此时74374的OE端的输入信号也刚好到达下降沿。
图3-5计数器CP信号波形、CLK0端输入波形、R0段清零信号波形、74374锁存端波形图
图3-5,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0.01KHz~9.99KHz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。
2.4、整形电路的设计
整形电路采用由555构成的施密特触发器,实际电路图如下:
图3-6整形电路图
如图将555定时器的2和6管脚输入端连在一起作信号的输入端,就可组成施密特促触发器。
为了滤除高频干扰,提高比较器参考电压的稳定性,将5管脚通过0.01ηF电容接地。
其工作图形如图所示。
因此,不论输入何种波形,经过放大整形电路后,可变成脉冲波形,该脉冲波形的周期与源输入信号的周期完全一致,利用计数器对脉冲波形的计数功能,再配合闸门信号就可测量出在时间T内通过的原信号的周期个数N。
2.5、整体电路图
图3-7整体电路图
2.6、整机原件清单
元件
数量
555定时器
两片
74374
两个
71.5KΩ
74151
一片
7474
一个
7448
四个
7490
十个
导线
若干
数码管
四个
保护电阻
0.01μF电容
5V直流电源
3.设计小结
3.1、系统调试情况
通过为期两周的课程设计,完成了本次设计的技术指标,刚开始设计的时候,由于控制电路这部分比较难做,经过多次重复仔细的研究操作,最终完成的设计任务,各项指标均达到预期效果。
3.2、心得体会
本次实习让我们体味到设计电路、调测电路过程中的甘甜苦乐。
设计是我们将来必需的技能,这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会,从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试成功,都对我所学的知识进行了检验。
在实习的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。
同时在设计的过程中,遇到了一些以前没有见到过的元件,但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。
制作过程是一个考验人耐心的过程,不能有丝毫的急躁,马虎,对电路的调试要一步一步来,不能急躁,因为是在电脑上调试,比较慢,又要求我们有一个比较正确的调试方法,像把频率调准等等。
这又要我们要灵活处理,在不影响试验的前提下可以加快进度。
合理的分配时间。
最重要的是要熟练地掌握课本上的知识,这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
参考文献:
1、沈小丰主编.数字线路实验-数字电路实验.清华大学出版社.2007
2、林涛主编.数字电子技术基础.清华大学出版社.2006
3、蔡忠法主编.电子技术实验与课程设计.浙江大学出版社.2003
4、林涛主编.模拟电子技术基础.重庆大学出版社.2004
致谢
本课程设计论文是在我的导师谭菊的亲切关怀和悉心指导下完成的。
她严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。
从课题的选择到项目的最终完成,谭老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀,在此谨向谭老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此,我还要感谢在一起度过的同学们,正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑,直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母,谢谢你们!
彭建华
2009年12月
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