《电工与电子技术基础》Word下载.docx
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二.摘要
数字频率计是一种对被测信号进行频率测量的一种电子测量仪器。
它主要由四个部分构成,分别是时基电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。
频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值,其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。
数字频率计经过改装之后还可以做出其它仪器,其在测量物理量方面有着广泛的应用。
在这次课程设计中,我们主要以集成芯片为核心器件,采用了分模块的设计方法。
由放大整形电路对信号进行处理,时基电路产生基准信号控制闸门的开关,计数器在单位时间内计算脉冲的个数,经过译码后,由显示器显示出来,其中,逻辑控制电路控制计数器和锁存器的清零和输出。
三.总体设计方案论证及选择
我们知道,频率是单位时间内重复的次数。
假设某一信号在T秒时间内的重复次数为N,则该信号的频率为f=N/T。
在这次课设中,我考虑了有以下两种方案。
(1)直接测量法:
即通过时基电路控制闸门的开关,以此来控制被测信号的输入。
通过对经过闸门的那段信号进行计数,然后通过锁存译码,最终显示在数码管上。
采用这种测量的方法,要求对闸门的控制精度比较高,精度越高,则误差越小。
(2)间接测量法:
即通过测量周期来间接测出信号的频率。
在被测信号周期时间内对某一基准脉冲进行计数,基准时间与计数值的乘积就是周期。
再根据f=1/T,即可算出被测信号的频率。
对于这种方案,鉴于我们所学的知识,对数字电路进行乘积和倒数的运算进行设计比较困难,因此,我们把它做为备选方案。
其它经过讨论可选的方案的有:
采用单片机进行控制;
或者采用频率计专用模块,将各个模块合成在一块芯片中,制作成大规模集成电路。
最终方案确定:
直接测量法通过在给定的闸门时间内对被测的信号进行计数,来得出信号的频率。
这种电路可以通过时基电路产生高精度的时基信号,来精确控制闸门的开关,测量精度较好。
而且,电路结构清晰明了,比较容易实现,所以我们采用直接测量法。
工作波形示意如图
四.设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明
原理框图
VX
总体电路设计图
工作原理说明:
首先,被测信号经过放大整流电路,实现信号的放大并且整形为方波信号。
时基电路控制闸门的开关,同时时基电路的输出频率由逻辑控制电路进行控制。
当闸门打开时,被处理过的信号通过闸门进入计数器进行计数,计数器得出的数据由锁存器进行锁存,并通过译码器进行译码,最后显示在数码管上。
期间,计数器的清零,锁存器的锁存,分别由一个逻辑控制电路进行控制。
五.单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算
放大整形电路
考虑到输入信号可能太小,所以需对信号进行放大,以符合后级电路的输入要求的信号。
为此,我们采用一个3DG100晶体管对输入信号进行放大。
如图,由3DG100构成的分压式偏置放大电路对输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
可以通过调节电阻的大小来改变输入信号的放大倍数。
信号经过放大之后,采用74LS00构成的施密特触发器来对输入信号进行整形,得到需要的矩形脉冲。
(2)时基电路
时基电路的作用是产生一个标准的时间信号,以此来控制闸门的开关。
在本课程设计中,我们采用的是由NE555定时器组成的多谐振荡器。
当时基电路要求的精度较高时,可采用晶体振荡器。
根据技术要求,我们知道振荡器要求产生1000Hz的脉冲,由公式
和
以及f=1/T=1.43/(R1+2R2),我们可以计算出电阻R1、R2及电容C的值,考虑到充电和放电时间较长,取C=100uF,则可算得:
R1=142.86KΩ,R2=4.286KΩ。
(3)分频电路
由技术指标要求可知,在该电路中,我们需要用到两种时间基准信号去控制闸门的开关。
因此需要有一个分频电路对时基电路产生的时基信号进行分频。
我们采用74l390对产生的时基信号进行连续十分频。
(4)闸门电路
闸门可用一个与非门电路来进行控制。
闸门电路有两个输入端,一个输入端接门控信号,另一个输入端接整形后的方波信号。
闸门的开关由门控信号进行控制。
当门控信号为高电平时,闸门开启,当门控信号为低电平时,闸门关闭。
只有在闸门开启的时间内,方波信号才能通过闸门进入计数器进行计数。
可知,计数的时间即闸门开启的时间。
(5)计数电路
计数电路的作用是对通过闸门电路的方波信号进行计数,并将个数输出给锁存器。
用于计数的芯片有很多在本电路中,有74LS90、74LS190、74LS290、74LS160、74LS161、等等。
在本电路中,我们采用四片74LS90芯片相连构成四位十进制加法计数器。
(6)逻辑控制电路
逻辑控制电路的主要作用是用来产生清零信号及锁存信号。
时基信号结束时产生的跳变用来产生锁存信号,锁存信号的跳变又用来产生清零信号。
在本电路中,我们采用两个74LS123单稳态触发器组成逻辑控制电路。
时基电路产生的信号传入脉冲,控制电路工作。
被测信号通过闸门进入计数电路,这时计数器和译码器同时开始工作,记下所测信号的频率值。
当控制电路输出为0时,闸门关闭,计数器停止工作,数码管仍显示所测频率值。
直到下一个循环,计数器清零,数码管显示消失,频率计即完成一次测量。
时基信号结束时产生负跳变,用来产生锁存信号,同时锁存信号产生的负跳变又用来产生清0信号。
脉冲信号可由两个单稳态触发器74LS123产生,它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
触发脉冲从B端输入时,在触发脉冲的负跳变作用下,输出端Q可获得一正脉冲,Q非端可获得一负脉冲,其波形关系正好满足要求。
手动复位开关S按下时,计数器清0。
其电路图如下:
(7)锁存电路
锁存电路是将来自计数器的信号进行锁存并输入给译码器。
如果系统中没有锁存器,则显示器上的数值将会不停地跳变。
只有在接入锁存器后,通过锁存器对来自计数器的信号进行锁存后,显示器上的显示数字才能稳定。
在本设计中,我们采用两片74LS273寄存器来锁存信号。
当锁存信号的正脉冲来到时,锁存的输出等于输入。
从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
高电平结束之后,输出端保持不变。
所以在计数期间内计数器的值不会不会送到译码器。
(8)译码电路
译码电路是将锁存器输出的数值进行译码。
数码管有7个输入端,因此译码电路要实现四位二进制对七位二进制的转换。
在本电路中,我们选用74LS48译码器。
(9)显示电路
显示电路采用四个七段发光二级管组成,每个二极管的七个输入端由译码器输入进行控制。
在本电路中,我们选择共阳极B201半导体数码管。
六.收获与体会,存在的问题等
经过一周的课程设计,我发现自己有很多的不足。
我觉得在我们平时的学习过程中,学的知识比较分散。
在这次课程设计中,我们复习了课本,对课本中的内容有了新的收获,而且学会了如何把电路分解成一个个电路块去设计。
在这次电工课程设计中,我们查阅了大量的资料,懂得了许多课本以外新的知识,对电路元器件有了更深的认识,并且知道了如何去运用它们。
同时,我们也体会到了电路设计并不是一件容易的事情,但只要我们做好每一个的电路块,分步去解决它们,最终也是可以做出来的。
存在的问题:
在这个课程设计中,我们的确遇到了一些问题。
首先,是在对电路原理图上感到困惑,有一些地方看不懂,不过经过我们小组的讨论,我们还是比较顺利地解决了。
其次,我们在对电子元器件的选择上有些疑惑,不知道如何选择一个合适的元器件,也不知道如何去运用它。
我们通过图书馆,在网上找相关的资料,使自己对元器件有了更深的认识。
在这次电工课设中,我们遇到了不少问题,但我们也在解决一个又一个的问题中也收获了经验,使我们以后对以后的课程设计有了一定的基础。
七.参考文献
电工学(第七版),秦曾煌主编高等教育出版社
姚福安.电子电路设计与实践.第1版.济南:
山东科学技术出版社,2005.2
李哲英,《电子技术及其应用基础》(数字部分),高等教育出版社,北京,2003
八.附件
元件清单:
1
B201数码管
4
2
74LS123
2
3
NE555定时器
1
4
74LS00
3
6
74LS48
7
74LS390
8
74LS90
9
Rp=100K
10
R=143K
11
R=5K
12
R=3.3K
13
C=100uF
14
C=0.01uF
15
单刀双掷开关
16
17
18
发光二极管
74LS273
3DG100晶体管
(1)NE555引脚图及功能
(2)74ls390引脚图及功能表
(3)十进制计数器74LS90原理,引脚图及功能表
A.将输出QA与输入B相接,构成8421BCD码计数器;
B.将输出QD与输入A相接,构成5421BCD码计数器;
C.表中H为高电平、L为低电平、×
为不定状态。
74LS90逻辑电路图如图3.6-1所示,它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成,整个电路可分两部分,其中FA触发器构成一位二进制计数器;
FD、FC、FB构成异步五进制计数器,在74LS90计数器电路中,设有专用置“0”端R1、R2和置位(置“9”)端S1、S2。
(4)74ls273引脚图及管脚图
引脚功能:
74LS273是8位数据/地址锁存器
74LS273是一种带清除功能的8D触发器,1D~8D为数据输入端,1Q~8Q为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,常用作8位地址锁存器
(5)74LS48引脚图管脚说明
(6)74LS123引脚图及功能表
评语
评审人:
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