简易频率计的设计 课设Word下载.docx
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6月27日~6月30日:
明确课题,收集资料,方案确定,仿真
7月1日~7月4日:
硬件电路制作与调试
7月5日~7月8日;
报告撰写,交设计报告,答辩
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月
摘要..............................................................................................................................1
1设计内容及要求.......................................................................................................2
1.1设计内容............................................................................................................2
1.2设计要求...........................................................................................................2
1.2.1设计原理...................................................................................................2
1.2.2系统结构设计框图及其工作原理...........................................................3
1.2.3频率计的基本组成框图及时序图...........................................................5
2电路设计方案及其论证.............................................................................................5
2.1设计思路............................................................................................................5
2.2方案设计............................................................................................................5
2.2.1设计方案一...............................................................................................5
2.2.2设计方案二...............................................................................................7
2.3方案比较............................................................................................................8
3单元电路的说明及其各参数的计算........................................................................9
3.1放大整形电路....................................................................................................9
3.2时基电路...........................................................................................................10
3.3逻辑控制电路...................................................................................................11
3.4计数、锁存、译码、显示电路.......................................................................13
3.4.1计数电路..................................................................................................13
3.4.2锁存电路..................................................................................................14
3.4.3译码显示电路..........................................................................................15
4硬件电路的设计及其制作与调试............................................................................18
4.1仿真使用的系统...............................................................................................18
4.2制作与调试的方法和技巧...............................................................................19
4.3测试的数据和理论计算的比较分析...............................................................20
4.4制作与调试中出现的故障、原因及排除方法...............................................20
5总结............................................................................................................................21
5.1设计总结……………………………………………………………………...21
5.2课题核心及实用价值………………………………………………………...21
5.3意见与展望…………………………………………………………………...21
结束语...........................................................................................................................22
参考文献…………………………………………………………...…………….…...23
附录简易数字频率计电路所用元件.......................................................................24
摘要
本次设计的数字频率计以555为核心,采用直接测频法测频。
数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一,同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器.数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来,换算成频率并以数字形式显示出来.数字频率计用于测量信号(方波,正弦波或其他周期信号)的频率,并用十进制数字显示,它具有精度高,测量速度快,读数直观,使用方便等优点。
关键词:
数字频率计直接测频法基准时间频率
简单数字频率计的设计与制作
1设计内容及要求
1.1设计内容
要求设计一个简易的数字频率计,其信号是给定的脉冲信号,是比较稳定的。
1.测量信号:
方波;
2.测量频率范围:
1Hz~9999Hz;
3.显示方式:
4位十进制数显示;
4.闸门信号的采样时间为1秒
5.用LED数码管显示
1.2设计要求
1.2.1设计原理
数字频率计是直接用十进制数字来显示被测量信号频率的一种测量装置,它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖端冲信号的频率,而且还可以测量它们的周期。
数字频率计在测量物理量方面应用广泛。
所谓“频率”就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。
若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N,则其频率可以表示为:
f=N/T
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。
1.2.2系统结构设计框图及其工作原理
图1—1数字频率计设计框图
基本工作原理:
简易数字频率计一般由脉冲电路,时基信号发生器,门控电路,闸门电路,计数译码器,显示器等几部分组成。
其中脉冲形成电路的作用是:
将被测信号变成脉冲信号,其重复频率等于被测频率fx。
时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号,若其周期为1s,则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。
闸门电路由标准秒信号进行控制,当秒信号来到时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。
秒信号结束时闸门关闭,计数器停止计数。
由于计数器计得的脉冲数N是在一秒时间内累计数,所以被测得频率fxNHz。
1.2.3频率计的基本组成框图及时序图
由555定时器,分级分频系统及门控制电路得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控制信号,时间基准T称为闸门时间.宽度为T的方波脉冲控制闸门的一个输入端B.被测信号频率为fx,周期Tx.到闸门另一输入端A.当门控制电路的信号到来后,闸门开启,周期为Tx的信号脉冲和周期为T的门控制信号结束时过闸门,于输出端C产生脉冲信号到计数器,计数器开始工作,直到门控信号结束,闸门关闭.单稳1的暂态送入锁存器的使能端,锁存器将计数结果锁存,计数器停止计数并被单稳2暂态清零.(简单地说就是:
在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启,计数器开始计数,在同一脉冲的下降沿到来时,闸门关闭,计数器停止计数.同时,锁存器产生一个锁存信号输送到锁存器的使能端将结果锁存,并把锁存结果输送到译码器来控制七段显示器,这样就可以得到被测信号的数字显示的频率.而在锁存信号的下降沿到来时逻辑控制电路产生一个清零信号将计数器清零,为下一次测量做准备,实现了可重复使用,避免两次测量结果相加使结果产生错误.)若T=1s,计数器显示fx=N(T时间内的通过闸门信号脉冲个数),被测信号的频率计算公式是
fx=N/T.
由此可见,闸门时间决定量程,可以通过闸门时基选择开关,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.
数字频率计的原理框图和工作时序图如下:
图1—2频率计的组成框图
图1—3频率计的工作时序图
2电路设计方案及其论证
2.1设计思路
频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置,它可以测量正弦波、方波和三角波的频率,利用施密特触发器将输入信号整形为方波,并利用计数器测量1S内脉冲的个数,利用锁存器锁存,稳定显示在数码管上
常用的频率测量方法
(1)测频法
测频法的基本思想是:
对频率为f的周期信号,用一个标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数,当计数结果为N时,其信号频率为N/T。
测频法的测量误差与信号频率有关:
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,测频法适合于对高频信号的测量,测量越高,测量精度也就越高。
(2)F/V与A/D法
这种测量方法是先通过F/V变换,把频率信号转换成电压信号;
然后再通过A/D转换把电压信号转换成数字信号,在对数字信号进行计数,从而得到测量信号的频率
根据性能与技术指标的要求,首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法,根据上述频率测量原理与方法的讨论,本设计采用测频法
由于测频法的测量误差与信号频率成反比:
信号频率越低,测量误差越大,信号频率越高,测量误差越小。
用测频发所获得的测量数据,在闸门时间为1S时,不需要进行任何换算,计数器所计数据就是信号频率,另外,在信号频率较低时,可以通过增大闸门时间来提高测量精度
2.2方案设计
2.2.1设计方案一
由运放及电阻构成的幅度扩展电路和555构成的施密特触发电路构成整形电路。
运放U14及电阻R1、R2、R3构成信号幅度扩展电路,当输入信号较小时,对信号进行幅度扩展。
用555构成的施密特触发器作用是将输入的周期信号,如正弦波、三角波或其他成周期性变化的波形变换成脉冲波形,其周期不变。
当标准时间信号(1s正脉冲)到来时,闸门关闭,计数器无脉冲输入。
由555定时器构成的多谐振荡器实现时基电路。
由555构成的单稳态电路来构成控制电路。
逻辑控制电路利用标准时间信号结束后产生的负跳来产生锁存信号,同时锁存信号经反相又产生清零信号,锁存信号的脉冲宽度由单稳态电路本身的时间常数决定。
方案一总电路图如下:
图2—1方案一总电路图
2.2.2设计方案二
方案二总电路图如下:
图2—2方案二总电路图
在方案二中放大整形电路由三极管和与非门组成。
三极管构成的放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
将电源电压设为5V,与非门构成施密特触发器对放大器的输出信号进行整形,使之成为矩形脉冲。
本设计采用74LS123组成逻辑控制电路,先启动脉冲置成1,其余触发器置成0,然后时基电路传入脉冲,控制电路开始工作。
被测信号通过闸门进入计数电路,于是计数器译码器同时工作,从而记下所测信号频率值。
当控制电路转为其他状态时,闸门关闭,计数器停止工作,数码管继续显示所测频率值。
直到有一次循环,计数器清零,数码管显示消失,到此为止,频率计完成一次测量。
2.3方案比较
相同点:
两个方案中计数器均采用的是二—五—十进制异步计数器74LS90,其作用是对放大整形电路输出的频率信号进行计数,并将输出的数值输入到锁存器。
锁存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存,使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
当1s计数时间结束时,逻辑控制电路发出锁存信号,将此时计数器的值送译码显示器。
而两个方案均选用是两个8位锁存器74LS273来完成上述功能。
两个方案均采用的是共阴极显示译码器74LS48,其作用是将输入的高低电平信号转化为数码管需要的高低电平信号,并控制数码灯的亮灭。
逻辑控制部分原理相似,只是芯片不同而已。
不同点:
方案一中的放大电路是选用运算放大器实现的,而方案二中是选用三极管来实现的。
与使用运放放大电路相比,使用三极管放大电路成本更低,稳定性更好。
此外,运放的引脚比较多,在连接电路时相对而言也就比较复杂。
整形部分方案二比方案一的结构更简单,也更经济,555构成的整形电路还需要计算电阻和电容值,如果设计的不合理,则无法达到整形的效果,所以最终选用方案二中与非门构成的整形电路。
综上可知,方案二比方案一电路更简单,因而在制作的过程中成功的可能性更大,而且也更为经济,故择优选择方案二来完成设计任务。
3单元电路的说明及其各参数的计算
3.1放大整形电路
在微弱信号的检测中,由于有用信号极其微弱,其量级通常非常低,会被强大的噪声所淹没,因此要设计这样的放大电路,应采用合理的屏蔽和接地技术,以最大限度地降低外部干扰,耦合等噪声。
本电路由放大电路与整形电路两部分组成。
对于输入幅度比较小的正弦波信号,要测量其频率大小,首先要进行放大整形,变成同频率的方波信号。
本设计的放大电路经长时间通电测试,表现出输出电压漂移小,信噪比高,稳定度较高,线性度良好的特性。
为保证测量精度,在整形电路的输入端加一前置放大器。
对幅值较低的被测信号经放大后再送入整形器整形。
放大整形电路由三极管与与非门组成。
将电源电压设为5V,当输入信号幅值比较大时,会出现线性失真,将放大后的波形幅度控制在5V以内。
放大器采用三极管,足以将30mV以上的信号电压放大至限幅状态。
采用三极管组成的放大器具有输入阻抗高,简单可靠等特点。
整形电路采用与非门构成施密特触发器,将模拟信号整形为边沿陡直的方波脉冲送入计数器。
接通电源后,用直流数字电压表测放大电路输出端输出电压,如果大于3.4V,则放大电路和设计满足要求。
否则,则需调节电位器的阻值,直到其满足要求。
高速整形电路是高速计数电路的重要组成部分,它的性能对计数电路的最高计数频率影响很大。
常用的高速整形电路有电流型施密特触发器和隧道二极管整形器两种,而我在这所用到的是施密特触发器作为整形电路。
它对放大器的输出信号进行整形使之成为矩形脉冲。
图3—1放大整形电路原理图
3.2时基电路
时基电路的作用是产生一个标准时间信号(高电平持续时间为1s),由定时器555构成的多谐振荡器产生(当标准时间的精度要求较高时,应通过晶体振荡器分频获得)。
555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路,应用十分广泛,它由TTL集成定时电路和CMOS集成定时电路,这二者功能完全相同,不同之处是:
TTL集成定时电路的驱动能力比CMOS集成定时电路大.555集成定时器内部外引线排列、逻辑电路和功能表如下:
图3—2555集成定时器内部外引线排列图3—3555集成定时器逻辑电路
图3—4555集成定时器功能表
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性,555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力,因此这种形式的多谐振荡器应用很广。
本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器。
接通电源后,电容被充电,当
上升到
时,使
为低电平,同时放电三极管T导通,此时电容C通过
和T放电,
下降。
当
下降到
时,
翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当放电结束时,T截止,
将通过
、
向电容C充电,
由
所需的时间为
时,电路又翻转为低电平。
如此周而复始,于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
其振荡频率为
若振荡器的频率
f=1/(t1+t2)=0.8Hz,
其中t1=1s,t2=0.25s。
由公式
t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C,
可计算出电阻R1、R2及电容C的值。
若取电容C=10uF,则:
R2=t2/0.7C=35.7kΩ;
取标称值36k;
R1=(t1/0.7C)-R2=107kΩ;
取R1=47kΩ、RP=100kΩ;
图3—5时基电路原理图
3.3逻辑控制电路
逻辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭,同时也控制整机逻辑关系。
控制电路是通用电子计数器完成逻辑控制的指挥系统,控制着主闸门的开启和关闭。
在控制电路的协调指挥下,全机各部分电路协调动作,完成各项测量工作。
通用电子计数器的测量程序是计数——显示——复零。
也就是说,在主门开启的时间内进行计数,然后由显示电路将计数结果显示出来,接着发出复零信号使仪器又恢复到测量前的初始工作状态。
本设计采用74LS123组成逻辑控制电路(其管脚图如图3—6,功能表如图3—7),先启动脉冲置成1,其余触发器置成0,然后时基电路传入脉冲,控制电路开始工作。
在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号,锁存信号结束时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。
设锁存信号和清“0”信号的脉冲宽度tw相同,如果要求tw=0.02s,得
tw=0.45RextCext=0.02s;
如图3—3所示。
若取Rext=10kΩ,则:
Cext=tw/0.45Rext=4.4μF;
取标称值4.7μF。
当CLR1=1B=CLR2=2B=1,触发脉冲1A端输入时,在触发脉冲的负跳变作用下,输出端1Q可获得一正脉冲;
手动复位开关S按下时,计数器清“0”,同时利用正脉冲的负跳变2Q端可获得一负脉冲,其波形关系正好满足波形脉冲信号的要求。
图3—674LS123管脚图
引出端符号:
CEXT1、CEXT2外接电容端
Q1、Q2正脉冲输出端
/Q1、/Q2负脉冲输出端
/CLR1、/CLR2直接清除端(低电平有效)
A1、A2负触发输入端
B1、B2正触发输入端
图3—774LS123功能表
说明:
1.外接电容接在Cext(正)和Rext/Cext(正)之间
2.为了改善脉冲宽度的精度和重复性,可在Rext/Cext和Vcc之间接外接电阻。
3.为了得到可变脉冲宽度,可在Rext/Cext和Vcc之间接接可变电阻。
H-高电平L——低电平X-任意↑-低到高电平跳变
↓-高到低电平跳变
-一个高电平脉冲
-一个低电平脉冲
图3—8逻辑控制电路原理图
3.4计数、锁存、译码、显示电路
在数字测量仪表和各种数字系统中,都需要将数字量直观地显示出来,一方面供人们直接读取测量和运算的结果;
另一方面用于监视数字系统的工作情况。
因此,数字显示电路是许多的数字设备不可缺少的部分
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