数字频率计测频率与测周期的基本原理.docx
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数字频率计测频率与测周期的基本原理
了解数字频率计测频率和测周期的基本原理;熟练掌握数字频率计的设计和调试方法及减小测量误差的方法。
[重点和难点]
重点:
数字频率计的组成框图和波形图。
难点:
时基电路和逻辑控制电路。
[理论内容]
一、数字频率计测频率的基本原理
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,则其频率可表示为
f=N/T
(1)
二、数字频率计的主要技术指标
1、频率准确度
2、频率测量范围
在输入电压符合规定要求值时,能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。
频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。
3、数字显示位数
频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。
位数越多,分辨率越高。
4、测量时间
频率计完成一次测量所需要的时间,包括准备、计数、锁存和复位时间。
三、数字频率计的电路设计和调试
1.基本电路设计
数字频率计的基本框图如图2所示,各部分作用如下。
①放大整形电路
放大整形电路由晶体管3DG100和74LS00等组成。
其中3DGl00组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
和非门74LS00构成施密特触发器,它对放大器的输出信号进行整形,使之成为矩形脉冲。
实验五 数字频率计
实验目的
1.了解数字频率计测量频率和测量周期的基本原理;
2.熟练掌握数字频率计的设计和调试方法及减小测量误差的方法。
实验任务
用中小规模集成电路设计一台简易的数字频率计,频率显示为四位,显示量程为四挡,用数码管显示。
1HZ—9.999KHZ,闸门时间为1S;
10HZ—99.99KHZ,闸门时间为0.1S;
100HZ—999.9KHZ,闸门时间为10MS;
1KHZ—9999KHZ,闸门时间为1MS;
实验五 数字频率计
实验原理
1.方案设计
原理框图见图1:
图1数字频率计原理
原理简述
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,则其频率可表示为f=N/T原理框图中,被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ,其频率和被测信号的频率fx相同。
时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ,其高电平持续时间t1=1s,当1s信号来到时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门,计数器开始计数,直到1s信号结束时闸门关闭,停止计数。
若在闸门时间1S内计数器计得的脉冲个数为N,则被测信号频率fx=NHz。
逻辑控制电路的作用有两个:
一是产生锁存脉冲Ⅳ,使显示器上的数字稳定;二是产生“0”脉冲Ⅴ,使计数器每次测量从零开始计数。
2.电路设计
• 系统原理参考电路
图2参考电路
.单元电路设计
放大整形电路
放大整形电路由晶体管3DGl00和74LS00等组成,其中3DGl00组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
和非门74LS00构成施密特触发器,它对放大器的输出信号进行整形,使之成为矩形脉冲。
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98555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)。
若振荡器的频率为fo=1/(t1+t2)=0.8hz,则振荡器的输出波形如图1(b)中的波形Ⅱ所示,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36kΩ,R1=(t1/0.7C)-R2=107KΩ
取R1=47KΩ,RP=100KΩ
逻辑控制电路
根据图原理框图b所示波形,在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ,锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号V。
脉冲信号Ⅳ和V可由两个单稳态触发器74LSl23产生,它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
设锁存信号Ⅳ和清“0”信号V的脉冲宽度相同,如果要求tw=0.02s,则有tw=0.45RextCext=0.02s,若取Rext=10kΩ,则Cext=tw/0.45Rext=4.4uf,取标称值4.7uf,由74LSl23的功能表可得,当
触发脉冲从1A端输入时,在触发脉冲的负跳变作用下,输出端1Q可获得一正脉冲端,一非Q端可获得一负脉冲,其波形关系正好满足原理框图b所示波形Ⅳ和V的要求。
手动复位开关S按下时,计数器清“0”。
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.如原理框图b所示,1s计数时间结束时,逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ,将此时计数器的值送译码显示器。
选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能.当时钟脉冲CP的正跳变来到时,锁存器的输出等于输入,即Q=D。
从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
正脉冲结束后,无论D为何值,输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn不变.所以在计数期间内,计数器的输出不会送到译码显示器.
实验五 数字频率计
实验内容
电路制作和调试
对制作好的PCB板,或准备好的面包板,按照装配图或原理图进行器件装配,装配好之后进行电路的调试。
调试规则为:
• 通电准备
打开电源之前,先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况,并取下PCB上的集成块,然后接通电源,用万用表检查板上的各点的电源电压值,完好之后再关掉电源,插上集成块。
• 单元电路检测
• 接通电源后,用双踪示波器(输人耦合方式置DC档)观察时基电路的输出波形,应如波形图(b)所示的波形Ⅱ,其中t1=1s,t2=0.25s,否则重新调节时基电路中R1和R2的值,使其满足要求。
然后改变示波器的扫描速率旋钮,观察74LSl23的第13脚和第10脚的波形,应有如波形图(b)所示的锁存脉冲Ⅳ和清零脉冲V的波形。
• 将4片计数器74LS90的第2脚全部接低电平,锁存器74LS273的第11脚都接时钟脉冲,在个位计数器的第14脚加入计数脉冲,检查4位锁存、译码、显示器的工作是否正常。
• 系统连调
在放大电路输入端加入Vpp=1v,f=1khz的正弦信号,用示波器观察放大电路和整形电路的输出波形,应为和被测信号同频率的脉冲波,显示器上的读数应为1000Hz。
数字频率计的设计
【摘要】在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且和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。
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。
本文阐述了用VHDL语言设计了一个简单的数字频率计的过程。
【关键词】周期;EDA;VHDL;数字频率计;波形仿真;
一、概述
1)数字频率计的基本原理
频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟,对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数,此时我们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长,得到的频率值就越准确,但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短,测的频率值刷新就越快,但测得的频率精度就受影响。
本文。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波,方波或其它周期性变化的信号。
如配以适当的传感器,可以对多种物理量进行测试,比如机械振动的频率,转速,声音的频率以及产品的计件等等。
因此,数字频率计是一种使用很广泛的仪器
电子系统非常广泛的使用领域内,到处可见到处理离散信息的数字电路。
数字电路制造工业的进步,使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能,从而提高系统可靠性和速度。
集成电路的类型很多,从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2大类。
数字集成电路广泛用于计算机、控制和测量系统,以及其它电子设备中。
一般说来,数字系统中运行的电信号,其大小往往并不改变,但在实践分布上却有着严格的要求,这是数字电路的一个特点。
数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一,已广泛地深入到各个使用领域
VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,超高速集成电路硬件描述语言)诞生于1982年,是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具,目前已经成为IEEE(TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers)的一种工业标准硬件描述语言。
相比传统的电路系统的设计方法,VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力,支持自顶向下(ToptoDown)和基于库(LibraryBased)的设计的特点,因此设计者可以不必了解硬件结构。
从系统设计入手,在顶层进行系统方框图的划分和结构设计,在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述,并进行仿真和纠错,然后在系统一级进行验证,最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表,下载到具体的CPLD器件中去,从而实现可编程的专用集成电路的设计。
数字频率计是数字电路中的一个典型使用,实际的硬件设计用到的器件较多,连线比较复杂,而且会产生比较大的延时,造成测量误差、可靠性差。
随着复杂可编程逻辑器件的广泛使用,以EDA工具作为开发手段,运用VHDL语言。
将使整个系统大大简化。
提高整体的性能和可靠性。
2)频率计实现
频率计的结构包括一个测频率控制信号发生器、一个计数器和一个锁存器
(1)测频率控制信号发生器
设计频率极的关键是设计一个测频率控制信号发生器,产生测量频率的控制时序。
控制时钟信号clk取为1Hz,2分频后即可查声一个脉宽为1秒的时钟test-en,一此作为计数闸门信号。
当test-en为高电平时,允许计数;当test-en由高电平变为低电平(下降沿到来)时,应产生一个锁存信号,将计数值保存起来;锁存数据后,还要在下次test-en上升沿到哦来之前产生零信号clear,将计数器清零,为下次计数作准备。
(2)计数器
计数器以待测信号作为时钟,清零信号clear到来时,异步清零;test-en为高电平时开始计数。
计数是以十进制数显示,本文设计了一个简单的10kHz以内信号的频率机计,如果需要测试较高的频率信号,则将dout的输出位数增加,当然锁存器的位数也要增加。
(3)锁存器
当test-en下降沿到来时,将计数器的计数值锁存,这样可由外部的七段译码器译码并在数码管显示。
设置锁存器的好处是显示的数据稳定,不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。
锁存器的位数应跟计数器完全一样。
VHDL语言程序如下:
结语
本文介绍了使用VHDL语言设计数字频率计的方法,并下载到CPLD中组成实际电路,这样可以简化硬件的开发和制造过程,而且使硬件体积大大缩小,并提高了系统的可靠性。
同时在基本电路模块基础上,不必修改硬件电路,通过修改VHDL源程序,增加一些新功能,满足不同用户的需要,实现数字系统硬件的软件化
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- 关 键 词:
- 数字频率计 频率 周期 基本原理