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设计报告gai
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
武汉理工大学
题目:
数字式频率计与制作
初始条件:
1.具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力;
2.熟悉常用电子器件和常规实验仪器及电子设计常用软件;
3.已掌握电子电路实验的基本方法。
要求完成的主要任务:
1.被测信号为矩形脉冲信号,0~4V
2.显示的频率范围为00~99Hz
3.测量精度为1Hz
4.用LED数码管显示频率数值
5.提出至少两种设计方案,并优选方案进行具体设计
6.撰写符合学校要求的课程设计说明书
时间安排:
第17周(7、8节):
理论讲解,新1-02
第18~19周:
理论设计及实验室安装调试;
地点:
鉴主15通信工程实验室
(1),鉴主13通信工程专业实验室;
第20周:
撰写设计报告及答辩;地点:
鉴主17楼研究室。
指导教师签名:
2010年7月2日
系主任(或责任教师)签名:
2010年7月2日
目录
摘要2
abstact2
1总体方案比较及论证3
1.1方案论证3
1.1.1方案一3
1.1.2方案二4
1.2方案比较5
2简易数字频率计的电路设计6
2.1放大整形电路6
2.2时基电路7
2.3逻辑控制电路8
2.4计数器电路10
2.5锁存器电路12
2.6译码及显示电路13
2.7简易频率计整体电路图14
3仿真测试15
3.1放大整形电路15
3.2时基电路16
3.3逻辑控制电路17
3.4闸门电路18
3.5计数器,锁存器及显示器电路19
3.6数字频率计整体电路20
3.6.1仿真电路20
3.6.2仿真结果分析21
4数字频率计设计的改进建议及体会22
4.1改进建议22
4.2体会22
参考文献23
附录Ⅰ整体电路原理图24
附录Ⅱ元器件清单25
摘要
在实验与生产设计中,检验信号的周期性及检测周期信号的频率是很重要的。
因此,设计频率计具有较强的实际意义。
本作品结合相应模拟及数字电路知识,用于测量较低频率范围(1Hz—9999Hz)周期信号的频率。
以555定时器构成的多频振荡器产生标准时间信号,74121芯片作为逻辑控制核心,采用74ls273及74ls90芯片实现锁存及计数功能,并运用七段数码管对测量频率进行显示。
本作品涉及了多种集成芯片的运用,用最简单的元器件实现了频率计功能,强化了模数电路知识的运用。
关键词:
周期信号;频率测量;555定时器
Abstract
Testingsignalsandthecyclicalnatureofthefrequencyofperiodicsignaldetectionisveryimportant..intheexperimentaldesignandproduction.Therefore,thedesignoffrequencyhasastrongpracticalsignificance.Thisworkcombinesanaloganddigitalcircuitscorrespondingknowledge,usedtomeasurethelowfrequencyrange(1Hz-9999Hz)thefrequencyofperiodicsignal.Consistingofa555timeroscillatorgeneratedmulti-frequencytimesignal,asthe74,121-chipcorelogiccontrolusing74ls273andlatchesand74ls90chipcountfunction,andtheuseofSeven-SegmentLEDdisplayonthemeasuringfrequency.Theworkinvolvedtheuseofawiderangeofintegratedchips,Themostsimplerealizationofthefrequencycomponentsoffunction,theanalog-to-digitalcircuittostrengthentheapplicationofknowledge.
Keywords:
Periodicsignal;FrequencyMeasurement;555Timer
1总体方案比较及论证
1.1方案论证
1.1.1方案一
测频系统采用中小规模数字集成电路,被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号,其频率与被测信号相同。
时基电路提供标准时间基准信号,其高电平持续时间为1s,当1s信号到来时,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,则被测信号频率为N(Hz)。
其组成框图框图如图1-1所示。
图1数字频率计组成框图Ⅰ
方案一的电路图见图1-2。
图1-2方案一的电路图
1.1.2方案二
采用MCS—51系列单片机AT89S52作为控制核心,门控信号由AT89S52内部的定时器产生[5],由于这里测定的为较低频信号(1Hz—9999Hz)的频率,故单片机的计数频率(12MHz晶振约为500KHz)足以满足要求。
本系统的LED的驱动电流由4个三极管提供,由于AT89S52的输出电流较小,不能驱动LED正常显示,故用三极管对单片机输出电流进行放大后输入LED,可以保证LED的亮度,其组框图如图2-1所示。
图2-1数字频率计组成框图Ⅱ
方案二电路图见图2-2
图2-2方案二的原理图
1.2方案比较
以上方案均需使用小信号放大、整形电路来提高系统的测量精度和灵敏度。
方案一:
由最基本的元器件及中小规模集成芯片构成,原理简单,易于理解;但线路教复杂且精度不高。
方案二:
利用了单片机的内部资源,简化了电路,采用软件方法实现计数、译码等功能,便于修改、可移植性高、仿真测试方便等。
基于此次试验设计为课程设计,应采用书中所给芯片完成任务,不宜使用单片机。
综上分析,本设计选用方案一作为设计原理依据。
2简易数字频率计的电路设计
2.1放大整形电路
方案一:
采用基本三极管构成的放大电路,实现波形幅值的放大。
该方案可轻松实现波形的放大。
方案二:
采用运放构成同相放大器。
该方案简单实用,且运放也广为我们熟悉,但后级还得加整形电路。
方案三:
直接采用运放当做比较器,由于待测为方波,同时实现放大整形功能,且电路十分简单。
经过分析和比较,我们选用放案二。
由于计数器工作时针对的是矩形脉冲信号,故需对待测信号进行放大整形。
该电路主要由三极管及74ls00组成,其中三极管组成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。
与非门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。
放大整形电路图如下所示:
图3放大整形电路原理图
2.2时基电路
方案一:
采用由石英晶体和门电路构成的多谐振荡器来实现,其振荡频率稳定性高,具有非常好的选频特性。
但电路的振荡频率仅取决与石英晶体的串联谐振频率fs,而与电路中的R、C值无关,所以其频率无法调节,由于其频率太高,一般都是兆的数量级,需要经过多次分频才能达到秒脉冲的数量级。
故不适合用在此处。
方案二:
此课程设计中所需要的时钟信号约为1HZ,由于555定时器内部的比较器灵敏度高。
输出驱动电流大,功能灵活,且采用差分电路形式,他的震荡频率受电源电压和温度的影响很小。
改变R、C的值就能够改变其频率。
所以由555定时器构成的多谐振荡器频率稳定且易于调节。
方案三:
利用门电路构成多谐振荡器,也可以达到1HZ的时钟信号。
门电路构成的多谐振荡器利用RC电路的充放电特性,通过控制时间常数来产生方波时钟信号。
但是其稳定度比较低,而且特性与所用门电路的特性直接挂钩,而且输出波形受到电源的影响特别大,不容易控制。
经过分析和对比设计的要求,在所需频率较低,时基脉冲的发生选用方案二。
频率是周期性信号在单位时间内变化的次数。
若在一定时间间隔T内测得该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。
此时,令T=1s,则f=N。
时基电路是为了产生一个标准时间信号,通过统计在高电平时待测脉冲信号通过的数量来确定待测信号的频率。
本设计利用555定时器构成多谐振荡器产生所需时间信号,其引脚图如图4所示。
令高电平持续时间为1s。
由公式:
fx=1/(t1+t2)。
若振荡器的频率为0.8Hz,其中t1=1s,t2=0.25s。
由
t1=0.7(R1+R2)C,t2=0.7R2C,
可得R1、R2及电容C的值。
若取电容C=10uf,则
R2=t2/0.7C=35.7kΩ
R1=(t1/0.7C)--R2=107kΩ
图4555定时器引脚
时基电路图如下所示:
图5时基电路原理图
2.3逻辑控制电路
方案一:
采用分离的门电路和电阻、电容构成一基本的单稳态触发器。
电路可以完成单稳态的功能,但电路复杂耗费的元器件多且稳定性也不好,既不实用有不经济。
方案二:
采用Ne555和分离的电容、电阻构成单稳态触发器。
电路相对简单且比较经济。
方案三:
采用集成的单稳态触发器,电路相当的简单,且稳定比较好。
经过分析和比较,我们选用放案三。
逻辑控制电路作用有两个:
一是产生锁存脉冲,使显示器上的数字稳定;二是产生清零脉冲,使计数器每次测量从0开始计数。
在时基信号结束时产生的下降沿来产生锁存信号(为上升沿),输入锁存器的CP端,一旦有上升沿触发,便将此时输入锁存器的信号输出给显示器,使显示器输出稳定的值。
TTL集成器件74121是一种不可重复触发的集成单稳态触发器,本作品采用74121实现逻辑控制功能。
其功能表及引脚图如图6所示:
图674121引脚图及功能表
由上表知,当B和A1、A2中任一个为高电平,另一为1到0的负跳变时,电路有正脉冲输出。
若将A1接时基信号,B及A2置1,则输出Q为锁存信号。
将输出的锁存信号作为另一个单稳态触发器的A1,同样B及A2置1,则锁存信号的负跳变产生了清零信号。
设锁存信号和清零信号的脉冲宽度tw相等,利用内部电阻产生相应脉宽。
逻辑控制电路图如下所示:
图7逻辑控制电路原理图
2.4计数器电路
方案一:
采用74ls161集成计数器,计数方便,通过反馈清零法,可轻松实现清零功能。
方案二:
采用74ls90二、五、十进制计数器,通过该芯片实现十进制计数十分容易,无需额外的元器件即可。
经过分析和比较,我们选用放案二。
本作品采用二-五-十进制异步计数器74ls90实现计数功能。
其引脚图及功能表如下所示:
图874ls90引脚图及功能表
74ls90可接成多位计数器,要实现可测量1Hz~9999Hz的信号,将4个74ls90级联。
接为万进制计数器。
由功能表可得,当MR1,MR2及MS1,MS2分别有一引脚接低电平时,74ls90才实现计数功能。
故将所有MS2接低电平。
而且此时CPA作为触发端,CPB与Q0相连。
第一级芯片中CPA接时基电路及放大整形电路的与非门输出,此与非门组成闸门电路。
当时基信号中高电平到来时,闸门打开,将放大整形后的方波脉冲输入给计数器,计数器开始工作,直到时基信号的低电平到来,闸门关闭,停止计数。
如此统计出1s内被测信号的重复变化次数N,即得出频率f。
后几级芯片将CPA接上一级的Q3,形成万进制计数器。
另外,逻辑控制电路产生的清零信号接到74ls90中的MR1端,当下降沿到来时,MR1=1,实现计数器的清零功能。
另外,设置手动复位开关S,当S按下时,计数器清零。
计数器电路图如下所示:
图9计数器电路原理图
2.5锁存器电路
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,使显示器上能稳定得显示此时计数器的值。
由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。
本设计采用8D锁存器74ls273完成锁存功能。
其引脚图及功能表如下所示:
图1074ls273引脚图及功能表
如功能表所示,将RD复位端接高电平,当T上升沿脉冲到来时,锁存器输出等于输入,即Q=D,从而将计数器的输出值送到锁存器的输出值。
因此将逻辑控制电路发出的锁存信号接T,Q7~Q0及D7~D0相应接好即可。
图11锁存器电路
2.6译码及显示电路
本设计采用74ls48芯片作为译码器,七段式数码管作为显示器。
74ls48引脚图如下所示:
图1274ls48引脚图
由功能表知:
当LT及BI/RBO全为高电平,a~g依次与数码管进行连接时,74ls48实现对数码管的译码功能。
D为高位,若DCBA依次输入0001,则数码管上显示为1。
依次类推即可使数码管显示任意数字。
两个74ls48对应一个74ls273锁存器。
2.7简易频率计整体电路图
图13整体电路图
3仿真测试
3.1放大整形电路
将放大整形电路的输入及输出分别接示波器的A通道及B通道,所得仿真结果如下:
当输入为正弦波时,放大整形的结果是周期与之相同的方波。
说明该电路达到了将周期信号转变为矩形脉冲的作用。
使输出信号每一周期都有产生一个上升沿,可供计数器计数。
图14放大整形电路仿真效果图
3.2时基电路
时基电路产生了一个标准时间信号,预设值t1=1s,t2=0.25s,如下图所示:
波形为高电平时持续了5格,由右下角横坐标的度量单位知:
一格为0.2s,则易得高电平持续了1s。
同理,观察低电平大约持续了1.25格,折合0.25s。
说明该电路了产生脉冲宽度t1为1s的振荡信号,实现了预设功能。
图15时基电路仿真效果图
3.3逻辑控制电路
逻辑控制电路输出信号为锁存信号及清零信号,如下图所示:
A通道输入为555时基信号,B通道为锁存信号,C通道为清零信号。
可以看出:
在时基信号产生负跳变时,出现了锁存信号脉冲,它的正跳变传输给锁存器,使计数信号通过,经译码器将计数结果显示在数码管上。
图16逻辑控制电路仿真效果图
在锁存信号产生负跳变时,出现了清零信号脉冲,它的负跳变信号将传输给计数器,使之清零,在下一脉冲到来时重新计数。
将手动复位开关按下时,计数器同样可清零。
仿真结果说明,该逻辑控制电路产生的锁存信号能够在1s结束时,对所计得的数进行锁存。
产生的清零信号可实现计数器清零的功能,使74ls90芯片重新计数。
另外,波形图中锁存信号及清零信号大约占一格,由右下角横坐标的度量单位知:
一格为20ms,即0.02s,与预设脉冲宽度相等。
3.4闸门电路
放大整形电路输出信号与时基信号经与非门后输出闸门信号。
当时基信号为高电平时,闸门输出为待测信号波形,将此波形作为计数器的时钟信号,统计1s内待测信号的脉冲个数,即待测信号频率。
图17闸门电路输出仿真效果图
如上仿真波形,阴影部分为1s内通过闸门的脉冲,直线部分为时基电路输出低电平时闸门输出的高电平。
由右下角横坐标度量单位可计算,持续时间约0.25s。
3.5计数器,锁存器及显示器电路
在第一级计数器的CKA端与锁存器74ls273的CLK端分别输入一个固定频率的时钟信号,则此时该电路作为一个100进制计数器工作。
仿真结果如下所示:
图18计数器,锁存器及显示器输出仿真效果图
通过仿真实验证明,该设计电路可正常工作。
3.6数字频率计整体电路
3.6.1仿真电路
由于仿真时正弦信号源与555时基电路发生冲突,目前仅整体仿真测试方波的频率。
如下所示:
若输入为1kHz,数码管显示为1014.
图19整体电路仿真效果图
3.6.2仿真结果分析
表1给出了在不同输入频率下,测试结果及误差状况。
可得出以下结论:
(1)测试结果普遍比实际信号频率大;
(2)当输入信号频率较小时,测试误差较大;
(3)当输入信号频率大于1kHz,误差大致为1.37%。
用555定时器制作而成的时基电路标准时间的精度不高,与用单片机制作的频率计相比,本设计测量结果误差较大。
但测试过程各环节相对稳定,基本实现了频率计的功能。
输入信号频率(Hz)
5
10
100
200
500
1000
2000
3000
测试结果(Hz)
6
11
102
203
507
1014
2027
3041
误差(%)
20.0
10.0
2.0
1.50
1.40
1.40
1.35
1.37
输入信号频率(Hz)
4000
5000
6000
7000
8000
9000
9500
9800
测试结果(Hz)
4055
5069
6082
7096
8109
9123
9630
9934
误差(%)
1.37
1.38
1.37
1.37
1.36
1.37
1.37
1.37
表1频率计测试结果及误差
4数字频率计设计的改进建议及体会
4.1改进建议
1、可增加频率范围扩展电路。
由于目前测量的最高频率为9.999kHz,完成一次测量的时间约1.25s。
若被测信号频率增加到数百千赫兹或数兆赫兹,则需要增加频率范围扩展电路。
2、将555定时器构成的多谐振荡器换成晶体振荡器,提高标准时间的精度。
4.2体会
通过这次的模拟电路课程设计,让我们学会了如何独立完成一个数字电路系统的设计,这一周多的熬炼让我感觉收获很多。
首先,数字电路是一门理论性很强,很需要经验的一门学科,想要学好它需要付出足够的努力,要多动手才能有收获,课程设计就给了我们一个很好的实践的机会,你需要先查资料,然后设计方案,最后再进行安装调试,使我们能够去真正的来动手独立完成整个过程,这正是我们所欠缺的。
其次,通过安装调试,可以发现理论上可行的电路很有可能调试不出结果,这就需要我们来对电路进行整体的分析,考虑到各个环节的影响,才能发现问题。
再次,通过这次课程设计,我发现同学之间的相互合作能够大大的加快我们设计的过程,许多资料通过同学们之间的资源共享可以达到事半功倍的效果,这就是我们以后肯定要学会的团队合作的精神,一个人的思想不可能面面俱到,相互合作就能弥补这种不足。
最后,我还想对该频率计提出一些改进的建议。
我希望该频率计不仅能够测量方波的频率,还能够测量正弦波、三角波、锯齿波的频率,还希望测试频率的范围跟大可以测到上KHz上MHz的频率。
课程设计是一个提高我们整体水平的好方法,希望我们以后还有更多的机会来做课程设计。
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试.华中科技大学出版社,2006,8
[2]侯宝文.《电子技术基础》课程设计指南.清华大学出版社,1984,12
[3]康华光.电子技术基础数字部分(第五版).高等教育出版社,2005,7
[4]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版).高等教育出版社,2005,7
[5]孙梅生,电子技术基础课程设计,高等教育出版社,2006,9
[6]彭介华.《电子技术课程设计指导》[M].北京:
高等教育出版社,2005
附录Ⅰ整体电路原理图
附
录Ⅱ元器件清单
元器件
数量
555定时器
1
七段数码管
4
74ls48
4
74ls273
2
74ls90
4
74ls04
1
74ls00
5
74ls121
2
按键开关
1
470p电容
1
100u电容
1
10u电容
1
0.01u电容
1
39k电阻
2
47k电阻
1
10k电阻
1
1k电阻
1
10电阻
1
47k电位器
1
100k电位器
1
NPN型三极管
1
二极管
1
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