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数字频率计
题目:
数字频率计设计
学号姓名:
200995024022李亮亮
所在系别:
电子电气工程系
专业年级:
电子信息工程2009级
指导教师:
陈渭红
2011年6月21日
序言
科学技术发展到今天,数字化产品以其独特的优越性而越来越受到广大消费者的认可。
频率计作为一件很普通的电子器件,广泛应用于科研机构、学校、实验室、企业生产车间等场所。
数字频率计具有体积小、携带方便;功能完善、测量精度高等优点,因此在以后的时间里,必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。
研究数字频率计的设计和开发,有助于频率计功能的不断完善、性价比的提高和实用性的加强。
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,数字频率计是一种应用很广泛的仪器。
目录
序言2
摘要4
关键字4
1.引言4
2.数字频率计设计方案5
2.1设计目的5
2.2设计指标5
2.3方案:
5
3.电路的设计6
3.1数字频率计介绍6
3.2频率计的基本原理6
3.3.数字频率计的基本原理框图7
3.4数字频率计的特点8
3.5总体结构图9
3.6放大整形电路9
3.7波形变换和整形电路10
3.8闸门时基电路11
3.9计数、译码显示系统11
3.10锁存器12
3.11控制电路12
3.12数字频率计的电路图13
3.13原件清单14
总结15
参考文献16
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、计数、逻辑显示。
1.引言
随着科学技术的发展和人民物质生活的提高,人们对科技产品的要求已不仅仅停留在模拟器件时代,数字化的电子产品越来越受到欢迎。
频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器,广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合,因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。
数字频率计具有体积小、携带方便;功能完善、测量精度高等优点,因此在以后的时间里,必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。
比如:
将数字频率计稍作改进,就可制成既可测频率,又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。
将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来,制成各种智能仪器仪表,应用于航空航天等科研场所,对各种频率参数进行计量;应用在高端电子产品上,对其中的频率参数进行测量;应用在机械器件上,对机器振动产生的噪声频率进行监控;等等。
研究数字频率计的设计和开发,有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。
在这里,我们将介绍一种简单、实用的数字频率计的设计和制作。
2.数字频率计设计方案
2.1设计目的
1).理解信号测量的基本原理。
2).熟悉计数、译码、显示等常用器件的使用。
3).掌握对简单数字系统进行设计和实验能力。
2.2设计指标
设计并制作出一种数字频率计,其技术指标如下:
(1)频率测量范围:
50~80Hz。
(2)输入电压幅度>300mv。
(3)输入信号波形:
矩形波。
(4)显示位数:
4位。
(5)电源:
220V、50Hz
2.3方案:
系统测频部分采用中小规模数字集成电路,完成频率计测量功能。
原理框图如图所示。
该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟,能可靠的完成频率计的基本功能,但由于系统功能要求较高,所以电路过于复杂。
3.电路的设计
3.1数字频率计介绍
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。
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。
3.2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,数字频率计是一种应用很广泛的仪器
电子系统非常广泛的应用领域内,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。
数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。
频率是单位时间(1s)内信号发生周期变化的次数。
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。
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、控制与测量系统,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应用领域
数字频率计是实验室及生产中常用的一种测量设备。
数字频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种仪器。
频率测量是通过在单位时间内对被测信号进行计数来完成。
其原来如图所示(被测信号为矩形波):
(1)控制信号:
产生1s标准单位时间信号。
(2)闸门:
在1s标准单位时间信号到来时允许被测信号通过,让计数器计数
(3)计数:
用于对单位时间内通过的被测信号进行计数。
若n为计数器的读数,T为单位时间,则被测信号的频率f=n/T。
4)译码及显示:
对被测信号进行译码显示。
3.3.数字频率计的基本原理框图
数字频率计测频率时的原理框图如下图示:
电源部分:
为识字频率计的各部分提供+5V直流电源。
标准频率源部分:
由一个4MHz晶体振荡器和14级二进制分频器CD4060、双十进制分频器CD4518和八进制分频器CD4022构成。
输入门:
由两个集成运放和两个施密特触发器组成,实现了对输入信号的放大与整形。
控制门:
由四个与非门组成,实现控制功能。
计数、译码显示:
由五片HCP4026组成。
3.4数字频率计的特点
在数字电路中,数字频率计属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。
在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。
在CMOS电路系列产品中,数字频率计是用量最大、品种很多的产品,是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器,并且与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。
数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。
它不仅可以测量正弦波,方波,三角波和尖脉冲信号的频率,而且还可以测量他们的周期。
数字频率计在测量其他物理量如转速、振荡频率等方面获得广泛应用。
3.5总体结构图
由数字频率计的基本原理可知数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。
总体结构图
3.6放大整形电路
本频率计采用市电频率作为标准频率,以获得稳定的基准时间。
按国家标准,市电的频率漂移不能超过0.5Hz,即在1%的范围内。
用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。
放大整形电路可以采用晶体管3DGl00和74LS00,其中3DGl00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。
待放大信号接到Ui端,通过电容C1耦合到三极管的基极,放大后的信号经C2耦合输出到负载RL,C1和C2起到耦合交流的作用,通常称为耦合电容,为使信号顺利通过,要求在输入信号的频率下,容抗很小,因此要取容量较大的有极性电解电容,这样对于交流信号,C1和C2可视为短路。
放大整形电路图
3.7波形变换和整形电路
采用数字芯片(74HC00)实现把正弦波、三角波、方波等各种波形的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。
74HC00是两输入四与非门芯片,利用它在转换过程中的正反馈作用,可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
在数字系统中,矩形脉冲经传输后往往会发生波形畸变,例如:
当传输线上电容较大时,波形的上升沿和下降沿将明显变坏;当传输线较长,而且接收端的阻抗与传输线上的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象;当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时,信号上将出现附加的噪声。
诸如这些情况,如果不加以解决,都将严重影响到矩形脉冲的实际效果[9]。
使用74HC00芯片可以很好地解决这些困难,得到比较理想的矩形脉冲波形。
其引脚如图4-3所示。
在实际应用中,仅仅用到一个与非门,它的一脚接高电平,二脚接通过放大作用放大的输入信号,三脚输出高低电平的数字信号。
除了可用74HC00芯片外,74HC14(六反相施密特触发器)也能实现波形的变换和整形。
波形变换和整形电路
3.8闸门时基电路
采用数字芯片(74LS08)实现对数字信号的控制。
74LSO8是两输入端四与门,引脚如图所示。
同样,在实际应用中,仅仅用到一个与门,它的1脚接74HC00的输出信号,2脚接到单片机的P3.1,通过单片机控制2脚是高电平还是低电平。
当2脚是高电平时,从74HC00的3脚出来的信号就通过74LS08的1脚传送到3脚,然后进入下一个控制电路;当2脚是低电平时,无论74HC00输出的是高电平,还是低电平,在74LS08的3脚都没有信号输出。
所以74LS08就等同于一个开关电路,只有在高电平有效时,才能进行信号的传输,起到了控制的作用。
闸门时基电路
3.9计数、译码显示系统
本系统由五片七段显示十进制计数器HCP4026组成。
HCP4026不仅受输入信号的控制,而且受分频输出信号的控制,只有两者同时高电平时,五个计数器才开始工作,进行频率计数。
计数器的作用是对输入脉冲计数。
根据设计要求,最高测量频率为9999Hz,应采用2位十进制计数器。
可以选用现成的10进制集成计数器。
显示译码器的作用是把用BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号,以获得数字显示。
选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。
3.10锁存器
在确定的时间(1s)内计数器的计数结果(被测信号频率)必须经锁定后才能获得稳定的显示值。
锁存器的作用是通过触发脉冲控制,将测得的数据寄存起来,送显示译码器。
锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器,为使数据稳定,最好采用边沿触发方式的器件。
3.11控制电路
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。
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Ⅳ和V的要求。
手动复位开关S按下时,计数器清“0”。
参考电路如图
数字频率计逻辑控制电路
3.12数字频率计的电路图
根据系统框图,设计出的电路如图所示。
图中,稳压电源采用7805来实现,电路简单可靠,电源的稳定度与波纹系数均能达到要求.数字频率计的电路图如图所示:
数字频率计的电路图
3.13原件清单
原件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
555
1
定时器
2
72LS123
2
逻辑控制电路
3
74LS00
2
与非门
4
74LS90
4
十进制计数器
5
74LS273
2
锁存器
6
74LS48
4
译码器
7
8421数码器
4
数码管
8
R
47k
2
电阻
9
R
39k
2
电阻
10
Rext
10k
3
电阻
11
R
3.3k
1
电阻
12
R
1k
1
电阻
13
R
10Ω
1
电阻
14
RP
100K
1
电位器
15
RP
47k
1
电位器
16
C
4.7µF
2
电解电容
17
C
10µF
1
电解电容
18
C
47µF
1
电解电容
19
C
100µF
1
电解电容
20
C
0.01µF
1
瓷片电容
21
LED
1
二极管
22
S
1
按钮开关
总结
在整个课程设计完后,总的感觉是:
有收获。
以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。
在这个过程中,我的确学得到很多在书本上学不到的东西。
在这个过程中遇到了很多问题,比如如何画图,如何组织那种专业语言,上网、到图书馆查找相关的资料。
虽然很费劲,但是其乐无穷。
通过此次的设计,我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非常高,我相信在今后的学习和工作中它也占据着非常重要的地位。
课堂中的学习是远远不够的,我们还需要自己吸收和再学习,不断的探索和研究。
这样在以后的学习工作中才能节节进步,不断创新。
不但如此,我想要完成一个任务,不能只局限于自己所学的知识中,要各个方面都有涉猎,提高自己的综合能力,这样才能取得长足的进步。
通过此次的设计,我也领略到了坚持不懈精神的可贵。
我的专业知识学习的不扎实,在设计的过程中,会遇到各种问题。
这时我就会向同组同学请教,共同完成这个设计。
所以在此感谢帮助过我的同学。
尽管如此,设计中仍会有我们未发现的问题,感谢老师的悉心指正。
对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次设计将成为我学习旅途中一个美好的回忆!
参考文献
[1]数字电子技术第二版江晓安等编著,西安电子科技大学出版社
[2]数字电子技术基础第四版阎石主编,高等教育出版社
[3]数字电路设计与制作汤山俊夫(日)著,科学出版社
[4]模拟及数学电子技术实验教程,徐国华等编著北京航空航天大学出版社.
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