数字式频率相位计.docx
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数字式频率相位计
2010年1月21日
电子技术课程设计任务书
1.课程设计的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等):
一、设计并仿真一数字频率相位计。
二、主要技术指标与要求:
(1)输入信号的频率为100Hz~20KHz可调
(2)输入信号的幅度为10mV
(3)采用数码管显示结果,频率精确到1Hz,相位精确到0.1度。
(4)采用外部5V直流电源供电。
三.可选择方案(任选择一个方案):
(1)采用ICM7216D构成单片数字频率计,CC4046与计数器构成相位检测电路;
(2)采用74LS90、74LS123、LM555、74LS48、74LS27、CC4046等集成电路的组合方式。
电子技术课程设计任务书
2.对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕:
设计电路,安装调试或仿真,分析实验结果,并写出设计说明书。
要求图纸布局合理,符合工程要求,所有的器件的选择要有计算依据。
3.主要参考文献:
[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:
高等教育出版社,1997
[2]毕满清.电子技术实验与课程设计[M].北京:
机械工业出版社,1995
[3]陈明义.电工电子技术课程设计指导[M].长沙:
中南大学出版社,2002
[4]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京:
电子工业出版社2000
[5].
目录
引言……………………………………………………………………5
1放大整形电路………………………………………………………8
1.1简介………………………………………………………………………………………8
1.2电路原理………………………………………………………………………………8
2时基电路…………………………………………………………10
3控制电路…………………………………………………………12
3.1简介…………………………………………………………………………………12
3.2单稳态触发器……………………………………………………………………………12
4倍频电路…………………………………………………………13
4.1简介………………………………………………………………………………………13
4.1锁相环的典型应用………………………………………………………………………13
5闸门电路…………………………………………………………15
6计数器……………………………………………………………15
7锁存器……………………………………………………………16
8显示译码器………………………………………………………17
8.1译码器………………………………………………………………………………17
8.2显示器……………………………………………………………………………………18
9设计方案…………………………………………………………19
9.1设计思路及原理…………………………………………………………………………19
9.2电路图…………………………………………………………………………………19
9.3电路说明……………………………………………………………………………19
9.4使用元件…………………………………………………………………………………20
结论………………………………………………………………21
参考文献…………………………………………………………23
附录………………………………………………………………24
引言
近年来,在电子技术中,频率和相位是最基本的参数,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,因此频率和相位的测量就显得更为重要.
在电子系统非常广泛应用领域内,到处可见到处理离散信息的数字电路。
供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。
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。
数字集成电路具有结构简单(如其中的晶体管是工作于饱和与截止2种状态,一般不设偏置电流)和同类型电路单元多(如一个计数系统需要很多同类型的触发器和门电路)的特点,因而容易是高集成度和归一化。
由于数字集成电路与电子计算机的发展紧密相关,因而发展很快,目前已是集成电路中产量最高、集成度最大的一种器件。
集成电路的类型很多,从大的方面可分为模拟和数字集成电路两大类。
虽然它们都可模拟具体的物理过程,但其工作方式有着很大的不同。
甚至可能完全不同。
电路中的工作信号通常是用电脉冲表示的数字信号。
这种工作方式的信号,可以表达2种截然不同的现象。
如以有脉冲表示“1”,无脉冲便表示“0”;以“1”表示“真”,则“0”便表示“假”,等等。
反之亦然。
这就是“数字信号”的含义。
所以,“数字量”不是连续变化的量,其大小往往并不改变,但在时间分布上却有着严格的要求,这是数字电路的一个特点。
数字式频率相位计基于时间或频率(相位)的A/D转换原理,并依赖于数字电路技术发展起来的一种新型的数字测量仪器。
由于数字电路的飞速发展,所以,数字频率计的发展也很快。
通常能对频率和时间两种以上的功能数字化测量仪器,称为数字式频率计(通用计数器或数字式技术器)
在电子测量技术中,频率和相位是一个最基本的参量,对适应晶体振荡器、各种信号发生器、倍频和分频电路的输出信号的频率测量,广播、电视、电讯、微电子技术等现代科学领域。
因此,数字频率相位计是一种应用很广泛的仪器.
通常频率相位计是由输入整形电路、时基电路、倍频电路、控制电路、分频器、计数器、锁存器、译码器、显示器等组成。
如图0-1,0-2
图0-1数字相位计原理图
图0-2数字频率计原理图
从原理图可知,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,其频率与被测信号的频率fx相同。
时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ,具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端,控制闸门的开放时间,被测信号I从闸门另一端输入,被测信号频率为fx,闸门宽度T,若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N,则被测信号频率fx=N/THz。
可见,闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,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.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.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;二是产生清“0”脉冲Ⅴ,使计数器每次测量从零开始计数。
关键词:
数字频率相位计,信号,周期
1放大整形电路
1.1简介
由于待测的信号是各种各样的。
由三脚波、正弦波、方波等,所以要使计数器准确计数,必须将输入波形进行整形,可用电压比较器完成。
1.2电路原理
如图1.2.1所示,电路采用电压比较器LM339。
LM339内有4个电压比较器,取其中的两个比较器即可。
两路信号分别接两个比较器同相输入端,将反相输入端接地,即构成过零比较电路。
两比较器输出即转换为脉冲信号,如图1.2.2所示。
将其中一路脉冲通过反相器74LS04取反后与另一路信号通过与门74LS08相与,可得一等脉宽的脉冲信号,此脉宽即记载着两输入信号之间的相位差,我们称之为相位差脉宽,合成波形如图1.2.3所示。
转换过程见图1.2.4。
图1.2.1
图1.2.2
图1.2.3
图1.2.4
其中,输入A整形后一要作为频率计的计数脉冲信号,连接到频率计的闸门,作为倍频电路输入频率信号,连接到倍频电路输入端。
二要与输入B整形后的波形合成,作为相位计的时基控制信号。
2时基电路
时基电路的作用是产生标准的时间信号,可以由555组成的振荡器产生,若时间精度要求较高时,可采用晶体振荡器。
555多谐振荡电路如图2.1所示。
采用555产生1000HZ振荡脉冲的参考电路如图2-1所示。
电阻参数可以由振荡频率计算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)求得。
若震荡器的频率f=1/(
+
)=0.8,则振荡器的输出波形如图2-2所示,其中
=1s,
=0,25s。
由公式
=0.7(R1+2R2)*C和
=0.7R2C,可计算和出R1、R2及电容C的值。
若取电容C=10uF,则R1=107k,R2=35.7k(取标称值36k)。
555多谐振荡电路产生的时基脉冲如图2.2所示。
图2-1
图2.2
3控制电路
3.1简介
74LS123是双可重触发单稳态触发器,其主要作用:
U1是将1Hz脉冲变成窄脉冲,将计数显示数据寄存显示;U2产生的窄脉冲式计数器的清零脉冲,相对于送数脉冲延时了100ns左右,以保证寄存器的数据正确。
3.2单稳态触发器
简要说明:
74LS123的输出脉冲宽度twQ可以由三种方法控制。
一是通过选择外定时元件CEXT和RT值,来确定脉冲宽度,二是通过正脉冲输入端(A)或负脉冲输入端(B)的重触发延长twQ,三是通过清除端(CLR)的清除使twQ缩小。
图3.2.1单稳态触发器74LS123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负脉冲输入端
B1、B2正脉冲输入端
1.外接电熔接在Cext(正)和Rext/Cext(正)之间
2.为了改善脉冲宽度的精确和重复性,可在Rext/Cext和Vcc之间外接电阻。
3.为了得到可变脉冲宽度,可在Rext/Cext和Vcc之间接可变电阻。
概述:
74LS123内有两组多谐振荡器,这个直流触发多振荡器的特点是由三种方法控制脉冲宽度,最基本的是选取外部的RC值来控制。
IC内部已经有一个定时电阻(内部时间选择电阻器只在LS122上),因此允许只外接定时电容使用。
其功能特点:
清零终止输出脉冲;为VCC和温度变化补偿;直流触发是高电平或电平逻辑输入。
4倍频电路
4.1简介
倍频电路一般由CC4046锁相环和分频电路组成。
由相位差计算公式可知,倍频系数A越大,测量精度就越高,测量越准确。
本电路采用A=3600的倍频电路,因此相位测量精度为N=360/3600=0.1°,可以满足实际需要。
倍频电路由锁相环集成电路CC4046和双BCD(Binary-CodedDecimalNotation)同步加法计数器74LS161组成。
电路框图如图4.1所示。
图4-1
四片同步加法计数器74LS161分别实现10分频、10分频、6分频和6分频。
分频器的输出信号与锁相环的输入信号fi相一致时,锁相环芯片锁存输出的信号频率为fo=Afi,从而实现倍频。
假如输入信号频率fi=10Hz,则输出频率fo=36kHz。
4.2锁相环的典型应用——频率合成
CC4046的引脚图如图4-2所示。
图4-2
锁相环的重要用途之一就是用作频率合成。
所谓频率合成是指将任一给定的频率f0(通常是由石英晶体振荡器产生的高稳定度的频率)变换成一系列新的频率f01、f02...f0n。
这些新的频率的稳定度与基准频率相当。
例如,f0的稳定度为10-6(即百万分之一),则一系列新频率的稳定度也达到10-6。
锁相环用于频率合成的原理方框图如图4-3所示。
我们已经知道,把分频器(÷N)插在锁相环压控振荡器vco的输出端与相位比较器的输入端之间,锁相环即可对输入频率进行准确的N倍频。
图3-10中,设晶体振荡器频率为f0,经过固定式分频电路(÷M)得到基准频率f1,再送至锁相环CC4046的相位比较器Ⅱ的信号输入端。
若由压控振荡器vco产生的频率信号为f2,经过一个可预置数的分频器,可得到f2′=f2/N(N为预先设定的分频系数),然后再送到相位比较器Ⅱ的比较信号输入端。
当CC4046相位锁定时,有关系式f2′=f1,即f2/N=f1,则f2=Nf1。
此时,锁相环输出信号的频率是输入信号频率f1的N倍。
图4-3
如果分频系数N是可变的,N=N1、N2⋯⋯Nn,例如能从1连续变化到999,这时即可得到999个不同的f2输出,从而实现了频率合成。
5闸门电路
闸门电路由与门组成,该电路有两个输入端和一个输出端,输入端的一端接门控信号,另一端接整形后的被测方波信号,闸门是否开通受门控信号的控制,当门控信号为高电平1时,闸门开启,而门控信号为低电平。
时,闸门关闭。
显然,只有在闸门开启的时间内,被测信号才能通过闸门进入计数器,计数器计数时间就是闸门开启时间。
可见,门控信号的宽度一定时,闸门的输出值正比于被测信号的频率,通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来,就可以得到被测信号的频率。
6计数器
构成10分频带电路是采用十进制计数器74LS90实现的。
用同步十进制计数器74LS90接成10000进制计数器。
74LS90引脚图如图6.1所示。
说明:
由图6-2可知,计数输入脉冲1CK0当第十个1CKO信号出入,由图6-1可知1Q3有出处脉冲,而1Q3又接至2CK0端,开始新的一轮十进制计数,有此可看出图6-1所示电路的分频系数为10×10×10×10,即为10000进制计数器。
图6-2
7锁存器
7.1锁存器原理
锁存器的作用是将计数器在一秒结束时所计的数进行锁存,使显示器能稳定地显示此时计数器的值。
选用74LS273可完成上述功能。
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的状态仍然保持原来的状态不变。
所以在计数期间,计数器的输出不会送到译码显示器。
图7.1.174LS273引脚图
说明:
内部有8个D触发器Q输出,R公共,CP公共复位CLR,低电平有效,当复位端是低电平时,输出脚Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7全部输出0,即全部复位;当复位CLR为高电平时,CLK脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当CLK有一个上升沿,立即锁存输入D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8的电平状态,并且立即呈现在在输出脚Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7上.
锁存集成有电平和边沿触发之分,设计时要充分考虑进去,内部构造大都采用D触发器形式,使用电平或者脉冲方式来触发。
而从前面的分析看,本次设计的锁存电路必须采用边沿触发方式的集成电路来实现,因为假如采用电平方式的话,那么在秒脉冲的正半周(既高电平)会使锁存器一直处于导通状态,不能正常显示测量值。
因此采用边沿触发就可以在极短的时间内将所需要的数据进行传送,而在其它时间内处于封闭状态。
8显示译码器
8.1译码器
可用74LS48实现。
74LS48引脚图如8.1.1所示
8.2显示器
为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据,目前广泛使用了七段字符显示器,或称做七段数码管。
这种字符显示器有七段颗发光的线段拼合而成。
常见的七段字符显示器为LED液晶显示器。
图8.2.1为LED液晶显示器。
这种数码管的每个险段都是一个发光二极管(LightEmittingDiode,简称LED),因而也把它叫做LED数码管或LED七段显示器。
发光二极管使用的材料与普通的硅二极管不同,有磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等几种,而且半导体中的杂质浓度很高。
在BS201A等一些数码管中还在右下角处增加了一个小数点,形成了所谓八段数码管,此外八段发光二极管的阴极是做在一起的,属于共阴极类型。
为了增加使用的灵活性,在同一规格的数码管一般都有共阴极和共阳极两种类型和供选用。
半导体数码管不仅具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等优点,而且响应时间短(一般不超过0.1μs),亮度也比较高。
它的缺点是工作电流比较大,每一段的工作电流在10mA左右。
9设计方案
9.1设计思路及原理
数字频率相位计是用于测量信号(方波、正弦波或其它脉冲信号)的频率及两个波形相同相位不同信号的相位差,并用十进制数字显示,它具有精度高,测量迅速,读数方便等优点。
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。
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。
脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数,其表达式为f=N/T,其中,f为被测信号的频率,N为计数器所累计的脉冲个数。
T为产生N个脉冲所需的时间。
计数器所记录的结果,就是被测信号的频率。
如在1S内记录1000个脉冲,则被测信号的频率为1000Hz。
用单稳态触发器产生指令和清零信号,对置零信号而言,当达到所调节的延时时间时,延时电路输出一个复位信号,使计数器和所有的触发器量0,为后续新的一次取样作好准备,即能锁住一次显示的时间,使保留到接受新的一次取样为止。
用9片十进制计数器74ls90完成对整形后的待测信号的计数,通过74ls273寄存,便于数码管显示,用74ls48和其驱动的共阴极的半导体数码管作为主要显示电路。
另外,信号的放大部分还可以用三极管放大电路来完成,而整形部分可用比较器来完成。
控制门用一个与门即可实现。
两个单稳态触发器完全一样,均可用74LS123来做。
锁存电路用四路锁存器74LS273来完成。
9.2电路图
见附录图
9.3电路说明
整形部分:
由于待测的信号是各种各样的。
由三脚波、正弦波、方波等,所以要使计数器准确计数,必须将输入波形进行整形,本电路采用7555电路构成的施密特触发器将输入波形进行整形。
时基电路:
由时基电路产生频率为10M精确脉冲,再由分频器产生相应的频率脉冲,来控制计数器计数的时间。
本电路的时基电路由石英晶体振荡器构成。
倍频频电路:
测相位可转化为测频率完成。
倍频器的作用是为了获得相位的输入频率。
倍频电路一般由CC4046锁相环和分频电路组成。
电路首先对任意一个输入信号进行相对于量程的倍频得到相对应的周期脉冲信号。
由此获得测量相位频率的输入频率。
再利用两相输入信号合成的相位差去控制计数器的计数时间可以获得在相对于量程时间内通过计数器的被测脉冲的数目,即两相输入信号的相位差。
控制电路:
74ls123是单稳态触发器,起主要作用:
U1时将1Hz脉冲变成窄脉冲,将计数器数据寄存显示;U2产生的窄脉冲式计数器的清零脉冲,相对于送数脉冲延时了100ns左右,以保证寄存器的数据正确。
计数锁存译码显示:
本电路由4片十进制计数器74ls160构成,在确定的时间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。
本电路采用74ls273为寄存器,将计数器的结果锁存,便于数码显示器的持续显示。
另外本电路采用74ls48和其驱动的共阴极的半导体数码管。
9.4使用的元器件
元件名称
规格及用途
数量
555
定时器
1
74ls273
锁存器
5
74ls48
译码器
9
74ls161
计数器
4
74ls123
双可重触发单稳态触发器
4
74LS90
十进制计数器
9
74ls00
与非门
4
74ls04
非门
1
74ls08
与门
1
Lm339
比较器
2
74ls12
三输入与门
3
CC4046
锁相环
1
七段显示器
显示频率值
9
电阻
100kΩ,39kΩ,47kΩ
各1个
电阻
10kΩ
6
电容
1000pF,10uF,
各1个
电容
10pF,4.7uF
各2个
开关
2
结论
数字频率计是数字电路中的一个典型应用,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(CPLD)的广泛应用,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。
本文用VHDL在CPLD器件上实现一种8b数字频率计测频系统,能够用十进制数码显示被测信号的频率,不仅能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率,而且还能对其他多种物理量进行测量。
具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。
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、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率,而且还可以测量它们的周期。
经过改装,可以测量脉冲宽度,做成数字式脉宽测量仪;可以测量电容做成数字式电容测量仪;在电路中增加传感器,还可以做成数字脉搏仪、计价器等。
因此数字频率计在测量物理量方面应用广泛。
本设计用VHDL在CPLD器件上实现数字频率计测频系统,能够用十进制数码显示被测信号的频率,能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率,而且还能对其他多种物理量进行测量。
具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器
在本次课程设计中,首先要感谢徐老师的指导,其次是许多同学给予我的帮助。
在本次课程设计中,我深刻地体会到理论联系实际的重要性。
把所学的知识运用到时际中,解决实际问题,需要有综合与创新能力。
同时,也加深了我对电力电子技术课程的理解,强化了我对相关知识的记忆,提高了我对相关知识的应用。
这极大扩展了我的视野,更加激发了我对这门课程的热爱。
因此,在这次课程设计中,我的这两个能力得到充分的培养。
不但巩固了以前学到的知识,而且学到了许多课外知识,如掌握了word、protel、Multisim软件的应用,学会了相关材料的检索以及加强了计算机应用能力等。
参考文献
[1]康华光主编.电子技术基础(模拟部分)第四版.北京:
高等教育出版社,1999。
[2]康华光主编.电子技术基础(数字部分)第四版.北京:
高等教育出版社,1999
[3]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:
高等教育出版社,1997
[4]毕满清.电子技术实验与课程设计[M].北京:
机械工业出版社,1995
[5]陈明义.电工电子技术课程设计指导[M].长沙:
中南大学出版社,2002
[6]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京:
电子工业出版社2000
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- 数字式 频率 相位