课程设计任务书简单数字频率计的设计与制作.docx
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课程设计任务书简单数字频率计的设计与制作
学号:
0121211350214
课程设计
题目
简单数字频率计的设计和制作
学院
自动化学院
专业
电气工程及其自动化
班级
电气1202班
姓名
许萌
指导教师
石道生
2014
年
6
月
25
日
课程设计任务书
学生姓名:
许萌专业班级:
电气1202班
指导教师:
石道生工作单位:
武汉理工大学
题目:
简单数字频率计的设计与制作
初始条件:
(1)要求用直接测量法测量输入信号的频率
(2)输入信号的频率为1~9999HZ
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
(1)设计任务及要求
(2)方案比较及认证
(3)系统框图,原理说明
(4)硬件原理,完整电路图,采用器件的功能说明
(5)调试记录及结果分析
(6)对成果的评价及改进方法
(7)总结(收获及体会)
(8)参考资料
(9)附录:
器件表,芯片资料
时间安排:
6月16日~6月19日:
明确课题,收集资料,方案确定
6月19日~1月23日:
整体设计,硬件电路调试
6月23日~6月26日;报告撰写,交设计报告,答辩
指导教师签名:
2014年6月日
目录
摘要及设计要求1
第一章系统概述2
1.1数字频率计的基本原理2
1.2数字频率计设计的系统框图
1.3系统各部分功能论述
1.3.1波形放大电路
1.3.2波形整形电路
1.3.3时控电路
1.3.4计数电路
13.5译码显示电路
第二章单元电路的设计与分析
第三章系统综述,总体电路图
3.1数字频率计设计原理图
3.2参数及误差
第四章总结
参考文献
附录.....................................................................................................................
答疑..............................................................................................................................................
个人的收获及感想..............................................................
摘要
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。
它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。
它的基本测量原理是,首先让被测信号与标准信号一起通过一个闸门,然后用计数器计数信号脉冲的个数,把标准时间内的计数的结果,用锁存器锁存起来,最后用显示译码器,把锁存的结果用LED数码显示管显示出来。
本文设计的是要求用直接测量法测量输入信号的频率,并且能够直接地显示频率在1Hz至9999Hz范围内的被测信号的频率。
根据数字频率计的基本原理及设计的基本要求,本文设计的基本思想是分为五个模块,即放大电路、整形电路、定时电路、计数电路和译码显示电路。
其中放大电路是由集成运算放大器和几个电阻组成的,整形电路是由555定时器构成的斯密特触发器组成,定时电路是由555定时器构成的单稳态触发器组成,计数电路是由四块74LS160芯片组成,译码显示电路是由四块74LS48芯片及四块数码管组成。
整个设计电路可以显示被测信号的频率,并且还有清零端,当测完一个被测信号后,通过一个开关就可以清零,为下次测量做准备。
整机元件少、成本低、易于制作。
可扩展性强,若需增大测频范围,只需增加数码管与驱动块即可。
全部采用通用元件,易于购买与制作。
整个课题完成的整个过程是我先设计电路,然后通过功能强大的multisim软件仿真得出正确结果,最后去电子市场购买所需电子器件,并组装成完整电路实现频率计数的功能,其中我设计电路时就已经计划好了所买器件必须要便宜并且易于购买,最后撰写论文。
关键词:
计数器multisim软件74LS160555定时器
简单数字频率计的设计和制作
1.1数字频率计的基本原理
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。
1.2方案一
方案一为利用锁存器和计数器设计的数字频率计。
其基本原理是待测信号经过放大整形成幅值变大频率不变的方波脉冲,与时基电路产生的标准时基信号进入门闸电路,时钟电路控制计数器的计数与保持状态,高电平计数,低电平计数器处于保持状态,数据进入锁存器进行锁存显示。
其原理框图如下所示:
方案二
方案二为利用时控电路与计数器设计的数字频率计。
其基本原理是待测信号经过放大整形成幅值变大频率不变的方波脉冲,与时控电路中555构成的单稳态触发器定时产生的标准1s信号同时送入计数器,使计数器在标准1s内对待测信号内含有的脉冲数进行计数,并译码显示;同时利用时控电路里的单刀双掷开关,根据芯片逻辑功能对计数器进行清零,以便计数。
其原理框图如下所示:
方案分析与选择
两个方案最大的区别在于时控电路对计数的控制以及译码信号的锁存。
方案一的实际原理偏复杂,用multisim可以仿真出正确的结果,但是由于较方案二多出两块锁存器芯片,增添了实物操作、调试时的负担。
方案二的核心设计知识均来自于课本,整体结构简单,元器件数目少、常见易用,能够通过仿真验证其功能实现的正确性,并且设计有清零端口使实际运用时操作更直接。
综合考虑设计原理难易程度、制作与调试易实现程度、元器件使用难易三方面,选择方案二。
3单元电路设计与分析
3.1放大电路
为了能测量不同电平值与波形的周期信号和频率,必须对被测信号进行放大与整形处理,使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。
由运算放大器使信号幅值扩展,其放大倍数为R3/R1。
放大电路的连接图如图所示:
图3放大电路连接图
3.2整形电路
波形的整形用到了555构成的施密特触发器,利用其波形变换、整形的功能将三角波、正弦波等变成矩形波,整形后变为较理想的方波脉冲。
整形电路的连接图如图所示:
图4整形电路连接图
3.3时控电路
本文的时控电路是由单稳态触发器和一个与门组成的,而单稳态触发器是由555定时器组成,通常单稳态触发器的作用有定时、延时和噪声消除,本文是利用它的定时作用,即只有在单稳态触发器脉冲时间内,输入信号才有可能通过与门。
假设输入信号经过放大整形成了被测信号,时控电路使之在输出脉冲时间内进入计数器计数,以测出被测信号频率。
时控电路的连接图如图所示:
同时,利用时控电路的单刀双掷开关SW1对计数器进行清零,方便下一次计数。
图5时控电路连接图
该部分单元电路用到了与门74LS08,其引脚图和功能表如下图所示:
图674LS08引脚图
表174LS08功能表
3.4计数电路
本文要求测出频率为1~97999HZ的输入信号的频率所以必须要求构成一个四位十进制计数器。
4LS160是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器。
图774LS160的引脚图
表274LS160芯片的功能
H——高电平L——低电平上升沿——从低到高跳变X——任意
异步清零RD为低电平时,不管始终端CP信号状态如何,都可以完成清零功能。
160的预置是同步的,当置入控制器为低电平时,在CP上升沿作用下,输出端Q0~Q3与数据输入端P0~P3一致。
对于74160,当CP由低至高跳变或跳变前,如果计数器控制端CEP\CET为高电平,则PE应避免由低至高电平的跳变,而74LS160无此种限制。
160的计数是同步的,靠CP同时加在四个触发器上而实现的。
在不外加门电路的情况下,可以级联成为N位同步计数器。
本设计利用其计数功能,运用四个74LS160,将ENP/ENT与下一位的RCO连接,级联成一个4位10进制计数器。
其连接图如下图所示:
图8计数电路连接图
3.5译码显示电路
它将正弦波输入信号整形成同频率的方波,系统的整形电路由施密特触发器构成,整形后的方波送到闸门一遍计数。
整形电路的电路图如图所示:
本设计中译码与显示电路译码器选用74LS48,为共阴型译码器,故选用共阴型数码管。
引脚图与功能表如下所示:
图974LS48引脚图
共阴极数码管的接地端接低电平,其他a.b.c.d.e.f.g与译码器相应的引脚相连如下图:
图10译码显示电路的连接图
表374LS48功能表
4总体电路设计与分析
4.2电路仿真与调试
本设计的简单频率计数器分为五个模块,分别是信号放大模块、信号整形模块、时控电路模块、计数模块、译码显示模块。
其中信号放大与整形模块属于模拟电子技术
的范畴,时控、计数与译码显示属于数字电子技术的范畴。
为了保证单元电路设计的正确性,使用Proteus绘制时查阅了大量资料,并对每个模块进行了仿真,利用内部的虚拟示波器进行检测与监控,直到每个模块都能实现各自的功能。
例如,对待测信号为500HZ正弦波的放大整形单元进行仿真测试与监控,证明电路设计与连接的正确性:
图12放大整形电路仿真连接图
图13放大整形电路仿真波形图(ChannelA)
当输入一频率为500HZ幅值为1V的正弦波,仿真的步骤是,在Proteus软件仿真页面中确保开关SW1和SW2接高电平,点击左下端的"play"开始进行仿真,此时显示器显示为"0000",触发开关SW2使其有高电平到低电平,即再一次下降沿时触发它,开始仿真。
一段时间稳定后显示所测信号的频率501HZ。
加入的实际信号频率为500HZ,仿真存在一定的误差,误差为(501-500)/(500)*100%=0.2%,另测了3组数据分别是300HZ下测出302HZ,689HZ下测出691HZ,991HZ下测出994HZ,以上数据可以在误差范围内可以证明电路的正确性。
附录-1-2
施密特触发器的构成
施密特触发器也有两个稳定状态,但与一般触发器不同的是,施密特触发器采用电位触发方式,其状态由输入信号电位维持;对于负向递减和正向递增两种不同化方向的输入信号,施密特触发器有不同的阀值电压。
门电路有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压,在输入信号从高电平下降到低电平密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压,在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
它是一种阈值开关电路,具有突变输入——输出特性的门电路。
这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化(低于某一阈值)而引起的输出电压的改变。
斯密特波形图
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把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。
输入的信号只要幅度大于vt+,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
555定时器
555定时器是一种集成电路[如图2-1-3所示],因集成电路内部含有三个5千欧电阻而得名利用555定时器可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
本次设计我采用555定时器构成施密特触发器,因为它只需将2号脚和六号脚连在一起作信号的输入端,即可方便地构成施密特触发器。
图2-1-3CB555的电路结构
只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起,就可以构成施密特触发器。
可以简记为“二六一搭”。
如图2-1-4
图2-1-4施密特触发器连接图
参考文献:
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机械工业出版社,2005
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[9]任中民.数字电子技术[M].清华大学出版社.2005年
答疑
1.电路中的施密特触发器的作用?
答:
施密特触发器可以将放大电路的其他波形转化为方波,便用计数。
2整个电路的原理?
答:
数字频率计主体是10进制的数字钟,外面输入一个信号,检测它,然后显示数据后用锁存器锁住,并用显示屏显示处理来。
因为外面信号电压低,为了让电路检测到必须用一个放大电路,并把波形转化为方波,然后准备一个阀门电路作为对比。
个人的收获以及感想:
当题目公布下来时,自己首先通过翻阅资料了解了它的原理,因为开始这学期对模电的部分知识已忘记,第一部分的放大电路的电阻用多大,让我纠结了很久,所幸后来计算成功,第二就是数电课上对施密特触发器也只讲了个原理,很多部分我也不是很了解,在这个过程中查阅了一些资料,了解了它的原理。
同时也学会使用了这个仿真软件,虽然在实际操作过程中,出现了很多错误,但是最后自己慢慢发现错误,一一改正最后终于调试成功。
在这个过程中我发现自己的动手能力得到极大的提高,自己的专业知识也得到巩固。
最后自己对如何提高数字频率计的精度还有很大兴趣,希望以后自己能慢慢了解这方面的知识
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- 课程设计 任务书 简单 数字频率计 设计 制作