简易数字频率计.docx
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简易数字频率计
简易数字频率计设计
摘要
在电子领域内,频率是一种最基本的参数,并与其他许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的测量精度。
因此,频率的测量就显示得尤为重要,测频方法的研究越来越受到重视。
频率计作为测量仪器的一种,常称为电子计数器,它的基本功能是测量信号的频率和周期,频率计的应用范围很广,它不仅应用于一般的简单仪器测量,而且还广泛应用于教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其他领域。
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。
它是一种用十进制数字,显示被测信号频率的数字测量仪器。
它的基本功能是测量正弦信号,方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。
在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量迅速,精度高,显示直观,所以经常要用到数字频率计。
下面我们就来设计一种简易数字频率计。
数字频率计的设计包括时基电路、整形电路、控制电路和计数显示电路四部分组成。
由时基电路产生一标准时间信号控制阀门,调节时基电路中的电阻可产生需要的标准时间信号。
信号输入整形电路中,经过整形,输出一方波,通过阀门后,计时器对其计数。
当计数完毕,时基电路输出一个上升沿,使锁存器打开,计数器计数结果输入译码器,从而让显示器显示,达到测量频率的目的。
关键词时基电路闸门电路计数锁存电路显示电路
1设计概述
1.1整体功能要求
1.1.1系统结构要求:
数字频率计的整体结构要求如图所示。
图中被测信号为外部信号,送入测量电路进行处理、测量,档位转换用于选择测试的范围,,若测量范围不合适则进一步选择档位。
图1-1数字频率计整体方案结构方框图
1.1.2电气指标
被测信号波形:
正弦波、三角波和矩形波。
测量频率范围:
分四档:
*1,*10,*100,*1000
1.2整体设计方案
1.2.1算法设计
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。
可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。
图2
-2是根据算法构建的方框图。
图1-2测频法测量原理
被测信号
图1-3频率测量算法对应的方框图
在测试电路中设置一个闸门产生电路,用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。
改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。
让被测信号送入闸门电路,当1s闸门脉冲到来时闸门导通,被测信号通过闸门并到达后面的计数电路(计数电路用以计算被测输入信号的周期数),当1s闸门结束时,闸门再次关闭,此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数,即为被测信号的频率。
测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关,因此,为保证在1s内被测信号的周期量误差在10̄³量级,则要求闸门信号的精度为10̄⁴量级。
例如,当被测信号为1kHz时,在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次,由于闸门脉冲精度为10̄⁴,闸门信号的误差不大于0.1s,固由此造成的计数误差不会超过1,符合5*10̄³的误差要求。
进一步分析可知,当被测信号频率增高时,在闸门脉冲精度不变的情况下,计数器误差的绝对值会增大,但是相对误差仍在5*10̄³范围内。
1.2.2整体方框图及原理
图1-4整体方框图
输入电路:
由于输入的信号可以是正弦波,三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波,所以需要设计一个整形电路则在测量的时候,首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
频率测量:
被测信号经整形后变为脉冲信号(矩形波或者方波),送入闸门电路,等待时基信号的到来。
时基电路产生一个标准的时基信号,作为闸门开通的基准时间。
被测信号通过闸门,作为计数器的时钟信号,计数器即开始记录时钟的个数,这样就达到了测量频率的目的。
2单元电路设计
2.1整形电路
整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求的脉冲信号。
电路形式采用由555所构成的施密特触发器。
当输入被测波形后,经过整形电路后,输出可以被计数器计数的矩形波。
从而达到整形目的,其图示如图2-1
图2-1整形电路
2.2时基电路
时基信号控制计数器计数的标准时间信号,其精度在很大程度上决定了频率计的频率测量精度。
要求较高时,一般使用晶体振荡器通过分频获得。
在本设计中依然使用了555定时器构成了单稳态触发器,输入单脉冲,输出一标准时间信号,从而在时间上控制计数器计数的时间。
在此频率计中,时钟信号采用由555构成的单稳态触发器。
由一个按钮开关来产生脉冲源,其原理为悬空为高电平,按下开关产生低电平,松开又为高电平,从而产生一单脉冲。
图2-2单脉冲产生图2-3产生的波形
产生的单脉冲经单稳态触发电路,可以输出一标准时间信号。
通过调节R值可确定Tw的宽度。
通过确定Tw不同的宽度,从而达到换档的目的。
其计算公式为Tw=1.1RC。
其中确定C=0.001F。
当Tw等于1S、0.1S、0.01S和0.001S时,可求出R分别为909Ώ、90.9Ώ、9.09Ώ和0.909Ώ。
图2-4Tw示意图
同时在控制锁存器方面,在输出上加一个非门,在标准时间计数完毕,输出的是一个上升沿,此时打开锁存器,让计数器的计数结果通过锁存器。
在计数时,数码管上面一直显示数字,由于频率大,那么会发现数字一直在闪动。
通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示,计完数后,让数码管显示计数器计到的数字的功能。
图2-5时基电路图
2.3计数器
电路中的计数电路应用了四片74LS290异步计数器,它是二-五-十进
制计数器。
是下降沿触发计数。
它的工作原理是当6和5引脚有接地,4和3引脚全部接高电平时清零,所以此电路把5和6引脚接地,把所有4和3引脚接在一起连在一个开关上,开关接地,当开关打开,计数器清零。
开关合上,计数器正常工作。
图2-6计数器电路图
2.4锁存器
锁存器的作用是将计数器在计数时间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。
选用8D锁存器74LS273可以完成上述的功能,当时钟脉冲CP的正跳变来到时,锁存器的输入等于输出,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Q不变,所以计数期间,计数器的输出不会送到译码显示器。
图2-7一个锁存器的电路图
2.5译码显示器
图2-8译码显示器电路图
译码显示用4片74LS48驱动的7段LED显示
74LS48是控制七段显示器显示的集成译码电路之一,A、B、C、D为BCD码输入端,A为最高位,Ya~Yg为输出端,分别驱动七段显示器的a~g输入端,高电平触发显示,可驱动共阴极发光二极管组成的七段显示器显示。
其它端为使能端。
它的使能端的功能如下:
一消隐输入BI‘/RBO’。
当BI=0时,不论其它各使能端和输入端处于何种状态,Ya~Yg均输出低电平,显示器的七个字段全熄灭。
这个端子是个双功能端子,既可作输入端子,也可作输出端子。
作输入端子用时,它是消隐输入BI,作输出端子用时,它是灭零输出RBO。
二灭零输出BI/RBO。
RBO为灭零输出,当RBI=0,输入ABCD=0000时,RBO=0,利用该灭零输出信号可将多位显示中的无用零熄灭。
3总体电路图
图3-1整体电路图
4总结
接控制电路,完成了整张电路图的设计。
通过为期短短一周的课程设计,完成了本次简易数字频率计设计的技术要求,刚开始设计的时候,由于控制电路这部分比较难搞定,所以在连接电路的时候,就会停下来设计控制电路,为了提高效率,在实际的操作中,先连好时基电路,分频电路测试通过后,再把显示电路和计数电路连好,调测符合要求。
最后连连接电路图。
这次课程设计,是一次理论与实践的结合,也可以说让我们平时的积累得到一次施展,加深了对电子技术的理解,明白了所学知识的重要性和自己理论知识的欠缺,增加了自己对所学课程的兴趣。
因为以前没有做过类似的设计,在最初拿到题目的时候感到有些无所适从,但经过查阅过一些资料和看一些相关的例子,思路才逐渐清晰,能够按照自己的思路设计出自己的电路图,并用奥腾画出图形,这让我感到平时知识积累的重要性。
在拿到题目后,有些平时不努力的同学尽管很用心的去做,但也很难设计出自己的电路。
但那些基础好的同学却能较容易的做出来,所以说今后我要把平时的学习做得更好,知识的获得不是一朝一夕的,只能到平时的积累。
最后,我能顺利完成这次课程设计,不仅要感激老师平时的教导,尤要感谢指导老师的耐心指导,使他的指导才让我们的设计更加完善合理,并让我们从中学到很多实践知识。
参考文献
[1]何小艇,电子系统设计[M],浙江,浙江大学出版社,2001年6月。
[2]姚福安,电子电路设计与实践[M],山东,山东科学技术出版社,2001年10月。
[3]王澄非,电路与数字逻辑设计实践[M],东南大学出版社,1999年10月。
[4]李银华,电子线路设计指导[M],北京,北京航空航天大学出版社2005年6月。
[5]康华光,电子技术基础[M],高教出版社2003年。
附录1
表5-1555引脚表
表5-2555功能表
输入
输出
X0
X1
0
导通
<(2/3)VCC
<(1/3)VCC
1
截止
>(2/3)VCC
>(1/3)VCC
1
导通
<(2/3)VCC
<(1/3)VCC
不变
不变
附录2
图5-274LS48引脚图
表5-374LS48功能表
输入
输出
A3A2A1A0
a
b
c
D
E
f
g
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
×
×
×
×
×
×
×
×
×
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0*
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
10
11
12
13
14
15
1
1
1
1
1
1
×
×
×
×
×
×
1010
1011
1100
1101
1110
1111
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
LT
×
1
0
×
0
×
×××
0000
×××
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
附录3
表5-474LS273功能表
图5-374LS273引脚图
附录4
图5-474LS290引脚图
表5-574LS290功能表
复位输入
输出
R0
(1)
R0
(2)
R9
(1)
R9
(2)
QD
QC
QB
QA
H
H
L
X
L
L
L
L
H
H
X
L
L
L
L
L
X
X
H
H
H
L
L
H
H
L
H
L
计数
H
X
L
X
计数
L
X
X
L
计数
X
L
L
X
计数
附录5
表5-6元件清单
开关
三个
导线
若干
电阻
若干
电源
若干
74LS48
4个
74LS290
4个
74LS273
2个
74LS00
1个
七段数码显示器
4个
555
2个
电容
两个
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