課程設(shè)計——數(shù)字頻率計

1、貴州大學(xué)課程設(shè)計 第14頁目錄目錄1簡易數(shù)字頻率計2摘要2前言2本論2一、數(shù)字頻率計設(shè)計原理21.基本原理22. 頻率計的基本組成框圖33.邏輯控制電路44.鎖存器65.脈沖形成電路66.閘門電路、77.擴展電路8二、設(shè)計內(nèi)容與要求9三、電路設(shè)計與測試9四、測試數(shù)據(jù)與誤差分析11總結(jié)12致謝12參考文獻12附錄13簡易數(shù)字頻率計摘要數(shù)字頻率設(shè)計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。他的基本功能是測量正弦信號、方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。而且還可以測量他們的周期。經(jīng)過改裝，可以測量脈沖寬度，做成數(shù)字式脈寬測量

2、儀；可以測量電容做成數(shù)字式電容測量儀；在電路中增加傳感器，還可以做成數(shù)字脈搏儀、計價器等。因為數(shù)字頻率計在測量方面有廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵字：數(shù)字頻率計，Proteus，課程設(shè)計，邏輯電路，譯碼器。前言隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，信號作為其最基礎(chǔ)的元素，其頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要，而且需要測頻的范圍也越來越寬。數(shù)字頻率計是主要用來顯示被測頻率的大小的裝置，其廣泛應(yīng)用于許多設(shè)計復(fù)雜、功能多樣的電子設(shè)備中，雖然其功能復(fù)雜，但是使用起來既簡單又方便。本課程設(shè)計是為了達到學(xué)以致用的能力，把所學(xué)的電子技術(shù)應(yīng)用到實際生活中去，鞏固學(xué)生所學(xué)知識等而進行的。課程設(shè)計既要理論聯(lián)系實際，又要通過學(xué)生自

3、己的設(shè)計對理論知識牢固而靈活的掌握，著重培養(yǎng)了學(xué)生的實際動手能力。本論一、數(shù)字頻率計設(shè)計原理1.基本原理數(shù)字頻率計是直接用十進制數(shù)字來顯示被測量信號頻率的一種測量裝置，它不僅可以測量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。測頻的基本原理是，若T為時間間隔，N為T內(nèi)測得的周期信號重復(fù)變化次數(shù)，則其頻率可表示為f=。計數(shù)譯碼顯示閘門電路脈沖形成電路fx門控電路時基信號發(fā)生器頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率

4、值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以適當?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。因此，數(shù)字頻率計是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。2. 頻率計的基本組成框圖簡易數(shù)字頻率計的組成框圖和波形圖如下所示。 a 圖表 1 b譯碼顯示器鎖存器計數(shù)器閘門電路器時基電路放大整形電路邏輯控制電路x鎖存計數(shù)清“0”TxN主要功能：4位十進制數(shù)顯示、小數(shù)點自動定位；主要技術(shù)指標頻率測量范圍

5、1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ； 頻率準確度 -3；被測信號幅度Vxm=0.2V5V（正弦波、方波、三角波）3.邏輯控制電路根據(jù)圖1（b）所示時序波形，在標準信號結(jié)束時所產(chǎn)生的負跳變用來產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號的負跳變又用來產(chǎn)生清“0”信號，他們的脈沖寬度由本身電路的參數(shù)所決定。因此這兩個脈沖信號和可以由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，其電路圖如圖2所示，其中74LS123是集成電路可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)定觸發(fā)器，其內(nèi)部有兩個完全獨立的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。74LS123的功能表如表3所示。圖表 2圖表 3設(shè)鎖存信號和清“0”信號的脈沖寬度tw相同，如果tw=0.02s,可由式tw=0

6、.45RextCext來計算時間常數(shù)RextCext=0.02s時的值。因為tw=0.45RextCext=0.02s若取Rext=10K,則Cext=tw/0.45Rext=4.4F取標準值4.7F。當CLR=1，觸發(fā)脈沖從A輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端Q可獲得一正脈沖，Q非端可獲取一負脈沖，其脈寬tw由Rext決定。4.鎖存器鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時的計數(shù)值進行所存，使顯示器上獲得的穩(wěn)定的測量值。因為計數(shù)器在1s內(nèi)要計成千上萬個輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將隨計數(shù)器的輸出而變化，不便于讀數(shù)。1s計數(shù)時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號IV，將計數(shù)器此時的值送

7、譯碼顯示器，因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。選用鎖存器74ls273可以完成上述鎖存功能。如圖4所示，采用2片74ls273構(gòu)成的16位二進制的輸出鎖存器的連接電路。當時鐘脈沖信號CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D，從而將4個十進制計數(shù)器即個位、十位、百位及千位的輸出值送到鎖存器的輸出端。由鎖存器74ls273的功能可知，正脈沖結(jié)束后，無論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以在計數(shù)時間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。圖表 45.脈沖形成電路脈沖形成電路的作用是將輸入的周期性信號如正弦波、三角波或者其他周期性變化的波形變換成脈沖波，其周期不變。將其他波形變換成脈

8、沖波的電路有多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，其中施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較多。構(gòu)成施密特觸發(fā)器的器件有運算放大器、集成邏輯門、集成觸發(fā)器、集成定時器555等。我采用的是集成定時器555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，其電路圖如圖5所示。圖表 5圖中R10與R11的作用是將被測信號進行移動。因為集成定時器555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平VT+=2Vcc/3,下觸發(fā)電平VT=Vcc/3.回差電平VT為VT=VT+VT即 VT=1/3Vcc6.閘門電路、閘門電路的作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖。當標準信號（1s正脈沖）來到時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)；標準時間脈沖結(jié)束時（為低電平時

9、），閘門關(guān)閉，計數(shù)器無時種脈沖輸入?？梢婇l門電路的邏輯功能可以由一個與非門來完成，如圖6所示。標準時間為1s的脈沖是由定時器555構(gòu)成的多振蕩器電路產(chǎn)生的（當標準時間的精度要求較高時，應(yīng)通過晶體振蕩器分頻獲得），取振蕩器的頻率=0.67Hz，則振蕩器的輸出波形如圖所示，其中T=（R+R）Cln20.7（R+R）C可以計算電阻R1、R2及電容C的值，即 T=0.7（R+R）C T=0.7RC若取電容C=10F，則 R6= =35.7K R7=107.2K圖表 67.擴展電路擴展電路的功能是使數(shù)字頻率計對頻率范圍和電壓范圍更寬的信號都能進行測量。（1） 擴展電路的頻率范圍。擴展測量頻率范圍電路可以

10、實現(xiàn)測量范圍的自動切換。其工作原理是：當計數(shù)器計滿時，最高位產(chǎn)生進位單位脈沖Qcc,，使多路數(shù)據(jù)選擇器的地址計數(shù)器加1，多路數(shù)據(jù)選擇器將選通下一路數(shù)據(jù)輸入信號，即為上一次頻率的1/10的分頻信號，因此只要將顯示器的數(shù)乘以10就得到被測頻率值，這可以通過移動顯示器上的小數(shù)點位置來實現(xiàn)。（2） 擴展被測信號的幅度范圍。采用如圖7所示電路，可以擴展被測信號的幅度范圍。當輸入信號Vx的幅度較大時，可以先經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，在經(jīng)過相同運算放大到施密特整形電路所需的信號幅度。當輸入信號的幅度太小，如數(shù)毫伏時，則可直接進行線性放大，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形。圖表 7二、設(shè)計內(nèi)容與要求(1) 被測信號的頻率范圍為

11、1Hz999KHz，分為4個檔位：1Hz,10Hz,100Hz,1KHz。(2) 被測信號幅度Vxm=0.5(正弦波、三角波、方波)。(3) 用3為數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，測量誤差小于10%。(4) 設(shè)計頻率計相應(yīng)的單元電路。(5)設(shè)計頻率計的整機電路并畫出框圖和總電路圖。三、電路設(shè)計與測試（1）計數(shù)、顯示電路如圖8所示。圖表 8（2根據(jù)各電路原理及功能，設(shè)計出總電路圖如圖8所示。圖表 9四、測試數(shù)據(jù)與誤差分析實驗數(shù)據(jù)如下表所示：實際數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)誤差誤差百分比5Hz5 Hz00150Hz149Hz1Hz0.67%400Hz396Hz4Hz1%515Hz510Hz5Hz0.9%1000Hz996Hz

12、4Hz0.4%1.5kHz1.5kHz003kHz3kHz004.5kHz4.5kHz005kHz5kHz009kHz9kHz0012kHz11.9kHz100Hz0.8%20kHz20kHz0050kHz50kHz0095kHz94.9kHz100Hz0.1%120kHz121kHz100Hz0.08%200kHz200kHz00500kHz500kHz00950kHz949kHz1000.1%圖表 10總結(jié)數(shù)字頻率計是數(shù)字電路中一個典型的應(yīng)用，實際的硬件設(shè)計用到的器件較多，連線比較復(fù)雜，而且會產(chǎn)生較大的延時。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，將使整個系統(tǒng)大大簡化，提高整體性能。通過本次課程

13、設(shè)計，對仿真軟件更好的掌握了，了解了數(shù)字頻率計測頻率與測周期的基本原理，熟練掌握數(shù)字頻率計的設(shè)計與調(diào)試方法及減小測量誤差的方法，鍛煉了我們的動手思考能力和創(chuàng)新思想，為以后的學(xué)習(xí)更深的知識和工作打好了堅實基礎(chǔ)。致謝感謝老師對我相關(guān)知識的傳授和課程設(shè)計的指導(dǎo)，感謝同學(xué)在課程設(shè)計中對我的問題的解答和幫助，有了老師和同學(xué)的幫助，才是我這次課程設(shè)計得以完成。通過本次課程設(shè)計，我對Proteus軟件的應(yīng)用更好的掌握了，用這個軟件完成對電路的設(shè)計。在設(shè)計中我們隊很多方面的設(shè)計總是不理想，但通過向同學(xué)的請教、自己的查找資料，以及與一些老師的交流，設(shè)計出了合適的電路。當把所設(shè)計的所有分塊電路組合起來卻出現(xiàn)了一些

14、問題，這些問題可能是在設(shè)計之初沒有考慮到全局的各各方面導(dǎo)致的。但是憑借對軟件的掌握，對電子技術(shù)課程的透徹理解，讓我改進了電路，基本上完成了指標。讓我感到了成功的喜悅。通過該課程設(shè)計，我對于數(shù)字電子技術(shù)的理論知識也有了更深厚的理解，并且體會到了在努力學(xué)習(xí)知識重要性。謝謝！參考文獻數(shù)字電路邏輯設(shè)計 王毓銀主編電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光主編子技術(shù)實驗指導(dǎo) 王愉節(jié) 竇勤耘 編附錄（1） 計算機程序Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與