數(shù)電課程設(shè)計_數(shù)字頻率計

1、河南理工大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計報告設(shè)計題目： 數(shù)字頻率校音器 院 （部): 電氣工程與自動化學(xué)院專業(yè)班級: 測儀 學(xué)生姓名: 吳 學(xué) 號: 3113 指導(dǎo)教師: 目錄 摘要2緒論31、設(shè)計原理方案31.1設(shè)計總體方案：31.2工作步驟:41.3測頻原理：52、 單元電路設(shè)計62.1采集音律信號電路62.2時標(biāo)和閘門電路72.3鎖存器、計數(shù)和清零93、心得體會、元器件清單104、 參考文獻(xiàn)115、附件 14 5.1電路仿真圖及樣品圖14 5.2音階頻率對照表15設(shè)計題目:數(shù)字頻率校音器 摘 要隨著社會的發(fā)展，人們的業(yè)余生活不斷豐富，學(xué)樂器的人也越來越多，但是對于初學(xué)者來說，學(xué)習(xí)樂器最難的問題之一就

2、是對樂器音準(zhǔn)的把握、調(diào)節(jié)。例如二胡經(jīng)常會出現(xiàn)跑音的現(xiàn)象，需要人對其進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)，但對于初學(xué)者來說便是個很是讓人頭疼的問題。在電子技術(shù)中，我們可以測量聲音的頻率來知道樂器是否音準(zhǔn)，從而去調(diào)節(jié)，解決生活難題。因此頻率的測量就顯得更為重要。本次課程設(shè)計的目的是根據(jù)已經(jīng)學(xué)到的知識，按照這次課程設(shè)計的要求設(shè)計一個簡易的數(shù)字頻率校音器，要求頻率計范圍內(nèi)能測出所輸入音調(diào)的頻率，一般基準(zhǔn)中低音在200到900Hz。關(guān)鍵詞：校音器，頻率計,邏輯控制，計數(shù)器，定時器。緒 論樂器是個很有活力的娛樂工具，千百年來在世界各個地區(qū)居住的人群基本都有屬于自己的民族樂器，隨著社會的發(fā)展，人民的生活水平的不斷提高，人們的業(yè)余

3、文化生活也越來越豐富，學(xué)樂器的人群也越來越多。但是對于有有些樂器，往往在演奏前需要對其音準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)試，例如我國民族樂器中的二胡經(jīng)常會出現(xiàn)跑音的現(xiàn)象，竹笛的制作定調(diào)時則需要對每個音控的位置進(jìn)行校準(zhǔn)。那么對于初學(xué)樂器的人群來說，通過自己的耳力去聽音準(zhǔn)則是一件很難的事。本次設(shè)計的目是利用測量音調(diào)頻率的方法去判斷音調(diào)的準(zhǔn)度，這樣便為了給那些初學(xué)樂器或者對樂器的音準(zhǔn)把握不準(zhǔn)的人們在調(diào)試樂器音調(diào)高低時帶來方便。測量頻率的方法有多種，中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，其以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量

4、被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。根據(jù)設(shè)計的要求我是按照第一種方法設(shè)計的，是直接測頻法?？梢砸娨欢ǚ秶鷥?nèi)的信號輸入后直接測的信號的頻率。1、 設(shè)計原理方案1.1設(shè)計總體方案校音器的核心部分是數(shù)字頻率計，數(shù)字頻率計就是直接用十進(jìn)制的數(shù)字來顯示被測信號頻率。當(dāng)語音傳感器接收到語音信號之后,經(jīng)過放大電路對其幅度進(jìn)行放大,再經(jīng)過施密特觸發(fā)器將其變成方波信號,然后在與555振蕩器產(chǎn)生的門控信號進(jìn)行相與運算,再對門控信號內(nèi)的脈沖個數(shù)進(jìn)行技術(shù)顯示,得到其頻率f=N/T,其中N為計數(shù)器對門控信號內(nèi)的脈沖計數(shù)量,T為門控時間,當(dāng)可以通過調(diào)節(jié)555振蕩器外圍電路的充電電容與放電電阻的大小值使得T為

5、1秒,那么N就是所測信號的頻率.其原理圖如下: 數(shù)字語音頻率計組成框圖1.2工作步驟:首先，對語音信號進(jìn)行頻率采集，然后對其信號經(jīng)放大整形處理后，會得到與輸入信號頻率相同的方波；然后時標(biāo)電路產(chǎn)生的閘門信號，與處理后的被測信號一起送入由與非門構(gòu)成的閘門電路，若是時標(biāo)輸出為低電平，則閘門關(guān)閉，被測信號不能進(jìn)入計數(shù)器，當(dāng)時標(biāo)輸出為高電平時，閘門開啟，被測信號被送入計數(shù)器時，計數(shù)器開始計數(shù)，后面的鎖存電路導(dǎo)通，譯碼電路開始工作，此時數(shù)碼管應(yīng)該是變化上升的數(shù)字量，當(dāng)時標(biāo)信號再次輸出低電平時，閘門關(guān)閉，此時需要鎖存計數(shù)器所輸出的數(shù)字量，并對計數(shù)器進(jìn)行清零，此時顯示應(yīng)該固定不變的數(shù)字，當(dāng)閘門開啟關(guān)閉時間間隔

6、為1秒是，則顯示的是所測信號的頻率。如圖1.2所示，為被測量的頻率信號，為門控信號，當(dāng)門控信號的門控時長為1秒時中計數(shù)器所記錄的脈沖個數(shù)為的頻率。圖1.2當(dāng)輸入信號頻率在一段時間內(nèi)穩(wěn)定時，顯示鎖存時的頻率應(yīng)該固定不變，所以要求被側(cè)信號頻率需要穩(wěn)定一段時間，至少穩(wěn)定1秒。根據(jù)實際要求，樂器一般校音只需要校準(zhǔn)14個基準(zhǔn)音，通常二胡只需要對空弦的內(nèi)外弦進(jìn)行校音，其內(nèi)弦一般做音律D（頻率：262Hz）外弦做A（頻率：440Hz）這樣，通過測量頻率就可以得出音調(diào)的偏移量，從而更方便的進(jìn)行校音。1.3測頻原理：由邏輯電路組成的頻率計，大多是由中小規(guī)模的集成芯片按照邏輯原理組合而成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組裝、調(diào)試比

7、較麻煩；但是我們所學(xué)的知識大部分是集成芯片，所以只用中小型規(guī)模的集成芯片組成的邏輯電路，有多個單元組成而成的簡易數(shù)字頻率計。圖1.3原理方框圖測頻法。測量頻率的原理框圖如1.3圖，被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達(dá)到了測量頻率的目的。對頻率是f的周期信號，測頻的實現(xiàn)方法，是有一個標(biāo)準(zhǔn)閘門信號（閘門寬度為T）對周期信號的重復(fù)周期數(shù)進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)結(jié)果為N時，其信號

8、的頻率為：f=N/T，式中T為標(biāo)準(zhǔn)閘門的寬度（s），N是由計數(shù)器記錄的脈沖個數(shù)（重復(fù)周期數(shù)）。如圖1.2和1.3所示，其中1.2中為被測信號，為門控信號，為計數(shù)器工作記錄過程，測量電路在檢測到脈沖信號的上升沿的時候打開計數(shù)器, 并且在檢測到下降沿的時候關(guān)閉計數(shù)器, 設(shè)脈沖寬度為T, 計算公式為: T = N/f。2、單元電路設(shè)計2，1采集音律信號電路音頻信號采集傳感器（麥克風(fēng)）。此設(shè)計中使用的是CZN-15E電容式音頻采集傳感器，當(dāng)外界語音信號發(fā)生變化時，其能量帶動電容的薄膜級板，使得電容的電容量發(fā)生變化，從而不斷地對外圍電路進(jìn)行充放電，使得外圍電路產(chǎn)生隨語音頻率一致的電流或電壓信號，一般其輸

9、出電壓變化大概為2-3mV.對其進(jìn)行250倍的電壓放大，從而完成對音律頻率的測量。圖2.1 電容式麥克風(fēng)簡單原理圖2.2時標(biāo)和閘門電路555定時震蕩電路（時標(biāo)電路）。由555定時器組成的多諧振蕩器院里如圖2.2(C)所示，其中R1，R2和電容C為外接元件。其工作波如圖2.2(D)所示。圖2.2 多謝振蕩器 當(dāng)對定時器供電時，定時器3引腳輸出為低電平，7引腳對地斷開，電源則通過R1,R2對電容進(jìn)行充電，2，6引腳分別接的是兩個電壓比較器，當(dāng)電容兩端電壓大于2/3的電源電壓時，3引腳輸出為高電平，7引腳則對地接通，同時電容通過R2放電，當(dāng)電容放電到1/3電源電壓值時，3引腳輸出低電平，7引腳對地斷

10、開，放電結(jié)束。接下來電容便繼續(xù)重復(fù)充放電，使得3引腳不斷的輸出高低點平的方波信號，從而產(chǎn)生震蕩。閘門電路可以使用2輸入與非門構(gòu)成，閘門是控制計數(shù)器計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，被測信號的脈沖通過閘門進(jìn)入計數(shù)器的個數(shù)就是由閘門信號決定的，閘門信號的精度很大程度上決定了頻率計的頻率測測量精度。當(dāng)要求頻率測量精度高時，應(yīng)使用晶體振蕩器通過分頻獲得。本次頻率計的設(shè)計要求精度不是太高，因此在頻率計設(shè)計中，我選用的是時基信號采用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間信號（高電平）來到時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門進(jìn)入計數(shù)器開始計數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖結(jié)束時（為低電平），閘門關(guān)閉，計數(shù)器無時鐘脈沖輸入。如圖所示

11、時標(biāo)發(fā)生電路：圖2.2 仿真多諧振蕩器2.3鎖存器、計數(shù)和清零鎖存器的作用是將計數(shù)器在計數(shù)結(jié)束時的計數(shù)值進(jìn)行鎖存，使顯示器獲得穩(wěn)定的測量值。因為計數(shù)器計數(shù)要計算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)。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)結(jié)束時，邏輯控制電路會產(chǎn)生鎖存信號，將計數(shù)器此時的值送到譯碼器，因此經(jīng)由顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定不變的。在本次試驗中我選用的兩片8D鎖存器74LS573可以完成上述鎖存功能。74LS573使能控制1腳接地有效，11引腳則是鎖存控制端，當(dāng)11引腳接高電平時，鎖存器打開，此時鎖存器則相當(dāng)于導(dǎo)線對應(yīng)輸入輸出導(dǎo)通，當(dāng)11接低電平時，鎖存器鎖存，此時輸入將不

12、再影響輸出，并且輸出是鎖存器開啟時最后顯示的值，此時其固定不變，再此設(shè)計中，我將鎖存段直接接時標(biāo)脈沖的輸出，這樣當(dāng)時標(biāo)信號變?yōu)榈碗娖綍r即就是閘門關(guān)閉時鎖存器鎖存，使得顯示數(shù)值穩(wěn)定。清零信號是在計數(shù)器的計算值送鎖存后，為了下次計數(shù)而把計數(shù)器進(jìn)行清零，再此設(shè)計中，我講計數(shù)器74LS161的清零端(低電平有效清零)直接接到時標(biāo)信號的輸出端，這樣，當(dāng)時標(biāo)信號發(fā)出關(guān)閉閘門的指令時，鎖存器進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存的同時計數(shù)器清零。仿真電路圖如圖2.3。 圖2.3仿真計數(shù)、鎖存、顯示電路3、心得體會剛接到課程設(shè)計的時候完全沒有思路，不知該如何下手，好像自己學(xué)到的東西一點都用不上，后來經(jīng)過翻閱資料就有了思路，在整個課程設(shè)

13、計完后，總的感覺是：有收獲。在這個過程中，我的確學(xué)得到很多在書本上學(xué)不到的東西，如：如何利用現(xiàn)有的元件組裝得到設(shè)計利用計算機(jī)來畫圖等等。在學(xué)習(xí)中的小問題在課堂上不可能犯，在動手的過程中卻很有可能犯。特別是在接電路時，一不小心就會犯錯，而且很不容易檢查出來。但現(xiàn)在回過頭來看，還是挺有成就感的。我的動手能力又有了進(jìn)一步的提高，我感到十分的高興 我學(xué)到了課本上沒有的東西，還知道課本上的知識也是很重要的，在你完全沒有思路的時候課本會給我很多靈感，這在以后的學(xué)習(xí)和生活中會有很大的用處，增強(qiáng)了我的動手能力和實踐能力，但是我還有不足，我會在以后的學(xué)習(xí)中逐步提高，做一個動手能力強(qiáng)的大學(xué)生。頭來看，還是挺有成就

14、感的。我的動手能力又有了進(jìn)一步的提高，我感到十分的高興。此，還得感謝老師給了我們這次動手實踐的課題，使我明白了很多，讓我覺自己學(xué)到的知識是這么的有用，還了解了在實際的應(yīng)用中許多應(yīng)該注意的但沒有注意到的問題，這對以后的應(yīng)用實踐有很大的幫助。還得感謝在這次的課程設(shè)計中和我同組的同學(xué)，是他們給了我很多啟發(fā)，然我能順利的完成實驗課題4、參考文獻(xiàn)1 河南理工大學(xué)電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書，2015年3月.2 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)（模、數(shù)），高教出版社，2005年73 詹惠琴，電子測量原理，機(jī)械工業(yè)出版，2014年1月.4 董愛華，檢測技術(shù)與傳感器原理，中國電力出版，2007.5、附 件5.1元器件清單在設(shè)計頻率校音器時用了許多各種各樣的元器件，我將其整理成表格清單如下表5.1所示表5.1 元器清單表元件數(shù)量元件數(shù)量555定時器1片CZN-15E音傳感器1片10F電容1個電位器6個電源USB插口1個5V直流電源1個按鍵開關(guān)1個其余電阻若干CD4093BE2個