頻率計(jì)報告原理部分

1、頻率計(jì)報告原理部分?jǐn)?shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)1、可測頻率范圍為10Hz1MHz2、采用數(shù)碼管顯示，顯示位數(shù)不少于6位。3、顯示時間從27秒可調(diào)。4、輸入阻抗大于10KQ。5、輸入信號峰峰電壓值在0.520V范圍內(nèi)可測。二、函數(shù)發(fā)生器的基本原理一、測量原理頻率為單位時間內(nèi)信號的周期數(shù)。對脈沖信號而言，其頻率為一秒鐘內(nèi)的脈沖個數(shù)；計(jì)數(shù)器在一秒鐘內(nèi)對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是該信號的頻率。只要計(jì)數(shù)結(jié)果以十進(jìn)制方式顯示出來，就是最簡單的頻率計(jì)。如圖2.1.1所示，被測脈沖信號為X,在T1時刻出現(xiàn)一個脈沖寬度為一秒的閘門脈沖信號P,用閘門脈沖P取出一秒時間內(nèi)的輸入脈沖信號X形成計(jì)數(shù)脈沖Y,

2、計(jì)數(shù)器對計(jì)數(shù)脈沖信號Y進(jìn)行計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)的結(jié)果（頻率值）在T2時刻被鎖存信號S控制，鎖存到寄存器，并通過譯碼器、顯示器把并率顯示出來。在T3時刻計(jì)數(shù)器被清除信號R清零，準(zhǔn)備下一次的計(jì)數(shù)，一次測量結(jié)束。圖2.1.1頻率器的測量原理顯示數(shù)值在T2時刻更換，S脈沖信號的周期為顯示時間，其大小反映顯示值的變化快慢。顯示時間Tx為：Tx=T3-T2+（02）（秒）可見，改變t3-t2的值可調(diào)節(jié)顯示時間，通常t3是通過t2的延時而得，通過調(diào)節(jié)延時時間來調(diào)節(jié)顯示時間。二、方案框圖頻率計(jì)的框圖如圖2.1.2，由六部分組成，以計(jì)數(shù)器為核心，各部分的功能如下：圖2.1.2頻率計(jì)總體框圖1 、計(jì)數(shù)器：在規(guī)定的時間內(nèi)完成

3、對被測脈沖信號的計(jì)數(shù)。由輸入電路提供計(jì)數(shù)脈沖輸入，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（在規(guī)定的測量頻率范圍內(nèi)計(jì)數(shù)無益出）。計(jì)數(shù)結(jié)果一般為十進(jìn)制，并將計(jì)數(shù)結(jié)果輸出送往寄存器，再由控制電路提供的清除信號R清零。等待下一次計(jì)數(shù)的開始。該部分主要考慮計(jì)數(shù)器的工作頻率和計(jì)數(shù)容量問題。2 、鎖存器：暫存每次測量的計(jì)數(shù)值。為顯示電路提供顯示數(shù)據(jù)。鎖存器由控制電路提供的瑣存信號S控制更換數(shù)值。以正確地顯示每一次的測量結(jié)果。3 、譯碼顯示電路：對鎖存器的輸出數(shù)據(jù)譯碼，變?yōu)槠叨螖?shù)碼顯示碼，并驅(qū)動數(shù)碼顯示器顯示出十進(jìn)制的測量結(jié)果。包括譯碼電路和驅(qū)動顯示電路。4 、時基電路：提供電路所需的各種工作脈沖信號。主要由控制電路形成各種控制時序

4、脈沖。頻率的穩(wěn)定和精確是重要考慮的問題，它決定了頻率測量的準(zhǔn)確程度。5 、輸入電路：對各種輸入信號進(jìn)行放大處理，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。該部分要適應(yīng)各種輸入信號，如對小信號進(jìn)行放大，對大信號進(jìn)行限幅，對高頻信號和低頻信號都能形成計(jì)數(shù)脈沖輸出，以激勵門電路。6、控制電路：產(chǎn)生有一定的時序要求的鎖存信號S、清除信號R等控制信號。給基準(zhǔn)脈沖控制的閘門脈沖信號給輸入電路取出計(jì)數(shù)脈沖。三、單元電路設(shè)計(jì)1 、輸入電路1）原理設(shè)計(jì)輸入電路是對輸入信號進(jìn)行放大或衰減，變成合適的電壓范圍，同時對輸入信號進(jìn)行隔直、比較、整形，處理成脈沖信號，再通過閘門電路，由基準(zhǔn)脈沖選出計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器。輸入電路首先要隔離直流，然后對信

5、號進(jìn)行限幅和放大處理。放大電路可采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于輸出脈沖要求的幅度較大，要求能夠驅(qū)動門電路，對運(yùn)算放大器要求速度較高。圖1是采用高速CMOS反相器74HC04勾成放大電路的輸入電路。該集成電路的平均傳輸延遲時間約9n&采用三級串接，形成足夠的放大倍數(shù)，放大電路的輸出幅度大。輸入端通過電容C隔離直流。二極管對輸入信號進(jìn)行限幅，使輸入信號的電壓范圍變寬，滿足設(shè)計(jì)要求。二極管最好選用結(jié)電容較小、開關(guān)速度較高的高頻二極管，以免對高頻信號造成損失。后兩級形成施蜜特觸發(fā)器對信號進(jìn)行整形，同時也有一定的放大作用。調(diào)節(jié)RW可改變施密特觸發(fā)器的閥值電壓。4HC04圖1是采用74HC0幽成的輸入電

6、路2 ）電路調(diào)試在電流板上焊接好元器件，對連接好的電路先不加輸入信號，測量各級直流工作電壓和電流是否正常。直流電壓的測試非常方便，可直接測量。進(jìn)行靜態(tài)測試的目的主要是檢測電路板中是否出現(xiàn)短路和斷路的情況，防止在焊接電路的過程中出現(xiàn)的焊接問題給后面的電路檢測帶來問題。在實(shí)驗(yàn)箱上調(diào)+5v的電源，給電路通上電，輸入檢測信號，從被檢測的信號輸入端輸入幅值在1V左右，頻率在1kHz,打開示波器，自檢，把示波器的第一通道的接地端接地，探針放到輸出端，用示波器觀察電路的輸出波形，理論上正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值在5V的矩形波，在示波器上我們可以觀察頻率一致的波形但是波形有一點(diǎn)失真，通過請

7、教老師可知，只是因?yàn)槠骷男阅荜P(guān)系，才帶來的失真誤差。3 、時基電路圖2用CD4060ft成電路的時基產(chǎn)生電路圖3CD4060勺弓唧圖如圖2,采用CD406C®成電路，它集振蕩器和分頻器于一體，用32.768KHz的石英晶體構(gòu)成振蕩器，經(jīng)內(nèi)部14級二進(jìn)制分頻獲得2Hz的脈沖信號，再經(jīng)一個由D觸發(fā)器組成的2分頻電路分頻得1S的基準(zhǔn)脈沖信號，該電路結(jié)構(gòu)最為簡單，但只有一個1S的基準(zhǔn)脈沖輸出。CD4060的引腳圖如圖3所示。4 ）電路調(diào)試時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號，即高電平的持續(xù)時間為1S,該電路的靜態(tài)調(diào)試已經(jīng)在之前進(jìn)行過，連接好電源和電路，函數(shù)信號發(fā)生器上產(chǎn)生一個2V頻率為10

8、0Hz的信號，連入到電路，在示波器上觀察波形，可是這次我們沒有在示波器上發(fā)現(xiàn)波形，于是斷開電源，對集成塊的管腳進(jìn)行檢測，最終發(fā)現(xiàn)管腳子焊接時出錯，排除了故障，最終可以再示波器上顯示預(yù)期的波形，斷開電源，好試驗(yàn)箱和導(dǎo)線。5 、計(jì)數(shù)器1）原理設(shè)計(jì)圖4是采用三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD455對方案。CD455媯?cè)籅CD碼計(jì)數(shù)器，該電路的特點(diǎn)是只有一組BC刑輸出端，但通過分時控制可形成三位BC刑輸出，實(shí)現(xiàn)動態(tài)掃描，可節(jié)省譯碼圖5CD455汕部邏輯框圖表1CD455期真值表圖6CD455型能弓I腳圖CD4553內(nèi)部邏輯框圖如圖5所示。CD455對真值表見表1。功能引出見圖6。三個用負(fù)沿觸發(fā)的BC弼計(jì)數(shù)器以同步

9、工作方式級聯(lián)。每個BC網(wǎng)計(jì)數(shù)器輸出端都有一個四位鎖存器，通過門鎖端LE控制。對計(jì)數(shù)器結(jié)果加以存儲或傳送。LE為高電平時執(zhí)行鎖存，LE為低電平時執(zhí)行傳數(shù)。鎖存器與多路轉(zhuǎn)換器配合，完成三組BC刑計(jì)數(shù)值的分時輸出。數(shù)字選擇輸出端為分時輸出同步控制信號，以實(shí)現(xiàn)對LED的動態(tài)顯示，輸出低電平有效。芯片內(nèi)設(shè)置了一個掃描振蕩器，用來產(chǎn)生掃描時鐘脈沖，通過掃描器驅(qū)動多路轉(zhuǎn)換器，完成分時輸出。掃描頻率由芯片3、4腳外接的電容器C值來設(shè)定，作為內(nèi)部時鐘；或由4腳直接輸入外部時鐘。使用內(nèi)時鐘時，電容器C的數(shù)值可按下式選?。簰呙桀l率f（Hz）=1.2/C（uF）。在時鐘輸入端設(shè)置了脈沖整形電路，因此對輸入計(jì)數(shù)脈沖的沿

10、口無特殊要求。13腳為復(fù)位端（MR,在高電平時，掃描振蕩被禁止，掃描器被復(fù)位，數(shù)字選擇輸出端DS!DS2DS3均輸出高電平，使顯示消隱；同時還將3位BC刑計(jì)數(shù)器全部清零，14腳（OVF為進(jìn)位端，當(dāng)本級輸入第1000個計(jì)數(shù)脈沖時，OF端輸出一正脈沖。2）電路調(diào)試連接好電路，通上+5V的電壓，連接好示波器，觀察示波器上的波形，我們可以觀察到相鄰計(jì)數(shù)器始終端的波形頻率一次大約相差十倍，各電平值或波形與電路給出的狀態(tài)大約一致其實(shí)對于這個電路的檢測，我們發(fā)現(xiàn)在示波器上顯示的波形的頻率關(guān)系并不一致，而且波形也不正常，于是在老師的指導(dǎo)下對計(jì)數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測，最終發(fā)現(xiàn)了原因，原來我們的導(dǎo)

11、線有問題，排除了故障。4 、譯碼顯示電路1）原理設(shè)計(jì)圖7為配合CD4553的譯碼顯示方案，其中三極管QtQ2Q3由CD4553空制循環(huán)選擇動態(tài)的三位數(shù)碼顯示器。R1R乃限流電阻。CD454媯七段鎖存/譯碼/驅(qū)動器，其特點(diǎn)是既可驅(qū)動共陽或共陰的LED也可驅(qū)動LCD使用比較方便。圖7配合CD4553的譯碼顯示電路譯碼顯示器也可選用CD4544它和CD454助能相同，只是多了RBI、RBOM個滅零輸入和滅零輸出端口。它們的引腳圖如圖8,功能表如表2。對于該電路的調(diào)試，在焊接前要對七段數(shù)碼管進(jìn)行一個管腳檢測步驟，檢測掐斷數(shù)碼管同測試普通半導(dǎo)體二極管一樣。注意!萬用表應(yīng)放在RX10K檔，因?yàn)镽X1K檔測

12、不出數(shù)碼管的正反向電阻值。對于共陰極的數(shù)碼管，紅表筆接數(shù)碼管的“-”，黑表筆分別接其他各腳。測共陽極的數(shù)碼管時，黑表筆接數(shù)碼管的接地端，紅表筆接其他各腳。另一種測試法，用兩節(jié)一號電池串聯(lián)，對于共陰極的數(shù)碼管，電池的負(fù)極接數(shù)碼管的“-”，電池的正極分別接其他各腳。對于共陽極的數(shù)碼管，電池的正極接數(shù)碼管的接地端，電池的負(fù)極分別接其他各腳，看各段是否點(diǎn)亮。對于不明型號不知管腳排列的數(shù)碼管，用第一種方法找到共用點(diǎn)，用第二種方法測試出各筆段a-g、接地端、H等。通過觀察數(shù)碼管的電量情況就可以該段電路的好壞。5 、控制電路控制電路主要產(chǎn)生閘門信號、計(jì)數(shù)器清零信號、鎖存器的鎖存信號等控制信號，主要由閘門電路

13、、延時電路、整形電路組成。閘門電路主要產(chǎn)生閘門脈沖，它的脈沖寬度控制每一次的測量時間，如1S,0.1S等，由時基電路提供。圖9為使用雙D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成的方案。清零信號脈沖對觸發(fā)器UB清零，UB輸出端Q為“0”使得UA清零信號無效。基準(zhǔn)脈沖上升沿到來使觸發(fā)器UA翻車專,Q端輸出為“1”，第二個基準(zhǔn)脈沖到來時，觸發(fā)器UA翻車專,Q端輸出為“0”；同時輸出端Q上升沿使得UB翻轉(zhuǎn)，UB的，輸出一個下降沿觸發(fā)延時電路，UB的Q端變?yōu)椤?”，對UA置零，使UA的QQ輸出變?yōu)椤?”圖9控制電路圖11為采用三雙精密可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD453造成的延時電路，可輸出鎖存脈沖和清零脈沖信號。電路中利用一

14、個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對閘門脈沖的后沿作延遲，延遲時間由定時電路參數(shù)決定約為R1C1，通過微分電路整形成一定寬度的脈沖，脈沖寬度約為0.7R2c2,從而形成鎖存脈沖。注意脈沖寬度的不要選得太大。另一個單穩(wěn)態(tài)電路是對鎖存脈沖的延遲得到清零脈沖，其工作原理和鎖存脈沖的延遲電路原理一樣。CD453弼弓I腳圖見圖10,功能表見表3。表3CD453期功能表圖10CD453到腳圖圖11由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538勾成的延時電路6、整機(jī)電路調(diào)試用導(dǎo)線接通所有的電路模塊，再用萬用表檢測各模塊之間是否連通，檢測好后，從函數(shù)信號發(fā)生器上產(chǎn)生一個電壓為2V頻率為100Hz的信號，連接到電路的輸入端，給電路上電，觀察七段數(shù)碼管

15、是否正確顯示頻率的大小，這次為了節(jié)約成本，我們只用兩塊七段數(shù)碼管來顯示有三位數(shù)的顯示，我們只顯示十位和百位的數(shù)字，不斷的檢測與該進(jìn)，最終我們成功的讓其顯示了正確的頻率。再次在函數(shù)型號發(fā)生器上產(chǎn)生一個電壓為2V頻率為90Hz的信號。連接到電路，我們發(fā)現(xiàn)顯示電路的百位七段數(shù)碼顯示0，十位七段數(shù)碼顯示9，這說明顯示成功。最后斷開電源，好實(shí)驗(yàn)箱和導(dǎo)線，調(diào)試結(jié)束。四、設(shè)計(jì)心得經(jīng)過一個星期的努力，我們小組的數(shù)字頻率計(jì)制作和調(diào)試都圓滿成功，我很高興也很激動。因?yàn)樽约焊冻龅玫搅嘶貓?。在這過程中，我們小組很努力的去做比其他同學(xué)都認(rèn)真，每一個孔的焊接，每一條線路的連接我們都很細(xì)心去做也有認(rèn)真的去思考老師給我們的電路原理，我們小組分工合作，我負(fù)責(zé)電路原理圖和電路元件參數(shù)的計(jì)算與選取，黎德強(qiáng)同學(xué)則負(fù)責(zé)電子元器件的購買，黎德強(qiáng)是電子協(xié)會的，在這個制作過程中我向他學(xué)習(xí)了不少的知識，關(guān)鵬毅同學(xué)主要負(fù)責(zé)電路板的焊機(jī)工作，對于焊接我一直覺得是一件比較麻煩的事，這兩位同學(xué)所辛苦的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我了，在這里衷心謝謝這兩位同學(xué)，在設(shè)計(jì)過程中我們也是相互學(xué)習(xí)的一個過程，每個人都有自己擅長的，我們通過實(shí)踐相互交流，這是一種很好的學(xué)習(xí)過程。調(diào)試過程中，我們也面臨著很多問題，