#電子信息工程課程設計-頻率計

1、物理與機電工程學院課程設計報告 課程名稱： 電子線路課程設計 系 部： 物理與機電工程學院 專業(yè)班級： 10 級電子信息工程（ 2）班 學生姓名：指導教師： 完成時間： 2010 年 10 月 19 日 報告成績：數(shù)字頻率計的設計一評、閱設意計見任：務與要求1） 被測信號的頻率范圍為 10Hz 10KHz，分成兩個頻段，即 10Hz 999Hz， 1 10KHz。(2)(3)(4)具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標準脈沖校準測量精度。(5)用 3 為數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，測量誤差小于 10%。 具有超量程報警功能， 在超出當前量程擋的測量范圍時， 發(fā)出音響信號。測量誤差小于評5閱%。教師日期我把本次

2、設計擴展為測量頻率 10Hz100KH，z 分成兩段， 即 10Hz9999Hz，10100KHz)二、方案設計與論證方案一、完全采用數(shù)字完成用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生 0.1s 的脈寬，再通過分頻器形成產(chǎn)生 1s 的脈寬，然后通過十進制計數(shù)器在 0.1s/1s 內(nèi)對被測信號源實現(xiàn)計數(shù)功能， 1s 內(nèi)的計數(shù)值即為對應的頻率值 （0.1s 內(nèi)的計數(shù)值應乘以 10，可由小數(shù)點的移 位實現(xiàn) ） ，經(jīng)計數(shù)器的輸出端通過八段譯碼驅(qū)動管使數(shù)碼管顯示相應的頻率值。由于 555 定時器所構(gòu)成的多諧振蕩器可以由電位器構(gòu)成， 可以實現(xiàn)閘門時間 的控制與調(diào)節(jié)， 這樣在測量更高頻率范圍時電路的改進就會很方

3、便， 但是由于微 分電路的充放電時間不是很穩(wěn)定， 這樣得到的閘門時間就不是很精確， 在內(nèi)對頻 率的計數(shù)值與實際的頻率值就有一定的誤差。由于只有四只數(shù)碼管，當從 9999HZ上升到 10KHZ以上時，四只數(shù)碼管無法 顯示全部數(shù)值， 因此要用相應的控制電路控制換擋， 對被測信號源十分頻， 只顯 示萬、千、百、十三位的數(shù)值而丟掉了個位的數(shù)值，同時將第三只數(shù)碼管的小數(shù) 點點亮，按 KHZ讀取數(shù)據(jù)。方案二、采用單片機完成1、我們采用定時 /計數(shù)器 T0工作于定時方式產(chǎn)生 0.1/1s 的精確的閘門時間， 而采用定時 /計數(shù)器 T1工作于計數(shù)方式對外部被測頻率信號實現(xiàn)計數(shù)。 將每次的 計數(shù)結(jié)果分為高 8位

4、和低 8位分別放入一個寄存器中。2、采用軟件譯碼，用查表指令實現(xiàn)三個數(shù)碼管的顯示 由于此次的設計要求我們加深對數(shù)字電路的應用的了解以及進一步熟悉數(shù) 字電路系統(tǒng)的設計，故而采用方案一。三、單元電路設計與參數(shù)計算1、整形電路 為了得到各種周期波形的信號，必須先將其他波形的周期信號轉(zhuǎn)化為方波， 本次整形電路采用由 555 定時器所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器， 它能將各種周期信號轉(zhuǎn) 化為方波。其電路如下：2、閘門電路本部分電路是由與門組成的， 該電路有兩個輸入端和一個輸出端， 輸入端的 一端，接門控信號，另一端接整形后的被測方波信號。閘門是否開通，受門控信 號的控制，當門控信號為高電平“ 1”時，閘門開啟；而

5、門控信號為低電平“ 0” 時，閘門關閉。顯然，只有在閘門開啟的時間內(nèi)，被測信號才能通過閘門進入計 數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)時間就是閘門開啟時間?？梢?，門控信號的寬度一定時，閘門 的輸出值正比于被測信號的頻率，通過計數(shù)顯示系統(tǒng)把閘門的輸出結(jié)果顯示出 來，就可以得到被測信號的頻率。其電路如下：3、計數(shù)電路本部分的電路時采用 10進制計數(shù)器 74ls192 所組成的，當信號源接在 5 腳 的時候，芯片的工作模式為加計數(shù)器。1”時，閘本次電路 5 腳應接閘門的輸出端，如下圖所示，在門控信號為門有信號輸出，計數(shù)器進行加計數(shù)；在門控信號為“0”時，閘門輸出為“ 0”，此時計數(shù)器不進行計數(shù)。3 、2 、6 、7 腳

6、依次為從低位到高位的輸出引腳， 接到鎖存器的輸入端。 14 腳為清 0 端，高電平清 0，在時基或分頻電路低電平期間，由邏輯控制電路產(chǎn)生 一段高脈沖進行清 0，為重新計數(shù)做準備。4、邏輯控制電路本部分的主要電路由一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和一個同或門 （由于領不到同或門的 芯片，就由非門及與非門組成） ，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖要求要低于門控信號為 “0” 的時間（即要小于 0.1s ）。參數(shù)計算：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：輸出脈沖的時間： t1= （R+R0）*C*ln（Vol-Voh）/（Vol-Vth）其中，R取100K，C取1uF，TTL的輸出低電平 Vol 約為0.2V輸出為低電平 是的輸出電流 Iol=18m

7、A，輸出高電平 Voh約為 3.6V ，Vth 約為 2.5V，低電平的 輸出電阻 R0=Vol/Iol=200/18=11R （可忽略不計）。帶入數(shù)據(jù)得 t1=39ms100ms。 故而可取。當鎖存之后，應該對計數(shù)器進行清 0，此次所選用的計數(shù)器為高電平清 0。門控電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個信號經(jīng)過同或門后的波形理論應如下：1)為門控電路波形( 2)為控制鎖存器波形( 3)為控制清 0 波形輸入 A輸入 B輸出 F001100010111F=AB+AB=(AB)(AB), 故而可用如圖所示電路。圖中的六腳 自鎖開關時作為調(diào)檔所用。5、鎖存電路鎖存器的作用是將計數(shù)器在 0.1s/1s 結(jié)束時的計

8、數(shù)值進行鎖存， 使顯示器獲 得穩(wěn)定的測量值。 因為計數(shù)器在 0.1s/1s 內(nèi)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)。 1s 的計數(shù)結(jié) 束時。邏輯控制電路發(fā)出的鎖存信號， 將計數(shù)器此時的值送到譯碼器， 因此顯示 器的數(shù)字是穩(wěn)定的。此次選用 2 片 74ls273 鎖存器可以實現(xiàn)上述鎖存功能。 74ls273 的真值表如下：RSTCLKDQ0XX011110010X保持如下圖所示， CLK接同或門的輸出。 Q端接譯碼器的 A端，D端接計數(shù)器的 Q端。6、譯碼顯示電路本次電路譯碼器選用 4 片 74ls48 ，顯示部分是采用 4 個 8 段共陰

9、數(shù)碼管 如下圖所示，7、門控電路門控電路由時基電路和譯碼電路組成，電路如下圖所示時基電路是由 555 定時器所構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成的， 要求振蕩器的高電平 時間脈沖為 0.1s ，如圖若 R1=R2可產(chǎn)生占空比為 50%，的方波。高電平時間脈沖 的寬度計算： T1=0.7R1*C，低電平時間脈沖的寬度計算： T2=0.7R2*C，為了方便 調(diào)節(jié)及精準度，故而可選定 C=1uF，R2、R1用 100k 的電阻和 473 的電位器（若 C選用 1uF，R約為 142.8k ）。分頻電路由 2 片 74ls192 組成，第一片計數(shù)器與一個與非門組成 5 進制的計 數(shù)器，再由第二片直接 Q0端輸出，這

10、樣就可組成一個 10 進制分頻器。 由于輸出 是 U4的 Q0端，故而要求多諧振蕩器的輸出方波的占空比為 50%。8、報警電路當計數(shù)器計數(shù)超過 100k 時，最高位的進位標志位 TCU會產(chǎn)生一個低脈沖，低脈沖觸發(fā)由 555 定時器所組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 再經(jīng)過三極管放大便可使蜂鳴 器產(chǎn)生聲響。報警間隔時間 t=1.1RC=1.1*68K*1u=0.075s 。也就是每 0.1s 產(chǎn)生聲響時間 為 0.075s 。四、仿真過程與仿真結(jié)果仿真總電路圖如下：5VVsRSTDISTHRN4007TRIN40075CONGNDCfU20A74LS04D1F74S04D4007 621R01kTHRTRI

11、C1 LM555CM0.01F11CU2A74LS08D555_VIRTUAL31312LOAD BOAQABQBCQCDQDLOAD BOCLR COUDPOWNKey = Space74S00DU20CKey = SpaceUADBD DC DD LE IB LT5Q6Q 7Q 8Q1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q21B11C01D9E51F41G 31A12B11C10D9E15F14G5 6912 5116 91CDLOADCLR151109 1114U114511BD_5VADBD DC DD LE IB LTU74511BD_5VU1474LS273DWLRCLKCU

12、9 1BD_5V 4511BD_5V AD BDDC DD LE IBLT7126543 7126 543U1374LS273DW347831141718113762 111950AQA3BQB2CQC67DQD7191150U5AQA3BQB2CQC67DQD7U615AQA1BQB190CQC9DQD1123 511414LOAD BO 1CLRCO 1UPDOWN32 151414LOADBO 13CLRCO 12UPDOWN11 LOAD BO14 CLRCO4 UDPOWN74LS192D1D2D 3D4D 5D6D 7D 8D1D 2D3D 4D5D 6D7D 8DVCC下圖分別為

13、仿真的門控電路、 鎖存信號、清0 信號的波形。由于芯片會延時， 故而清 0 信號會有尖波，但尖波足夠小，不會清 0下圖分別為門控信號、整形后型號、閘門輸出信號經(jīng)過仿真，發(fā)現(xiàn)該電路可實現(xiàn)設計要求的所有功能五、總原理圖及元器件清單1.1整形、門控、控制、閘門電路1.2元件清單元件標號元件型號數(shù)量參數(shù)C1, C2Cap2103C3, C4Cap2104D1, D2, D3Diode 1N40073P1Header 21P2Header 21P3Header 21P4Header 21P5Header 21P6Header 21P7Header 21R2, R3,Res23100KR5R1Res211

14、0KR4Res211KR6, R7Res Adj12473S1六腳1U1, U2NE5552U3, U4DM74LS192N2U5DM74LS08N1U6DM74LS00N1U7DM74LS04N12.1計數(shù)、顯示譯碼、鎖存電路2.2元件清單元件標號元件型號數(shù)量DS1, DS2, DS3, DS4Dpy Blue-CC4P1, P2, P3, P4, P5, P6Header 26U1, U2, U3, U4DM74LS48M4U5, U6DM74LS273N2U7, U8, U9, U10DM74LS192N43.1報警電路3.2元件清單元件標號元件型號數(shù)量參數(shù)C1Cap1104C2Cap1

15、103LS1Speaker1P1, P2, P3Header 23Q12N39041R1Res21100KR2Res211KU1 LM555CJ 1六、安裝與調(diào)試1、電路安裝檢查印刷電路板有無斷路、 短路，若有，首先處理好。 焊接順序： 跳線、 電阻、二極管、 IC 插座、電容器，逐一焊接。先焊平面的，后焊立體的，原則 是有利于焊接。要求臥裝水平、豎裝垂直、相同元件等高。要特別注意元器件的 安裝方向！連電路是要分局部連接，每一個功能模塊要分開接，這樣連接的電路除 了什么錯誤就比較容易發(fā)現(xiàn)并改正。2、電路調(diào)試2.1 接上電源后，用示波器測試多諧振蕩器的波形， 用電位器調(diào)節(jié)波形脈寬， 使其占空比為

16、 50%，頻率為 5Hz。用示波器測試分頻器的輸出，測量器脈寬是否為 1s。接上信號，用示波器分別測量當輸入為正弦波、方波、三角波是的波形 是否為方波。用示波器測量閘門輸出波形是否符合設計要求。測量鎖存信號與清 0 信號是否符合設計要求。若上述波形均符合設計要求，則組裝好電路進行測試。若是出現(xiàn)問題， 則對相應模塊進行改進。七、性能測試與分析1、測試結(jié)果頻率范圍10Hz 9999Hz輸入頻率10999200050009999正監(jiān)測頻率101000199849979993弦誤差01236波相對誤差00.1%0.1%0.06%0.06%方波監(jiān)測頻率10999199849979994誤差00235相對

17、誤差000.1%0.06%0.05%角波監(jiān)測頻率101000199849979994誤差01235相對誤差00.1%0.1%0.06%0.05%頻率范圍10KHz 99.99KHz輸入頻率10K30K50K70K99.99K正弦波監(jiān)測頻率9.99K29.94K49.91K69.89K99.89誤差0.01K0.06K0.09K0.11K0.11K相對誤差0.1%0.2%0.18%0.16%0.11%方波監(jiān)測頻率9.99K29.94K49.91K69.89K99.89誤差0.01K0.06K0.09K0.11K0.11K相對誤差0.1%0.2%0.18%0.16%0.11%角波監(jiān)測頻率9.99K

18、29.94K49.91K69.89K99.89誤差0.01K0.06K0.09K0.11K0.11K相對誤差0.1%0.2%0.18%0.16%0.11%2、結(jié)果分析 經(jīng)過幾天的安裝與調(diào)試，最后終于出結(jié)果，實現(xiàn)了以下幾個功能： 1）測量頻率范圍 10Hz99.99KHz 的頻率；2） 最大讀數(shù) 99.99KHZ,閘門信號的采樣時間為 0.1s/1s ；. 3）被測信號可以是正弦波、三角波和方波；4）顯示方式為 4 位十進制數(shù)顯示；5）具有超過量程聲報警功能，報警聲響時間。6）輸入信號最大幅值可擴展。7）測量誤差第一檔小于 +-0.1%，第二檔小于 +-0.2%。 存在一定的誤差，原因：線路接口太多，為了保持接線的美觀，沒有很彎曲 的線，所以只能弄折線，接線點就會增加，導致一定的誤差。報警功能也實現(xiàn)的 比較好，當實驗測量值超過一定的數(shù)值時，電路會自動報警。八、結(jié)論與心得1、此次課程設計加深我對 數(shù)字電子