簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

..簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告目錄第一章技術(shù)指標(biāo)1.1整體功能要求1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求1.3電氣指標(biāo)1.4擴(kuò)展指標(biāo)1.5設(shè)計(jì)條件第二章整體方案設(shè)計(jì)2.1算法設(shè)計(jì)2.2整體方框圖及原理第三章單元電路設(shè)計(jì)3.1時(shí)基電路設(shè)計(jì)3.2閘門電路設(shè)計(jì)3.3控制電路設(shè)計(jì)3.4小數(shù)點(diǎn)顯示電路設(shè)計(jì)3.5整體電路圖3.6整機(jī)原件清單第四章測(cè)試與調(diào)整4.1時(shí)基電路的調(diào)測(cè)4.2顯示電路的調(diào)測(cè)4-3計(jì)數(shù)電路的調(diào)測(cè)4.4控制電路的調(diào)測(cè)4.5整體指標(biāo)測(cè)試第五章設(shè)計(jì)小結(jié)5.1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況5.2問題及改進(jìn)5.3心得體會(huì)第一章技術(shù)指標(biāo)整體功能要求頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值。其擴(kuò)展功能可以測(cè)量信號(hào)的周期和脈沖寬度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求數(shù)字頻率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測(cè)信號(hào)為外部信號(hào),送入測(cè)量電路進(jìn)行處理、測(cè)量,檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測(cè)試的項(xiàng)目------頻率、周期或脈寬,若測(cè)量頻率則進(jìn)一步選擇檔位。測(cè)量電路測(cè)量電路被測(cè)信號(hào)顯示電路被測(cè)信號(hào)顯示電路檔位轉(zhuǎn)換檔位轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率計(jì)整體方案結(jié)構(gòu)方框圖電氣指標(biāo)3.1被測(cè)信號(hào)波形：正弦波、三角波和矩形波。3.2測(cè)量頻率范圍：分三檔：1Hz~999Hz0.01kHz~9.99kHz0.1kHz~99.9kHz3.3測(cè)量周期范圍：1ms~1s。3.4測(cè)量脈寬范圍：1ms~1s。測(cè)量精度：顯示3位有效數(shù)字〔要求分析1Hz、1kHz和999kHz的測(cè)量誤差。3.6當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率超出測(cè)量范圍時(shí),報(bào)警.4.擴(kuò)展指標(biāo)要求測(cè)量頻率值時(shí),1Hz~99.9kHz的精度均為+1。5.設(shè)計(jì)條件5.1電源條件：+5V。5.2可供選擇的元器件范圍如下表型號(hào)名稱及功能數(shù)量NE555定時(shí)器1片741518選1數(shù)據(jù)選擇器2片74153雙4選1數(shù)據(jù)選擇器2片7404六反向器1片4518十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器2片74132四2輸入與非門〔有施密特觸發(fā)器1片74160十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器3片C392數(shù)碼管3片4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器1片45114線－七段所存譯碼器/驅(qū)動(dòng)器3片TL0841片10K電位器1片電阻電容撥盤開關(guān)1個(gè)門電路、阻容件、發(fā)光二極管和轉(zhuǎn)換開關(guān)等原件自定。第二章整體方案設(shè)計(jì)2.1算法設(shè)計(jì)頻率是周期信號(hào)每秒鐘內(nèi)所含的周期數(shù)值。可根據(jù)這一定義采用如圖2-1所示的算法。圖2-2是根據(jù)算法構(gòu)建的方框圖。計(jì)數(shù)電路閘門輸入電路計(jì)數(shù)電路閘門輸入電路閘門產(chǎn)生顯示電路被測(cè)信號(hào)閘門產(chǎn)生顯示電路圖2-2頻率測(cè)量算法對(duì)應(yīng)的方框圖在測(cè)試電路中設(shè)置一個(gè)閘門產(chǎn)生電路,用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門信號(hào)。改閘門信號(hào)控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。讓被測(cè)信號(hào)送入閘門電路,當(dāng)1s閘門脈沖到來時(shí)閘門導(dǎo)通,被測(cè)信號(hào)通過閘門并到達(dá)后面的計(jì)數(shù)電路〔計(jì)數(shù)電路用以計(jì)算被測(cè)輸入信號(hào)的周期數(shù),當(dāng)1s閘門結(jié)束時(shí),閘門再次關(guān)閉,此時(shí)計(jì)數(shù)器記錄的周期個(gè)數(shù)為1s內(nèi)被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù),即為被測(cè)信號(hào)的頻率。測(cè)量頻率的誤差與閘門信號(hào)的精度直接相關(guān),因此,為保證在1s內(nèi)被測(cè)信號(hào)的周期量誤差在10?3量級(jí),則要求閘門信號(hào)的精度為10??量級(jí)。例如,當(dāng)被測(cè)信號(hào)為1kHz時(shí),在1s的閘門脈沖期間計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)1000次,由于閘門脈沖精度為10??,閘門信號(hào)的誤差不大于0.1s,固由此造成的計(jì)數(shù)誤差不會(huì)超過1,符合5*10?3的誤差要求。進(jìn)一步分析可知,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率增高時(shí),在閘門脈沖精度不變的情況下,計(jì)數(shù)器誤差的絕對(duì)值會(huì)增大,但是相對(duì)誤差仍在5*10?3范圍內(nèi)。但是這一算法在被測(cè)信號(hào)頻率很低時(shí)便呈現(xiàn)出嚴(yán)重的缺點(diǎn),例如,當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0.5Hz時(shí)其周期是2s,這時(shí)閘門脈沖仍未1s顯然是不行的,故應(yīng)加寬閘門脈沖寬度。假設(shè)閘門脈沖寬度加至10s,則閘門導(dǎo)通期間可以計(jì)數(shù)5次,由于數(shù)值5是10s的計(jì)數(shù)結(jié)果,故在顯示之間必須將計(jì)數(shù)值除以10.2.2整體方框圖及原理輸入電路：由于輸入的信號(hào)可以是正弦波,三角波。而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測(cè)信號(hào)為矩形波,所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測(cè)量的時(shí)候,首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較大時(shí),通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí),前級(jí)輸入衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路,則調(diào)節(jié)輸入放大的增益,時(shí)被測(cè)信號(hào)得以放大。頻率測(cè)量：測(cè)量頻率的原理框圖如圖2-3.測(cè)量頻率共有3個(gè)檔位。被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)〔矩形波或者方波,送入閘門電路,等待時(shí)基信號(hào)的到來。時(shí)基信號(hào)有555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器,經(jīng)整形分頻后,產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào),作為閘門開通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測(cè)信號(hào)通過閘門,作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào),計(jì)數(shù)器即開始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù),這樣就達(dá)到了測(cè)量頻率的目的。周期測(cè)量：測(cè)量周期的原理框圖2-4.測(cè)量周期的方法與測(cè)量頻率的方法相反,即將被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形、二分頻電路后轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。方波信號(hào)中的脈沖寬度恰好為被測(cè)信號(hào)的1個(gè)周期。將方波的脈寬作為閘門導(dǎo)通的時(shí)間,在閘門導(dǎo)通的時(shí)間里,計(jì)數(shù)器記錄標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)通過閘門的重復(fù)周期個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器累計(jì)的結(jié)果可以換算出被測(cè)信號(hào)的周期。用時(shí)間Tx來表示：Tx=NTs式中：Tx為被測(cè)信號(hào)的周期；N為計(jì)數(shù)器脈沖計(jì)數(shù)值；Ts為時(shí)基信號(hào)周期。時(shí)基電路：時(shí)基信號(hào)由555定時(shí)器、RC組容件構(gòu)成多諧振蕩器,其兩個(gè)暫態(tài)時(shí)間分別為T1=0.7〔Ra+RbCT2=0.7RbC重復(fù)周期為T=T1+T2。由于被測(cè)信號(hào)范圍為1Hz~1MHz,如果只采用一種閘門脈沖信號(hào),則只能是10s脈沖寬度的閘門信號(hào),若被測(cè)信號(hào)為較高頻率,計(jì)數(shù)電路的位數(shù)要很多,而且測(cè)量時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)給用戶帶來不便,所以可將頻率范圍設(shè)為幾檔：1Hz~999Hz檔采用1s閘門脈寬；0.01kHz~9.99kHz檔采用0.1s閘門脈寬；0.1kHz~99.9kHz檔采用0.01s閘門脈寬。多諧振蕩器經(jīng)二級(jí)10分頻電路后,可提取因檔位變化所需的閘門時(shí)間1ms、0.1ms、0.01ms。閘門時(shí)間要求非常準(zhǔn)確,它直接影響到測(cè)量精度,在要求高精度、高穩(wěn)定度的場(chǎng)合,通常用晶體振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中我們采用的就是前一種方案。在電路中引進(jìn)電位器來調(diào)節(jié)振蕩器產(chǎn)生的頻率。使得能夠產(chǎn)生1kHz的信號(hào)。這對(duì)后面的測(cè)量精度起到?jīng)Q定性的作用。計(jì)數(shù)顯示電路：在閘門電路導(dǎo)通的情況下,開始計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后,此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐防锩嬉a(chǎn)生計(jì)數(shù)清零信號(hào)和鎖存控制信號(hào)?？刂齐娐饭ぷ鞑ㄐ蔚氖疽鈭D如圖2-5.第三章單元電路設(shè)計(jì)3.1時(shí)基電路設(shè)計(jì)圖3-1時(shí)基電路與分頻電路它由兩部分組成:如圖3-1所示,第一部分為555定時(shí)器組成的振蕩器<即脈沖產(chǎn)生電路>,要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/<<R1+2*R2>*C>,因此,我們可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)通過計(jì)算確定了R1取430歐姆,R3取500歐姆,電容取1uF.這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在R1和R3之間接了一個(gè)10K的電位器便于在后面調(diào)節(jié)使得555能夠產(chǎn)生非常接近1KHz的頻率。第二部分為分頻電路,主要由4518組成〔4518的管腳圖,功能表及波形圖詳見附錄,因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時(shí)基信號(hào)要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計(jì)數(shù)器,由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成,計(jì)數(shù)器級(jí)為D型觸發(fā)器,具有內(nèi)部可交換CP和EN線,用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù),在單個(gè)運(yùn)算中,EN輸入保持高電平,且在CP上升沿進(jìn)位,CR線為高電平時(shí)清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級(jí)聯(lián),通過將Q3連接至下一計(jì)數(shù)器的EN輸入端可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián),同時(shí)后者的CP輸入保持低電平。如圖3-2所示,555產(chǎn)生的1kHz的信號(hào)經(jīng)過三次分頻后得到3個(gè)頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。圖3-21kHz的方波分頻后波形圖3.2閘門電路設(shè)計(jì)如圖3-3所示,通過74151數(shù)據(jù)選擇器來選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的CBA接撥盤開關(guān)來對(duì)選頻進(jìn)行控制。當(dāng)CBA輸入001時(shí)74151輸出的方波的頻率是1Hz；當(dāng)CBA輸入010時(shí)74151輸出的方波的頻率是10Hz；當(dāng)CBA輸入011時(shí)74151輸出的方波的頻率是100Hz；這里我們以輸出100Hz的信號(hào)為例。分析其通過4017后出現(xiàn)的波形圖〔4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見附錄。4017是5位計(jì)數(shù)器,具有10個(gè)譯碼輸出端,CP,CR,INH輸入端,時(shí)鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能,對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無限制,INH為低電平時(shí),計(jì)數(shù)器清零。100Hz的方波作為4017的CP端,如圖3-3,信號(hào)通過4017后,從Q1輸出的信號(hào)高電平的脈寬剛好為100Hz信號(hào)的一個(gè)周期,相當(dāng)于將原信號(hào)二分頻。也就是Q1的輸出信號(hào)高電平持續(xù)的時(shí)間為10ms,那么這個(gè)信號(hào)可以用來導(dǎo)通閘門和關(guān)閉閘門。圖3-3閘門電路圖3-43.4小數(shù)點(diǎn)顯示電路設(shè)計(jì)在測(cè)量頻率的時(shí)候,由于分3個(gè)檔位,那么在不同的檔的時(shí)候,小數(shù)點(diǎn)也要跟著顯示。比如CBA接011測(cè)量頻率的時(shí)候,它所測(cè)信號(hào)頻率的范圍是0.1KHz~99.9KHz,那么在顯示的時(shí)候三個(gè)數(shù)碼管的第二個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)要顯示。CBA接010測(cè)量頻率的時(shí)候,它所測(cè)信號(hào)頻率的范圍是0.01KHz~9.99KHz,那么顯示的時(shí)候,最高位的數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)也要顯示。對(duì)比一下兩個(gè)輸入的高低電平可以發(fā)現(xiàn)CA位不一樣,顯示的小數(shù)點(diǎn)就不一樣。我們可以想到可以通過74153數(shù)據(jù)選擇器來實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)顯示的問題。具體的實(shí)現(xiàn)方法見圖3-7所示。3.5整體電路圖圖3-8整體電路圖3.6整機(jī)原件清單元件數(shù)量元件數(shù)量555定時(shí)器一片7404一片8.2K?一個(gè)4518兩片5.1K?一個(gè)撥盤開關(guān)一個(gè)10K電位器一個(gè)4017一片74151一片74160三片74153三片4511三片74132一片數(shù)碼管三個(gè)LED燈一個(gè)保護(hù)電阻四個(gè)0.01μF電容兩個(gè)5V直流電源一個(gè)導(dǎo)線若干第五章設(shè)計(jì)小結(jié)5.1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況通過為期兩周的課程設(shè)計(jì),完成了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo),剛開始設(shè)計(jì)的時(shí)候,由于控制電路這部分比較難搞定,所以在連接電路的時(shí)候,就會(huì)停下來設(shè)計(jì)控制電路,為了提高效率,在實(shí)際的操作中,先連好時(shí)基電路,分頻電路測(cè)試通過后,再把顯示電路和計(jì)數(shù)電路連好,調(diào)測(cè)符合要求。最后搞定控制電路的連接。最后完成的一塊電路板,它所實(shí)現(xiàn)的功能就是可以測(cè)被測(cè)信號(hào)的頻率,周期和脈寬。在調(diào)測(cè)的過程中發(fā)現(xiàn)測(cè)量頻率時(shí),檔位在1Hz~999Hz,最終得到的結(jié)果的誤差稍微大了點(diǎn),其他的測(cè)量結(jié)果非常接近測(cè)量值。5.2問題及改進(jìn)在設(shè)計(jì)的555構(gòu)成多諧振蕩器輸出的方波信號(hào),由于電路里面使用的電容元件,在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,隨著實(shí)驗(yàn)室里面溫度的變化,輸出信號(hào)的頻率也會(huì)發(fā)生變化,這是造成誤差的一個(gè)原因,為了在驗(yàn)收的時(shí)候提高測(cè)量的準(zhǔn)確性,所以在測(cè)量前要調(diào)節(jié)電位器,把產(chǎn)生的方波信號(hào)接示波器,測(cè)量其輸出頻率,調(diào)節(jié)電位器,使輸出的信號(hào)非常接近1KHz,這樣的話在后面的測(cè)量中會(huì)減小誤差。在調(diào)測(cè)計(jì)數(shù)顯示電路的時(shí)候,在連接4511元件的時(shí)候忘記了將4511的5端接地,導(dǎo)致數(shù)碼管無法計(jì)數(shù),在實(shí)驗(yàn)的過程中,連接好電路以后,發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng),然后通過示波器一個(gè)一個(gè)檢測(cè)元件的輸入和輸出信號(hào),看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分,對(duì)照電路圖進(jìn)行檢查修改,最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒有接地,導(dǎo)致元件的功能沒有實(shí)現(xiàn)。所以在連接電路的時(shí)候要細(xì)心,這也是要改進(jìn)的地方。不然的話就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)的連接上面的問題。在最終測(cè)量頻率很低的時(shí)候,那么本次電路測(cè)量頻率的算法就有了一定的缺點(diǎn)。例如,當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0.5Hz時(shí),其周期為2s,這時(shí)閘門的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應(yīng)該加寬閘門脈沖的寬度假設(shè)閘門脈沖寬度加至10S,則閘門導(dǎo)通期間可計(jì)數(shù)5次,由于計(jì)數(shù)值5是10s的計(jì)數(shù)結(jié)果,故在顯示之間必須將計(jì)數(shù)值除以10.加寬閘門信號(hào)也會(huì)帶來一些問題：計(jì)數(shù)結(jié)果要進(jìn)行除以10的運(yùn)算,每次測(cè)量的時(shí)間最少要10s,時(shí)間過長(zhǎng)不符合人們的測(cè)量習(xí)慣,由于閘門期間計(jì)數(shù)值過少,測(cè)量的精度也會(huì)下降。為了克服測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)的不足,可以使用另一種算法。將被測(cè)信號(hào)送入被測(cè)信號(hào)閘門產(chǎn)生電路,該電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào),脈寬與被測(cè)信號(hào)的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號(hào)控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。設(shè)置一個(gè)頻率精度較高的周期信號(hào)〔例如10KHz作為時(shí)基信號(hào),當(dāng)閘門導(dǎo)通時(shí),時(shí)基信號(hào)通過閘門到達(dá)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)。由于閘門導(dǎo)通時(shí)間與被測(cè)信號(hào)周期相同,則可根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和時(shí)基信號(hào)的周期算出被測(cè)信號(hào)的周期T。T=時(shí)基信號(hào)周期*計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值。再根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系,算出被測(cè)信號(hào)的頻率f。這里面就提供一個(gè)思想。沒有通過實(shí)踐去驗(yàn)證。不可避免,這個(gè)算法也有它自己的缺陷。5.3心得體會(huì)本次實(shí)習(xí)讓我們體味到設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測(cè)電路過程中的樂苦與甜。設(shè)計(jì)是我們將來必需的技能,這次實(shí)習(xí)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì),從到圖書館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路的調(diào)試再到最后電路的成型,都對(duì)我