電子技術(shù)課程設(shè)計-數(shù)字頻率計的設(shè)計.doc

電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字頻率計的設(shè)計專業(yè)：班級：姓名指導(dǎo)教師：日期：目錄引言第一章系統(tǒng)概述一、設(shè)計方案的選擇1、計數(shù)法2、計時法二、整體框圖及原理第二章單元電路設(shè)計一、放大電路設(shè)計二、閘門電路設(shè)計三、時基電路設(shè)計四、控制電路設(shè)計五、報警電路設(shè)計六、整體電路圖七、整機元件清單第三章設(shè)計小結(jié)一、設(shè)計任務(wù)完成情況二、問題及改進三、心得體會鳴謝附錄引言題目：數(shù)字頻率計的設(shè)計初始條件：本設(shè)計可以使用在數(shù)模電理論課上學(xué)過或沒學(xué)過的集成器件和必要的門電路構(gòu)建簡易頻率計，用數(shù)碼管顯示頻率計數(shù)值。要求完成的主要任務(wù)：設(shè)計一個頻率計。要求用4位7段數(shù)碼管顯示待測頻率，并用發(fā)光二極管表示單位。測量頻率的范圍：100hz100khz。測量信號類型：正弦波和方波。具有超量程報警功能。摘要：本次課程設(shè)是基于TTL系列芯片的簡易數(shù)字頻率計,數(shù)字頻率計應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路和模擬電路的知識進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，所有電路仿真均基于Multisim仿真軟件。本課程設(shè)計介紹了簡易頻率計的設(shè)計方案及其基本原理，并著重介紹了頻率計各單元電路的設(shè)計思路，原理及仿真，整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。設(shè)計共有三大組成部分：一是原理電路的設(shè)計，本部分詳細講解了電路的理論實現(xiàn)，是關(guān)鍵部分；二是性能測試，這部分用于測試設(shè)計是否符合任務(wù)要求。三是是對本次課程設(shè)計的總結(jié)。關(guān)鍵字：頻率計、TTL芯片、時基電路、邏輯控制、分頻、計數(shù)、報警第一章系統(tǒng)概述一、設(shè)計方案的選擇信號的頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T為產(chǎn)生N個脈沖所需的時間。計數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測信號的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。測量頻率的基本方法有兩種：計數(shù)法和計時法，或稱測頻法和測周期法。1、計數(shù)法計數(shù)法是將被測信號通過一個定時閘門加到計數(shù)器進行計數(shù)的方法，如果閘門打開的時間為T，計數(shù)器得到的計數(shù)值為N1，則被測頻率為f=N1/T。改變時間T，則可改變測量頻率范圍。如圖（1-1-1）計數(shù)值N1T被測信號標準閘門圖1-1-1測頻法測量原理設(shè)在T期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值應(yīng)為N,根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)特性可知，N1的絕對誤差是N1=N+1,N1的相對誤差為N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相對誤差可知，N的數(shù)值愈大，相對誤差愈小，成反比關(guān)系。因此，在f以確定的條件下，為減少N的相對誤差，可通過增大T的方法來降低測量誤差。當T為某確定值時（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對誤差：f1=(f1-f)/f=1/f從上式可知f1的相對誤差與f成反比關(guān)系，即信號頻率越高，誤差越小；而信號頻率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。2、計時法計時法又稱為測周期法，測周期法使用被測信號來控制閘門的開閉，而將標準時基脈沖通過閘門加到計數(shù)器，閘門在外信號的一個周期內(nèi)打開，這樣計數(shù)器得到的計數(shù)值就是標準時基脈沖外信號的周期值，然后求周期值的倒數(shù)，就得到所測頻率值。首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間是一個信號周期T的方波信號；然后用一個一直周期T1的高頻方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期T的時間內(nèi)對T1信號進行計數(shù)，如圖（1-1-2）圖1-1-2計時法測量原理若在T時間內(nèi)的計數(shù)值為N2,則有：T2=N2*T1f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2N2的絕對誤差為N2=N+1N2的相對誤差為N2=(N2-N)/N=1/NT2的相對誤差為T2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1從T2的相對誤差可以看出，周期測量的誤差與信號頻率成正比，而與高頻標準計數(shù)信號的頻率成反比。當f1為常數(shù)時，被測信號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。根據(jù)本設(shè)計要求的性能與技術(shù)指標，首先需要確定能滿足這些指標的頻率測量方法。由上述頻率測量原理與方法的討論可知，計時法適合于對低頻信號的測量，而計數(shù)法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用計時法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運算才能得到信號頻率，而求倒數(shù)運算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實現(xiàn)，因此，計時法不適合本實驗要求。測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越大，信號頻率越高，其誤差就越小。但用測頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為一秒時，不需要進行任何換算，計數(shù)器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。因此，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。二、整體框圖及原理輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波，方波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為方波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成方波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。（如仿真圖2-1-5）當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。（如仿真圖2-1-4）頻率測量：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。時基信號由石英晶體多諧振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。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)，這樣就達到了測量頻率的目的。計數(shù)顯示電路：在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。控制電路：控制電路需要控制幾個模塊。包括計數(shù)電路，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產(chǎn)生控制信號控制所要控制的模塊，同時會產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結(jié)果穩(wěn)定。第二章單元電路設(shè)計一、放大整形電路對信號的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來實現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字電路器件當輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當輸入小于這個閾值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個閾值，一個是高電平的閾值，輸入從低電平向高電平變化時，僅當大于這個閾值時才為高電平，而從高電平向低電平變化時即使小于這個閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不這；低電平閾值具有相同的特點。方案一：放大整形電路由三極管與與非門組成。三極管構(gòu)成的放大器將輸入頻率為fx的周期信號如正弦波、三角波、等進行放大。將電源電壓設(shè)為5V,當輸入信號幅值比較大時，會出現(xiàn)線性失真，將放大后的波形幅度控制在5V以內(nèi)。與非門構(gòu)成施密特觸發(fā)器對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。方案二：放大部分同方案一，整形部分是由555構(gòu)成的施密特整形電路。方案對比：用與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器因為閾值電壓易受受溫度、電源電壓及干擾的影響，穩(wěn)定性較差。而555定時器的比較器靈敏度高，輸出驅(qū)動電路大，并且且555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡單，而且抗干擾能力比用與非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器要強，因此選用方案二。555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器將555定時器的uI6和uI2輸入端連在一起作信號的輸入端，即可組成施密特觸發(fā)器。如圖（2-1-1）所示。為了濾除高頻干擾，提高比較器參考電壓的穩(wěn)定性，通常將5腳通過0.01F電容接地。如果輸入信號電壓是一個三角波，當uI從0逐漸增大時，若uIUCC/3時，比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平，使基本RS觸發(fā)器置1，則輸出u0=1；若uI增加到uI2UCC/3時，比較器C1輸出低