《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計數(shù)字頻率計設(shè)計

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 數(shù)字頻率計設(shè)計 初始條件：計算機，ewb512軟件要求完成的主要任務(wù): 設(shè)計一簡易數(shù)字頻率計，其基本要求是：1)測量頻率范圍1hz10hz，量程分為4檔，即1，10，100，1000。2)頻率測量準(zhǔn)確度.3)被測信號可以是下弦波、三角波和方波。4)顯示方式為4位十進制數(shù)顯示。5)使用ewb進行仿真。時間安排：第17周（7、8節(jié)）：理論講解，新1-02第1819周：理論設(shè)計及實驗室安裝調(diào)試；地點：鑒主15通信工程實驗室（1），鑒主13通信工程專業(yè)實驗室；第20周：撰寫設(shè)計報告及答辯；地點：鑒主17樓研究室。指導(dǎo)教師簽名： 2

2、008年 6月2 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 目 錄摘 要1abstract21.方案比較31.1方案一 數(shù)字頻率計31.2 方案二 由icm7216d構(gòu)成的單片數(shù)字頻率計42.實驗原理72.1 數(shù)字頻率計的基本原理722數(shù)字頻率計的主要技術(shù)指標(biāo)82.2.1頻率準(zhǔn)確度82.2.2頻率測量范圍82.3各部分的作用及電路選擇82.3.1放大整形電路82.3.2 時基電路92.3.3 邏輯控制電路112.3.4 鎖存器112.3.5計數(shù)器122.3.6 譯碼電路123 各部分電路仿真143.1放大整形電路的電路圖和仿真143.2 時基電路的電路圖和仿真153.3 邏輯控制電路的電路圖和仿真

3、163.4 計數(shù)器的電路圖和仿真173.5 譯碼電路的電路圖和仿真184總原理圖195小結(jié)196元件清單217參考文獻(xiàn)21摘 要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，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。數(shù)字頻率計測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量。 本文介紹了數(shù)字頻率計的設(shè)

4、計過程，并用ewb對電路進行了仿真。abstractin electronic technology, the frequency is one of the most basic parameters, and the senate, and many of the measurement, the measurement results have very close relations, so the frequency of measurements, it is much more important. measuring the frequency of a number of m

5、eans, including electronic counter measure the frequency with high precision, ease of use, rapid measurement, and to facilitate realization of the advantages of full automation of measurement, frequency measurement is one of the important means. digital frequency of measuring frequency in two ways:

6、first, direct measurement of the frequency, or within a certain time gates measuring the number of detected signals in pulses; second, the frequency of indirect measurement, such as measuring the frequency of cycles. direct frequency measurement law is applicable to high-frequency signals in the fre

7、quency of measurements, indirect frequency measurement law is applicable to low-frequency signals in the frequency of measurement. in this paper, digital frequency of the design process, with ewb and the simulation of the circuit.數(shù)字頻率計設(shè)計1.方案比較1.1方案一 數(shù)字頻率計圖1-1-1所示的是數(shù)字頻率計的組成框圖，被測信號vx經(jīng)放大電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號

8、，其頻率與被測信號的頻率fx相同。時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號，騎高點平持續(xù)時間t1=1s，當(dāng)1s信號來到時，這門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，知道1s信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。若在閘門時間1s內(nèi)計數(shù)器記得的脈沖個數(shù)為n，則被測信號頻率fx=n（hz）。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清零脈沖，是計數(shù)器每次測量從0開始計數(shù)。各信號之間的時序關(guān)系如圖1-1-2所示圖1-1-1 數(shù)字頻率計的組成框圖圖1-1-2 數(shù)字頻率計的波形圖1.2 方案二 由icm7216d構(gòu)成的單片數(shù)字頻率計 由icm7216d構(gòu)成的10mhz頻率計電路如圖1-2

9、所示，他采用+5v單電源供電。高精度晶振體和c1、c2、r3構(gòu)成10mhz并聯(lián)震蕩電路，以產(chǎn)生時間基準(zhǔn)頻率信號，經(jīng)內(nèi)部分頻后產(chǎn)生閘門時間。被測頻率從28腳輸入。開關(guān)s1s9選擇不同的工作模式，例如，當(dāng)s4接通時，將1腳與d4連接為數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，但led消隱。當(dāng)s5接通時，全部數(shù)碼管顯示8，小數(shù)點也都亮。s1s5下面分別串接一只隔離二極管，防止開關(guān)接通時短路。s6為量程選擇開關(guān)，將14腳分別與d1、d2、d3、d4連接，可一次獲得0.01s、0.1s、1s和10s的閘門時間。sb1是復(fù)位清零按鈕。sb2是讀數(shù)保持按鈕，其功能與開關(guān)s4不同，當(dāng)sb2按下時計數(shù)器復(fù)零，但鎖存器內(nèi)部原有的數(shù)據(jù)被保存并

10、現(xiàn)實出來。如圖1-2所示，位輸出用的8根輸出線，一端分別接到d1d8的引腳上，另一端對應(yīng)排列接至led的公共陰極。同樣7段輸出a、b、c、d、e、f、g與小數(shù)點輸出dp用的8根線分別接到8個led的相應(yīng)段上。第1位至第7位led顯示器的小數(shù)點均與dp端接通，第8位顯示器的小數(shù)點用來表示輸入頻率過載。亦可在dp端與d8端直接外接一發(fā)光二極管作過載指示。圖1-2所示電路中，r1和c3用來減小噪聲，r3給內(nèi)部振蕩電路提供直流偏置，c2用來微調(diào)振蕩頻率，r2是下拉電阻，是保持端在常態(tài)下呈低電平。icm7216d要求輸入信號的高電平vih3.5v低電平vil1.9v，脈寬大于50ns，所以實際應(yīng)用中，需

11、根據(jù)具體情況加一些輔助電路。如用場效應(yīng)管源極跟隨器作輸入緩沖級，后面再加一級寬帶電壓放大器、整形器、電平轉(zhuǎn)換器，將被測信號變成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號再輸入28腳。圖1-2-1 單片數(shù)字頻率計的電路圖icm7216d為大規(guī)模集成電路，它把計數(shù)、鎖存、譯碼、位和段驅(qū)動、量程及小數(shù)點選擇等電路集成在一片芯片上，只需要外接少量元件就可以構(gòu)成頻率范圍為10mhz的數(shù)字頻率計。 該方案優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元器件少。缺點：電路原理復(fù)雜，且考慮到單片機需要用到編程，設(shè)計難度較大，不容易實現(xiàn)。 綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點，最終選擇用方案一來實現(xiàn)本數(shù)字頻率計的設(shè)計。2.實驗原理2.1 數(shù)字頻率計的基本原理 頻率計的基本

12、原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。頻率計的設(shè)計關(guān)鍵是控制電路的設(shè)計，控制電路產(chǎn)生頻率測量所需的閘門、清零和鎖存信號。這些信號具有

13、一定的時序關(guān)系。 為了保證測量的精確性，在每次閘門信號變?yōu)楦咝盘柷埃仨毥o計數(shù)器提供一個清零信號。當(dāng)閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)閘門信號為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)。 如果閘門寬度為1s，則閘門時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值即為被測信號的頻率；改變閘門寬度可以改變頻率計的量程，閘門寬度越小，頻率計的量程越大。另一種擴大量程的方法為：閘門寬度保持不變，對被測信號先進行分頻，然后再對其測頻。相對來說，后者更加容易實現(xiàn)。 圖2-1 數(shù)字頻率計的組成框圖22數(shù)字頻率計的主要技術(shù)指標(biāo)2.2.1頻率準(zhǔn)確度 一般用相對誤差來表示,即 fx/fx=(1/tfx+|fc/fc|) 式中，1/tfx=n/n=1/n

14、為量化誤差(即1個字誤差),是數(shù)字儀器所特有的誤差。當(dāng)閘門時間t選定后,fx越低,量化誤差越大; fc/fc=t/t為閘門時間相對誤差,主要由時基電路標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度決定, fc/fc1/tfx 。2.2.2頻率測量范圍 在輸入電壓符合規(guī)定要求值時,能夠正常進行測量的頻率區(qū)間稱為頻率測量范圍.頻率測量范圍主要由放大整形電路的頻率響應(yīng)決定. 2.2.3數(shù)字顯示位數(shù) 頻率計的數(shù)字顯示位數(shù)決定了頻率計的分辨率.位數(shù)越多,分辨率越高. 2.2.4測量時間 頻率計完成一次測量所需要的時間,包括準(zhǔn)備,計數(shù),鎖存和復(fù)位時間.2.3各部分的作用及電路選擇2.3.1放大整形電路波形處理電路由晶體管3dg100與

15、74ls00等組成，其中3dg100組成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。與非門74ls00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖2-3-1放大整形電路2.3.2 時基電路時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號（高電平持續(xù)時間為1s），由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生（當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間的精度要求較高時，應(yīng)通過晶體振蕩器分頻獲得），如圖2-3-2所示。若振蕩器的頻率f0=1/（t1+t2）=0.8hz，則振蕩器的輸出波形如圖1-1-2的波形所示，其中t1=1s，t2=0.25s。由公式t1=0.7（r1+r2）c和t2=1.7r2c,可計算出電阻r1

16、、r2及電容c的值。若取電容c=10uf，則r2=t2/0.7c=35.7k 取標(biāo)稱值36k r1=(t1/0.7c)-r2=107k 取r1=47k rp=100k圖2-3-2 時基電路的電路圖 圖2-3-3 555定時器內(nèi)部電路 圖2-3-4 555定時器引腳圖 圖2-3-5 555定時器功能表2.3.3 邏輯控制電路根據(jù)圖1-1-2所示波形，在時基信號結(jié)束時產(chǎn)生的負(fù)跳變用來產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號的負(fù)跳變又用來產(chǎn)生清零信號。脈沖信號和可由兩個555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，他們的脈沖寬度有電路的時間常數(shù)決定。555定時器的內(nèi)部構(gòu)成、引腳圖及功能表如圖2-3-6所示。設(shè)鎖存信號和清零信號

17、的脈沖寬度tw=0.02s，則tw=0.45rextcext=0.02s若去rext=10k，則cext=tw/0.45rext=4.4f 取標(biāo)稱值4.7f圖2-3-6 邏輯控制電路的電路圖2.3.4 鎖存器鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束后所計的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。如圖2-2-4所示，1s計數(shù)時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)成出鎖存信號，將此時計數(shù)器的值送譯碼顯示器。選用8d鎖存器74ls273可以完成上述功能。當(dāng)時鐘脈沖cp的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，即q=d。從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論d為何值，輸出端q的狀態(tài)仍保持原來的狀

18、態(tài)qn不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。 圖2-3-7 74ls273引腳圖 圖2-3-8 74ls273功能表2.3.5計數(shù)器計數(shù)器在t觸發(fā)器輸出信號的控制下，對經(jīng)過整形的待測信號進行脈沖計數(shù)，所得結(jié)果乘以量程即為待測信號頻率。根據(jù)精度要求，采用4個十進制計數(shù)器級聯(lián)，構(gòu)成n=1000計數(shù)器。十進制計數(shù)器采用74ls90實現(xiàn)。其電路圖如圖xxx所示。其中計數(shù)器的清零信號由延遲反相器提供，控制信號由t觸發(fā)器提供，計數(shù)器輸出結(jié)果送入鎖存器。計數(shù)器的結(jié)果進入鎖存器鎖存，4個七段數(shù)碼管顯示測試信號的頻率。圖 2-3-9 74ls90功能表2.3.6 譯碼電路市場上比較多見數(shù)碼顯示器件是led數(shù)碼管，它有亮度高、售價低等特點，非常適合本電路制作。數(shù)碼管的外形尺寸和內(nèi)部構(gòu)造如圖所示，圖2-4-0 數(shù)碼管的外部圖和內(nèi)部構(gòu)造主要參數(shù)如下：1.6v4.2v；功耗400mw，工作電流10ma；分共陽共陰兩種極性，本電路選用共陰。其引腳按頂視圖的（1）腳開始，順時針讀數(shù)，（3）腳和（8）腳為公共腳，其中（5）腳為小數(shù)點，本電路不做連接。引腳分別如下：數(shù)碼管與配套的驅(qū)動集成器件一起工作，通常稱為段譯碼器，本電路使用74ls48，共需四塊。電路連接如下圖。圖2-4-1 譯碼電路的電路