課程設計---長安大學簡易數(shù)字頻率計

1、電工與電子技術基礎課程設計報告 題 目 簡易數(shù)字頻率計 學院（部） 汽車學院 專 業(yè) 能源與動力工程 班 級 學生姓名 學 號 6 月 20 日至 6 月 24 日 共 1 周 指導教師（簽字） 目錄簡易數(shù)字頻率計（一）主要技術指標和要求3（二）摘要3（三）方案論證與選擇3（四）原理框圖5（五）總體電路圖及工作過程5（六）單元電路的設計和元器件的選擇6（七）收獲與體會12（八）附件13（九）教師評語14 簡易數(shù)字頻率計（一）主要技術指標和要求：（1） 被測信號的頻率范圍100Hz10kHz；（2） 輸入信號為正弦信號或方波信號；（3） 用四位數(shù)碼管顯示所測頻率值，并用紅、綠色發(fā)光二極管表示單位

2、；*（4） 具有超量程報警功能。（二） 摘要數(shù)字頻率計在數(shù)字電路中應用廣泛是用量最大、品種很多的產(chǎn)品，是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域不可缺少的測量儀器，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。本課題主要選擇以集成芯片作為核心器件，設計了一個簡易數(shù)字頻率計，以觸發(fā)器和計數(shù)器為核心，由信號輸入、整形，觸發(fā)、計數(shù)、鎖存、和數(shù)據(jù)顯示、超量程報警等功能模塊組成。放大整型電路：由電壓比較器對被測信號進行預處理輸出數(shù)字信號；閘門電路：由D觸發(fā)器構成一個秒信號，攫取單位時間內(nèi)進入計數(shù)器的脈沖個數(shù)；時基信號：產(chǎn)生一個秒信號；計數(shù)器譯碼電路：計數(shù)譯碼集成

3、在一塊芯片上，計單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)，把十進制計數(shù)器計數(shù)結果譯成BCD碼；顯示：把BCD碼譯碼在數(shù)碼管顯示出來。設計中采用了模塊化設計方法，采用適當?shù)姆糯蠛驼?，并且有兩個檔位Hz和 KHz提高了測量頻率的范圍。（三） 方案論證與選擇1. 對于測頻率的方法主要有以下幾種計數(shù)法（M法）計數(shù)法又稱測頻法，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。設在T期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值應為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

4、/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f成反比關系，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。側周法（T法）首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電頻時間和低電平時間都是一個信號周期T的方波信號；然后用一個已知周期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)對此高頻信號進

5、行計數(shù)。若在T時間內(nèi)的計數(shù)值為N2,則有T2=N2*Toscf2=1T2=foscN2N2的絕對誤差為N=1N2的相對誤差為 N2=N2-NN=N1-NN=1N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，而與高頻你標準計數(shù)信號的頻率成反比。當fosc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)本設計要求的性能與技術指標，首先需要確定能滿足這些指標的頻率測量方法。有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

6、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。2.時基電路的論證經(jīng)過網(wǎng)上資料的對比時基電路主要有以下兩種方法石英晶體振蕩器石英晶體的震蕩頻率極為穩(wěn)定，因而用它構成的多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形波脈沖的穩(wěn)定性很高，但是石英晶體的造價比較高。555定時器組成的多諧振蕩器由555定時器組成的多諧振蕩器構造和原理都比較簡單而且頻率和占空比都可以調(diào)節(jié)，并且造價比較低。綜合以上兩種方法我們選擇由

7、555定時器組成的多諧振蕩器來作為計數(shù)器的時基電路。3.放大整形電路的論證電壓比較器電壓比較器的作用是比較輸入電壓和參考電壓,在輸出端以高電平和低電平(即為數(shù)字信號的1或0)來反應比較結果。應用電壓比較器的這一性質我們可以處理被測信號。施密特整形電路 門電路有一個閾值電壓，當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀

8、態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。 它是一種閾值開關電路，具有突變輸入輸出特性的門電路。這種電路被設計成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。 利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。為了簡單起見我們選擇既可以達到要求又比較方便的電壓比較器做為整形電路。（四）原理框圖多諧振蕩器邏輯控制電路顯示器譯碼器鎖存器計數(shù)器閘門電路整形電路時基電路信號輸入超出量程？報警（指示燈亮）NY時

9、基電路HZ KHZ （五）總體電路圖及工作過程整體電路的工作過程：由于輸入的信號可以是正弦波，三角波，而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個放大整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。通過一個時基電路產(chǎn)生1Hz和1KHz的脈沖，通過邏輯控制電路將上述脈沖周期加倍用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門信號。該閘門信號控制閘門電路的導通與開斷。讓被測信號送入閘門電路，當1s閘門脈沖到來時閘門導通，被測信號通過閘門并到達后面的計數(shù)電路（計數(shù)電路用以計算被測輸入信號的周期數(shù)），當1s閘門結束時，閘門再次關閉，此時計數(shù)器記錄的數(shù)據(jù)通過鎖存器固定再通過譯碼顯示電路顯示出來，即為被測信號的頻率。

10、測量頻率的差與閘門信號的精度直接相關。整體電路圖如下:（六）單元電路的設計和元器件的選擇1.放大整形電路將輸入的正弦信號或方波信號經(jīng)電壓比較器放大整形成數(shù)字電路能夠識別的方波信號，和脈沖信號共同控制閘門的開和關。此設計選用電壓比較器來對被測信號進行放大整形電路圖如下所示。通過一個運算放大器LM324構成電壓比較器，使用單電源連接。LM324的引腳圖如上所示。2.時基電路與分頻通過555振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz和1K Hz的基準信號。然后1KHZ的信號通過三個十進制計數(shù)器74LS160組成的三個十分頻器將信號變成頻率為1Hz的脈沖，兩個脈沖作為計數(shù)電路的閘門信號的兩個檔位。電路圖如下所示(用555

11、組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器輸出頻率為1K Hz的信號)。參數(shù)的計算555分頻器輸出信號的頻率f=1/0.7(R1+X1+R2)C=1000Hz,占空比D=R1/(R1+X1+R2)=0.5，因此選擇R1=1K，R2=1K,X1=4 K,C=0.24F。在測量頻率的時候，由于分兩個顯示單位，那么在不同的單位的時候，比如測量頻率的單位需要顯示Hz的時候，那么在顯示的時候四個數(shù)碼管的小數(shù)點不需要顯示，此時綠燈亮。測量頻率的單位需要顯示KHz的時候，那么顯示的時候，四個數(shù)碼管第二個位的數(shù)碼管的小數(shù)點要顯示，也就是當顯示的數(shù)值以KHz顯示時，后面有兩位小數(shù)以保證測量值度，并且此時紅燈亮，表示單位是KHz

12、。電路圖下3.邏輯控制電路用一個D觸發(fā)器連接成一個T觸發(fā)器，因為T觸發(fā)器的邏輯功能是每來一個時鐘脈沖，翻轉一次，具有計數(shù)功能。當輸入信號的頻率為1Hz時即周期為1S時，輸出信號的頻率變?yōu)?.5Hz，周期變?yōu)?S；當輸入信號的頻率為1KHz時，輸出信號的頻率為500Hz。所以輸出信號作為閘門控制信號就可以實現(xiàn)在1S（1ms）內(nèi)使閘門打開，被測信號通過閘門，1S（1ms）后關閉，如此循環(huán)就可以實現(xiàn)測量輸入信號的頻率的作用。電路圖如下選擇74LS74做D觸發(fā)器，其功能和管腳圖如下CPDQn+1CPDQn+101QnQn0101該觸發(fā)器的特點如下CP=0或CP=1期間，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)均保持不變；只有

13、在CP由0變?yōu)? 時Q端才能跟著D輸入端變化。4.計數(shù)電路用4個74LS160計數(shù)器構成計數(shù)電路，進位輸出端RCO與計數(shù)控制端ET EP相連，當?shù)臀挥嫈?shù)器信號為1001（十進制9）時，RCO端產(chǎn)生高電平，向高位計數(shù)器進位，如此循環(huán)可以用來測量在一個脈沖內(nèi)被測信號通過計數(shù)器的次數(shù)N，如果脈沖是1s高電平則頻率f=N,如果脈沖是1ms高電平則頻率f=1000N。電路圖如下所示計數(shù)電路的控制信號由放大整形后的輸入信號和邏輯控制電路的輸出信號Q經(jīng)過一個與門構成的，以實現(xiàn)在單位時間內(nèi)計數(shù)的作用,清零信號Rd=CP*Q，實現(xiàn)測頻之前清零的作用。 74LS160的邏輯狀態(tài)表如下74LS160的管腳圖其中1為

14、清零端，低電平有效；2為始終輸入端CP，上升沿有效；36為數(shù)據(jù)輸入端；7,10為計數(shù)控制端ET,EP,兩者軍為高電平時計數(shù)；9為同步并行置數(shù)端，低電平有效；1114為數(shù)據(jù)輸出端；15為進位輸出端RCO,高電平有效。5.鎖存電路鎖存電路的作用就是在計數(shù)完畢后將計數(shù)器測得的頻率值鎖存起來，否則在顯示器上我們看到的就會是一個不斷快速變化的數(shù)字，得不到穩(wěn)定的測量值。鎖存信號CP2=CP*Q,將計數(shù)器測量的頻率值鎖存。電路圖如下74LS175外引腳排列圖和功能表如圖其中,RD是異步清零控制端。在往寄存器中寄存數(shù)據(jù)或代碼之前，必須先將寄存器清零,否則有可能出錯。1D4D 是數(shù)據(jù)輸入端,在CP 脈沖上升沿作

15、用下，1D4D端的數(shù)據(jù)被并行地存入寄存器。輸出數(shù)據(jù)可以并行從1Q4Q 端引出，也可以并行從1Q4Q 端引出反碼輸出。6.報警電路報警電路是在最高位的十進制計數(shù)器74LS160的進位端加一個蜂鳴器或者是LED燈，當有進位時蜂鳴器就會發(fā)出響聲，LED燈會亮起來，以此提醒被測信號頻率超出量程。7.譯碼顯示電路電路圖如下選擇74LS247和BS204組成譯碼顯示電路。（其中限流電阻的值為510）74LS247的功能表如下引腳圖8.穩(wěn)壓電源的設計電路圖，用W7805集成穩(wěn)壓器做成一個集成穩(wěn)壓電源，C1用以抵消輸入端較長接線的電感效應，防止產(chǎn)生自激振蕩，一般在0.11F之間，這里選擇1F。C2可用1F。輸

16、出固定正電壓5V，電流范圍5mA1.5A。（七）收獲與體會通過本次課程設計讓我們更好地了解簡易數(shù)字頻率計的工作原理以及應用，此外讓我們明白設計電路、連接電路過程中的苦與甜。同時這次課程設計為我們提供了一個應用自己所學知識運用到實踐的機會。讓我們明白理論與實踐的巨大差別。為了完成本次任務我們從圖書館、網(wǎng)上查找資料，這很好的檢驗并提高了我們的自主學習能力，也可以對我們所學這門課程進行鞏固。在設計制作的過程中，發(fā)現(xiàn)了以前所學的模電數(shù)電的知識掌握地不夠扎實。同時，在設計的過程中，遇到了一些以前沒有用過的元件，但是通過查找資料來學習這些元件的功能和使用，進一步得到了提升。本次課程設計告訴我們，我們先要熟練地掌握課本中所學的知識并加以綜合運用，然后，要明白理論與實際的差別，注意將所學東西用到實際上，這樣才能加深對知識的理解及遇到問題自主分析解決能力。最后非常感謝我們小組的所有成員，通過大家的共同努力，才可以完成本次課程設計。