電子設(shè)計(jì)信號(hào)頻率測(cè)量?jī)x

1、信號(hào)頻率測(cè)量?jī)x摘 要 在數(shù)字電路中，信號(hào)頻率測(cè)量?jī)x屬于時(shí)序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構(gòu)成。在計(jì)算機(jī)及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應(yīng)用。在cmos電路系列產(chǎn)品中，信號(hào)頻率測(cè)量?jī)x是用量最大、品種很多的產(chǎn)品，是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器， 測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測(cè)量就顯得更為重要。 本設(shè)計(jì)包括三個(gè)模塊：信號(hào)源、頻率測(cè)量?jī)x和數(shù)字顯示。1簡(jiǎn) 介1.1功能及特點(diǎn) 數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它不僅可以測(cè)量正弦波的頻率，還可以測(cè)量方波、三角波和尖脈沖信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)在測(cè)量其它物理量如轉(zhuǎn)速、振蕩頻率等方面獲得廣

2、泛應(yīng)用。周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）里變化的次數(shù)即頻率。如果在一定時(shí)間間隔t內(nèi)測(cè)得的這個(gè)周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)n,則周期信號(hào)的頻率f=n/t。1.2 應(yīng)用的意義由于數(shù)字頻率計(jì)的功能及作用，它被廣泛應(yīng)用于航天、電子、測(cè)控等領(lǐng)域，在實(shí)際生產(chǎn)、生活及教學(xué)活動(dòng)中起著非常重要的作用。2設(shè)計(jì)方案數(shù)字頻率計(jì)的硬件電路框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由輸入整形電路、晶體振蕩器、分頻器及量程選擇開關(guān)、門控電路、邏輯控制電路、閘門、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路等組成。首先，把被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大、整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號(hào)，然后將它加到閘門的一個(gè)輸入端。閘門的另一個(gè)輸入信號(hào)是門控電路發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，只有在門控電路輸入高電平時(shí)，閘

3、門被打開，被測(cè)量的脈沖通過(guò)閘門進(jìn)入到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。門控電路輸出高電平的時(shí)間t是非常精確的，它是由一個(gè)高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器和一個(gè)多級(jí)分頻器及量程選擇開關(guān)共同決定。邏輯控制電路是控制計(jì)數(shù)器的工作順序的，使計(jì)數(shù)器按照一定的工作程序（準(zhǔn)備、計(jì)數(shù)、顯示、清零、準(zhǔn)備下一次測(cè)量）進(jìn)行有條理的工作。放大整形電路技術(shù)、譯碼、顯示閘 門fx門控電路邏 輯 控 制量程選擇開關(guān)分 頻 器石 英 振 蕩 器圖1 數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)：1 數(shù)字頻率計(jì)可測(cè)量正弦波、三角波、方波、尖脈沖及其它各種周期性信號(hào)。2 顯示方式：具有十進(jìn)制數(shù)字顯示功能。（依據(jù)測(cè)量范圍可變化）3 測(cè)量誤差： 1

4、%。(發(fā)揮部分：0.1%)4 測(cè)量范圍：1khz100khz（發(fā)揮部分：1hz1mhz）。2.2 方案論證方案一：測(cè)頻法（m法）對(duì)頻率為f的周期信號(hào)，測(cè)頻法的實(shí)現(xiàn)方法，是用以標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)的重復(fù)周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)果為n時(shí)，其頻率為：fs=n1/f測(cè)為標(biāo)準(zhǔn)閘門寬度，n1是計(jì)數(shù)器計(jì)出的脈沖個(gè)數(shù)，設(shè)在tg期間，計(jì)數(shù)器的精確計(jì)數(shù)值為n，根據(jù)計(jì)數(shù)器的技術(shù)特性可知，n1的絕對(duì)誤差是n1=n1, n1的相對(duì)誤差為： &n1=(n1-n)/n=(n1-n)/n=1/n由n1的相對(duì)誤差可知，n（或n1）的數(shù)值愈大，相對(duì)誤差愈小，成反比關(guān)系。因此，在f已確定的條件下，為減小n1的相對(duì)誤差，可通過(guò)增大

5、tg的方法來(lái)降低測(cè)量誤差。但是，增大tg會(huì)使頻率測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)tg為確定值時(shí)(tg=1s)，則有f=n，固有f1的相對(duì)誤差：&f1=(f1-f)/f=(f1-f)/f=1/f由上式可知，f1的相對(duì)誤差與f成反比關(guān)系，即信號(hào)頻率越高，誤差越??；而信號(hào)頻率越低，則測(cè)量誤差越大。因此，測(cè)頻法適合于對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量，頻率越高，測(cè)量精度也越高。方案二：測(cè)周期法（t法）首先把被測(cè)信號(hào)通過(guò)二分頻，獲得一個(gè)高電頻時(shí)間和低電平時(shí)間都是一個(gè)信號(hào)周期t的方波信號(hào)；然后用一個(gè)已知周期的高頻方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，在一個(gè)信號(hào)周期t的時(shí)間內(nèi)對(duì)此高頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若在t時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為n2,則有t2=n2toscf2=

6、1/t2=1/n2tosc=fobs/n2n2的絕對(duì)誤差為n=1，n2的相對(duì)誤差為&n2=(n2-n)/n=(n1-n)/n=1/n從t2的相對(duì)誤差可以看出，周期測(cè)量的誤差與信號(hào)頻率成正比，而與高頻你標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率成反比。當(dāng)fosc為常數(shù)時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越低，誤差越小，測(cè)量精度也就越高。方案三：t/m法t/m法測(cè)量是采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，分別對(duì)被測(cè)信號(hào)f和高頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，t/m法的測(cè)量在確定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，若對(duì)被測(cè)信號(hào)f的計(jì)數(shù)值為n1，而對(duì)高頻信號(hào)fosc的計(jì)數(shù)值為n2.但對(duì)fosc信號(hào)的計(jì)數(shù)，必須直到f信號(hào)在第一個(gè)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)后的一個(gè)完整的f信號(hào)周期。 由此可得，n1個(gè)f信號(hào)周期的時(shí)間為t2

7、=n2tosc，故每個(gè)f信號(hào)周期的時(shí)間為t3=n2tosc/n1則有 f3=1/t=n1/n2tosc=n1fosc/n2由t3的相對(duì)誤差可知，t/m發(fā)測(cè)量的誤差與信號(hào)頻率成正比，與高頻標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率成反比，但隨f的增大，n1也在增大（在一定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)）。由上式還可以看出，t3的相對(duì)誤差實(shí)際上是由m法誤差f/fosc兩部分組成。直接測(cè)頻法和間接測(cè)頻法分別適用于高頻和低頻信號(hào)的頻率測(cè)量，為了提高頻率計(jì)的量程，本設(shè)計(jì)采用直接測(cè)頻法。且所設(shè)計(jì)的頻率計(jì)具有精確高、測(cè)量迅速，耗能少，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。電路分析及參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 信號(hào)源用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，然后用過(guò)零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過(guò)積分電路產(chǎn)

8、生三角波，其電路框圖如下圖所示。 正弦波：直流電源就是震蕩能源，在電路中存在噪聲當(dāng)w=w0=1/rc這一頻率成分經(jīng)過(guò)放大。通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)最后輸出正弦波。 rw r2r4 c 15v + _v0 r3 cr1 -15v 調(diào)整電阻rw （即改變了反饋rf ），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說(shuō)明負(fù)反饋太強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大rf ，如波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減少rf。 改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)c 或r，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容c 作頻率量程切換（粗調(diào)），而調(diào)節(jié)r作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。方波：vt1=vref+voh vt2=vref+vol 本電路中vref=0，所以 vt1=voh vt2=vol

9、令初始時(shí)間t=0,兩個(gè)時(shí)刻t1,t2。假設(shè)t=0時(shí)，vi vol，輸出v0,當(dāng)vi voh，輸出從v0變?yōu)?v0，之后vi在大于v內(nèi)變化時(shí)，保持-v0不變。當(dāng)t=t2時(shí)，vi vol，輸出又從-v0變?yōu)関0。之后不斷的重復(fù)，形成方波。 15vvi r3 _ r4 v0 + r1 -15vr2三角波：積分電路u0=-+u0(t1)當(dāng)輸入為方波時(shí)，利用積分電路，可以輸出三角波。 15v vi _ v0 + -15v直流電源：先將220v交流電通過(guò)變壓器變小，再通過(guò)整流，最后輸出直流電給運(yùn)算放大器供電。+_3.2 放大整形電路由于輸入信號(hào)的幅度比較小，要測(cè)量其頻率大小，首先要進(jìn)行放大整形，將正弦波、

10、三角波、方波、尖脈沖及其它各種周期性信號(hào)變換成同頻方波信號(hào)。實(shí)現(xiàn)此功能的電路圖如圖2所示。信號(hào)首先經(jīng)過(guò)兩只二極管d1、d2進(jìn)行輸入嵌位限幅，然后通過(guò)兩級(jí)三極管組成的共射級(jí)放大器進(jìn)行放大，然后將放大后的信號(hào)送入cd4093施密特觸發(fā)器（cd4093由四個(gè)2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成。每個(gè)電路均為在兩輸入端具有斯密特觸發(fā)功能的2輸入與非門。每個(gè)門在信號(hào)的上升和下降沿的不同點(diǎn)開、關(guān)。上升電壓(v p)t和下降電壓(v n)之差定義為滯后電壓(v t)。）整形，從而得到上、下沿非常陡峭的方波信號(hào)。圖 2 輸入信號(hào)放大電路3.3石英晶體振蕩器為了得到高精度、高穩(wěn)定度的時(shí)基信號(hào)，需要有一個(gè)高穩(wěn)定度的高頻信

11、號(hào)源。產(chǎn)生此時(shí)基信號(hào)的電路圖如圖3所示。圖中rf為反饋電阻，為門電路提供合適的工作點(diǎn)，使其工作在線性狀態(tài)。電容c是耦合電容，石英晶體選用10mhz晶體，該電路的振蕩頻率為10mhz。 cs 10mhz 0.047uf f0 g3g1g2 c 74ls04 rf rf 500 500 圖 3 石英晶體振蕩器3.4分頻器及量程選擇分頻器是由多級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，目的是得到不同標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)。采用4片雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器cd4518級(jí)聯(lián)10hz、1hz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電路圖如圖4所示。至于量程的選擇，主要是根據(jù)輸入信號(hào)頻率的大小，選擇不同的時(shí)基信號(hào)。對(duì)于1khzf10khz的輸入信號(hào)，量程選擇開關(guān)可打在1的位置上；

12、對(duì)于10khzf1mhz的輸入信號(hào)，量程選擇開關(guān)可打在10的在電路處理上，將單位時(shí)間縮小為0.1s,測(cè)量值為數(shù)顯值10；即選用1、10三檔作為脈沖輸入的門控時(shí)間，可完成設(shè)計(jì)指標(biāo)中基本測(cè)量量程和發(fā)揮部分量程的選擇。cd4518功能表輸 入輸出功能cpcrenlh加記數(shù)ll加記數(shù)lx保持xlllhlxhx全部為l圖 4 分頻器及量程選擇電路3.5門控及邏輯控制電路門控及邏輯控制電路的功能是：在時(shí)標(biāo)脈沖的作用下，首先輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如1s），在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器記錄下輸入脈沖的個(gè)數(shù)；然后邏輯控制電路發(fā)出一鎖存保持信號(hào)，使記錄下的脈沖個(gè)數(shù)被顯示一段時(shí)間，以便觀察者看清并記錄下來(lái)；接下來(lái)邏輯控制電路輸

13、出一清零脈沖，使計(jì)數(shù)器的原記錄數(shù)據(jù)被清零，準(zhǔn)備下次計(jì)數(shù)。如圖5所示電路可實(shí)現(xiàn)上述功能。q0穩(wěn)態(tài)輸入建立前 q 的電平 /q0穩(wěn)態(tài)輸入建立前/q 的電平在圖5所示電路中，雙jk觸發(fā)器74ls107中的f1觸發(fā)器用來(lái)計(jì)數(shù)門控脈沖，當(dāng)q1為高電平時(shí)被測(cè)量的脈沖就通過(guò)閘門g送入計(jì)數(shù)器。若f1的時(shí)鐘cp選用周期為1s的時(shí)基信號(hào)，q1輸出門控信號(hào)的高電平寬度為1s，這時(shí)計(jì)數(shù)器記錄的即是1s內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，即輸入信號(hào)的頻率。f2是閉鎖觸發(fā)器，它保證在f1形成一次門控信號(hào)后，需要間隔顯示和清零兩段時(shí)間后，才能再形成下一次門控信號(hào)。電路中三個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ic1、ic2、ic3分別決定了顯示、清零及等待三階段的

14、時(shí)間。其中顯示單穩(wěn)ic1暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短一般由觀察者選定，本設(shè)計(jì)選在1s左右。清零單穩(wěn)ic2的輸出脈沖較窄，一般選擇0.1s左右，供多位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器清零之用。等待單穩(wěn)ic3的輸出脈沖更窄，選擇0.05s，它的作用是解除f2的閉鎖作用，以便使f1形成新的門控信號(hào)。時(shí)基信號(hào)、門控信號(hào)及顯示、清零、等待信號(hào)的時(shí)序關(guān)系圖如圖6所示。3.6計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路頻率計(jì)的計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路如圖7所示。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求最大輸入信號(hào)頻率為1mhz，最大量程擴(kuò)展10，選用6位led數(shù)碼管。計(jì)數(shù)器采用74ls192組成6位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，bcd碼顯示譯碼器選用cd4511。cd4511譯碼器用于驅(qū)動(dòng)共陰極led數(shù)碼

15、管，它是將鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身的電路。鎖存器的作用是避免在計(jì)數(shù)過(guò)程中出現(xiàn)跳數(shù)現(xiàn)象，便于觀察和記錄。其中l(wèi)e端是鎖存控制端，le=0時(shí)選通，le=1時(shí)鎖存，故用顯示單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ic1的輸出控制顯示譯碼器cd4511的le端，可實(shí)現(xiàn)正常的顯示。清零單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ic2的輸出連到6位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的清零端。圖中連接在led數(shù)碼管公共端對(duì)地的電阻是限流電阻。4.結(jié)論完成情況、未完成的原因、心得體會(huì)、存在的問(wèn)題、進(jìn)一步努力的方向。完成情況：本設(shè)計(jì)完成了所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)并有所發(fā)揮。其中信號(hào)源可以輸出頻率范圍為1khz100khz；頻率計(jì)測(cè)量范圍為1khz1mhz，測(cè)量誤差1%，具有可調(diào)量程、周期測(cè)

16、量、十進(jìn)制數(shù)字顯示等功能。心得體會(huì)：在這次信號(hào)頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)到圖書館和上網(wǎng)查找資料使我們小隊(duì)成員收獲頗多，懂得了很多集成塊芯片的功能與應(yīng)用，同時(shí)也鍛煉了查找資料的能力。通過(guò)上網(wǎng)查找資料，發(fā)現(xiàn)了很多對(duì)我大有裨益的電子教育教學(xué)網(wǎng)站和一些有關(guān)電子的論壇，增長(zhǎng)了見識(shí)。我們覺得做設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)偏向理論，純理論性的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我了解了許多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的應(yīng)用有了更多新的認(rèn)識(shí)。這次信號(hào)頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)還讓我知道了做一項(xiàng)工程的步驟，即確定項(xiàng)目、查資料、選方案、設(shè)計(jì)電路、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯，理論聯(lián)

17、系實(shí)際，培養(yǎng)和提高創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。存在的問(wèn)題：由于時(shí)間有限，信號(hào)源部分參數(shù)未計(jì)算，只設(shè)計(jì)出了基本原理?？筛倪M(jìn)的地方很多。例如，正弦波發(fā)生電路中，為了使振蕩幅度穩(wěn)定，可以在放大電路的負(fù)反饋回路里加入非線性元件來(lái)自動(dòng)調(diào)整負(fù)反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。即在電阻r4兩端并聯(lián)兩個(gè)二極管d1、d2（互相反接）。當(dāng)輸出電壓的幅度較小時(shí)，電阻r4兩端的電壓低，二極管d1、d2截止，負(fù)反饋系數(shù)由r3、rw及r4決定；當(dāng)輸出電壓的幅度增加到一定程度時(shí)，二極管d1、d2在正負(fù)半周輪流工作，其動(dòng)態(tài)電阻與r4并聯(lián)，使負(fù)反饋系數(shù)加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動(dòng)態(tài)電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。頻率測(cè)量?jī)x部分，還可以增加其他有益附加功能，如增加部分電路，使其可以測(cè)量轉(zhuǎn)速等物理量。改進(jìn)的方向：可以在提高信號(hào)源輸出頻率范圍上、信號(hào)頻率測(cè)量?jī)x測(cè)量誤差、提高信號(hào)頻率