課程設(shè)計任務(wù)書-簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作2

1、學(xué) 號： 0121211350214課 程 設(shè) 計題 目簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計和制作學(xué) 院自動化學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級電氣1202班姓 名許萌指導(dǎo)教師石道生2014年6月25日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 許萌 專業(yè)班級： 電氣1202班 指導(dǎo)教師： 石道生 工作單位： 武漢理工大學(xué) 題 目: 簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作 初始條件：（1） 要求用直接測量法測量輸入信號的頻率（2） 輸入信號的頻率為19999HZ要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計任務(wù)及要求（2） 方案比較及認證（3） 系統(tǒng)框圖，原理說明（4） 硬件原理，完整電路圖

2、，采用器件的功能說明（5） 調(diào)試記錄及結(jié)果分析（6） 對成果的評價及改進方法（7） 總結(jié)（收獲及體會）（8） 參考資料（9） 附錄：器件表，芯片資料時間安排：6月16日6月19日：明確課題，收集資料，方案確定6月19日1月23日：整體設(shè)計，硬件電路調(diào)試6月23日6月26日；報告撰寫，交設(shè)計報告，答辯指導(dǎo)教師簽名： 2014年 6月 日 目錄摘要及設(shè)計要求 1第一章 系統(tǒng)概述 2 1.1數(shù)字頻率計的基本原理 2 1.2數(shù)字頻率計設(shè)計的系統(tǒng)框圖 1.3系統(tǒng)各部分功能論述 1.3.1波形放大電路 1.3.2波形整形電路 1.3.3時控電路 1.3.4計數(shù)電路 13.5 譯碼顯示電路第二章 單元電路的

3、設(shè)計與分析 第三章 系統(tǒng)綜述，總體電路圖 3.1 數(shù)字頻率計設(shè)計原理圖 3.2參數(shù)及誤差 第四章 總結(jié) 參考文獻 附錄. 答疑.個人的收獲及感想. 摘要數(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。它被廣泛應(yīng)用與航天、電子、測控等領(lǐng)域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標準信號一起通過一個閘門，然后用計數(shù)器計數(shù)信號脈沖的個數(shù)，把標準時間內(nèi)的計數(shù)的結(jié)果，用鎖存器鎖存起來，最后用顯示譯碼器，把鎖存的結(jié)果用LED數(shù)碼顯示管顯示出來。本文設(shè)計的是要求用直接測量法測量輸入信號的頻率，并且能夠直接地顯示頻率在1Hz至9999Hz范圍內(nèi)的被測信號的頻率。 根據(jù)

4、數(shù)字頻率計的基本原理及設(shè)計的基本要求，本文設(shè)計的基本思想是分為五個模塊，即放大電路、整形電路、定時電路、計數(shù)電路和譯碼顯示電路。其中放大電路是由集成運算放大器和幾個電阻組成的，整形電路是由555定時器構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器組成，定時電路是由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，計數(shù)電路是由四塊74LS160芯片組成，譯碼顯示電路是由四塊74LS48芯片及四塊數(shù)碼管組成。 整個設(shè)計電路可以顯示被測信號的頻率，并且還有清零端，當(dāng)測完一個被測信號后，通過一個開關(guān)就可以清零，為下次測量做準備。整機元件少、成本低、易于制作?？蓴U展性強，若需增大測頻范圍，只需增加數(shù)碼管與驅(qū)動塊即可。全部采用通用元件，易于購買與

5、制作。整個課題完成的整個過程是我先設(shè)計電路，然后通過功能強大的multisim軟件仿真得出正確結(jié)果，最后去電子市場購買所需電子器件，并組裝成完整電路實現(xiàn)頻率計數(shù)的功能，其中我設(shè)計電路時就已經(jīng)計劃好了所買器件必須要便宜并且易于購買，最后撰寫論文。 關(guān)鍵詞：計數(shù)器 multisim軟件 74LS160 555定時器 簡單數(shù)字頻率計的設(shè)計和制作1.1數(shù)字頻率計的基本原理 數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，

6、同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。1.2方案一方案一為利用鎖存器和計數(shù)器設(shè)計的數(shù)字頻率計。其基本原理是待測信號經(jīng)過放大整形成幅值變大頻率不變的方波脈沖，與時基電路產(chǎn)生的標準時基信號進入門閘電路，時鐘電路控制計數(shù)器的計數(shù)與保持狀態(tài)，高電平計數(shù)，低電平計數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)進入鎖存器進行鎖存顯示。其原理框圖如下所示： 方案二方案二為利用時控電路與計數(shù)器設(shè)計的數(shù)字頻率計。其基本原理是待測信號經(jīng)過放大整形成幅值變大頻率不變的方波脈沖，與時控電路中555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時產(chǎn)生的標

7、準1s信號同時送入計數(shù)器，使計數(shù)器在標準1s內(nèi)對待測信號內(nèi)含有的脈沖數(shù)進行計數(shù)，并譯碼顯示；同時利用時控電路里的單刀雙擲開關(guān)，根據(jù)芯片邏輯功能對計數(shù)器進行清零，以便計數(shù)。其原理框圖如下所示：方案分析與選擇兩個方案最大的區(qū)別在于時控電路對計數(shù)的控制以及譯碼信號的鎖存。方案一的實際原理偏復(fù)雜，用 multisim可以仿真出正確的結(jié)果，但是由于較方案二多出兩塊鎖存器芯片，增添了實物操作、調(diào)試時的負擔(dān)。方案二的核心設(shè)計知識均來自于課本，整體結(jié)構(gòu)簡單，元器件數(shù)目少、常見易用，能夠通過仿真驗證其功能實現(xiàn)的正確性，并且設(shè)計有清零端口使實際運用時操作更直接。綜合考慮設(shè)計原理難易程度、制作與調(diào)試易實現(xiàn)程度、元器

8、件使用難易三方面，選擇方案二。3 單元電路設(shè)計與分析3.1 放大電路為了能測量不同電平值與波形的周期信號和頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理，使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號。由運算放大器使信號幅值擴展，其放大倍數(shù)為R3/R1。放大電路的連接圖如圖所示：圖3 放大電路連接圖3.2 整形電路波形的整形用到了555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，利用其波形變換、整形的功能將三角波、正弦波等變成矩形波，整形后變?yōu)檩^理想的方波脈沖。整形電路的連接圖如圖所示：圖4 整形電路連接圖3.3 時控電路本文的時控電路是由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和一個與門組成的，而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是由555定時器組成，通常單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用有定時、

9、延時和噪聲消除，本文是利用它的定時作用，即只有在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖時間內(nèi)，輸入信號才有可能通過與門。假設(shè)輸入信號經(jīng)過放大整形成了被測信號，時控電路使之在輸出脈沖時間內(nèi)進入計數(shù)器計數(shù)，以測出被測信號頻率。時控電路的連接圖如圖所示：同時，利用時控電路的單刀雙擲開關(guān)SW1對計數(shù)器進行清零，方便下一次計數(shù)。 圖5 時控電路連接圖該部分單元電路用到了與門74LS08，其引腳圖和功能表如下圖所示： 圖6 74LS08引腳圖 表1 74LS08功能表3.4 計數(shù)電路本文要求測出頻率為197999HZ的輸入信號的頻率所以必須要求構(gòu)成一個四位十進制計數(shù)器。4LS160是一個具有異步清零、同步置數(shù)、可以保持狀態(tài)不變

10、的十進制上升沿計數(shù)器。圖7 74LS160的引腳圖表2 74LS160芯片的功能H高電平 L低電平 上升沿從低到高跳變 X任意異步清零RD為低電平時，不管始終端CP信號狀態(tài)如何，都可以完成清零功能。160的預(yù)置是同步的，當(dāng)置入控制器為低電平時，在CP上升沿作用下，輸出端Q0Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0P3一致。對于74160，當(dāng)CP由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)器控制端CEPCET為高電平，則PE應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而74LS160無此種限制。160的計數(shù)是同步的，靠CP同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。在不外加門電路的情況下，可以級聯(lián)成為N位同步計數(shù)器。本設(shè)計利用其計數(shù)功能，運用四個74LS160

11、，將ENP/ENT與下一位的RCO連接，級聯(lián)成一個4位10進制計數(shù)器。其連接圖如下圖所示：圖8 計數(shù)電路連接圖3.5 譯碼顯示電路它將正弦波輸入信號整形成同頻率的方波，系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器構(gòu)成，整形后的方波送到閘門一遍計數(shù)。整形電路的電路圖如圖所示：本設(shè)計中譯碼與顯示電路譯碼器選用74LS48，為共陰型譯碼器，故選用共陰型數(shù)碼管。引腳圖與功能表如下所示： 圖9 74LS48引腳圖共陰極數(shù)碼管的接地端接低電平，其他a.b.c.d.e.f.g與譯碼器相應(yīng)的引腳相連如下圖：圖10 譯碼顯示電路的連接圖表3 74LS48功能表 4 總體電路設(shè)計與分析4.2 電路仿真與調(diào)試本設(shè)計的簡單頻率計數(shù)器

12、分為五個模塊，分別是信號放大模塊、信號整形模塊、時控電路模塊、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊。其中信號放大與整形模塊屬于模擬電子技術(shù)的范疇，時控、計數(shù)與譯碼顯示屬于數(shù)字電子技術(shù)的范疇。為了保證單元電路設(shè)計的正確性，使用Proteus繪制時查閱了大量資料，并對每個模塊進行了仿真，利用內(nèi)部的虛擬示波器進行檢測與監(jiān)控，直到每個模塊都能實現(xiàn)各自的功能。例如，對待測信號為500HZ正弦波的放大整形單元進行仿真測試與監(jiān)控，證明電路設(shè)計與連接的正確性：圖12 放大整形電路仿真連接圖圖13 放大整形電路仿真波形圖(Channel A)當(dāng)輸入一頻率為500HZ幅值為1V的正弦波，仿真的步驟是，在Proteus軟件仿真頁

13、面中確保開關(guān)SW1和SW2接高電平，點擊左下端的"play"開始進行仿真，此時顯示器顯示為"0000"，觸發(fā)開關(guān)SW2使其有高電平到低電平，即再一次下降沿時觸發(fā)它，開始仿真。一段時間穩(wěn)定后顯示所測信號的頻率501HZ。加入的實際信號頻率為500HZ，仿真存在一定的誤差，誤差為(501-500)/(500)*100%=0.2%，另測了3組數(shù)據(jù)分別是300HZ下測出302HZ,689HZ下測出691HZ，991HZ下測出994HZ，以上數(shù)據(jù)可以在誤差范圍內(nèi)可以證明電路的正確性。 附錄 -1-2 施密特觸發(fā)器的構(gòu)成 施密特觸發(fā)器也有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器

14、不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負向遞減和正向遞增兩種不同化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓。 門電路有一個閾值電壓，當(dāng)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

15、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(guān)電路，具有突變輸入輸出特性的門電路。這種電路被設(shè)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。 斯密特波形圖 利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)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。 555定時器 555定時器是一種集成電路如圖2-1-3所示，因集成電路內(nèi)部含有三個5千歐電阻而得名利用555

16、定時器可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。本次設(shè)計我采用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，因為它只需將2號腳和六號腳連在一起作信號的輸入端，即可方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器。圖2-1-3 CB555的電路結(jié)構(gòu)只要將555定時器的2號腳和6號腳接在一起，就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器?？梢院営洖椤岸淮睢薄Ｈ鐖D2-1-4 圖2-1-4 施密特觸發(fā)器連接圖 參考文獻：1林濤 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 清華大學(xué)出版社 2006年第1版2劉南平 數(shù)字頻率計設(shè)計方案 現(xiàn)代電子設(shè)計與制作技術(shù)M. 2004年第2版3畢滿清  電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社，20054張洪潤電子線路與

17、電子技術(shù)M清華大學(xué)出版社2005年  5郝波數(shù)字電路M電子工業(yè)出版社2003年   6 徐成, 劉彥, 李仁發(fā), 等. 一種全同步數(shù)字頻率測量方法的研究J. 電子技術(shù)應(yīng)用7 魏西峰. 全同步數(shù)字頻率測量方法的研究J. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2005,8 謝自美電子線路設(shè)計實驗測試M華中科技大學(xué)出版社2000年9 任中民數(shù)字電子技術(shù)M清華大學(xué)出版社2005年  答疑1. 電路中的施密特觸發(fā)器的作用？答：施密特觸發(fā)器可以將放大電路的其他波形轉(zhuǎn)化為方波，便用計數(shù)。2整個電路的原理？答：數(shù)字頻率計主體是10進制的數(shù)字鐘，外面輸入一個信號，檢測它，然后顯示數(shù)據(jù)后用鎖存器鎖住，并用顯示屏顯示處理來。因為外面信號電壓低，為了讓電路檢測到必須用一個放大電路，并把波形轉(zhuǎn)化為方波，然后準備一個閥門電路作為對比。 個人的收獲以及感想： 當(dāng)