數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器電子設(shè)計(jì)(共14頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 目 錄1. 實(shí)習(xí)目的12. 實(shí)習(xí)內(nèi)容.22.1 數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器測(cè)頻的基本原理32.2 頻率測(cè)量的技術(shù)指標(biāo).42.2.1 頻率準(zhǔn)確度.42.2.2 頻率測(cè)量范圍.42.2.3 數(shù)字顯示位數(shù).42.2.4 測(cè)量時(shí)間.42.3 數(shù)據(jù)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)52.3.1 放大整形電路.52.3.2 分頻電路.62.3.3 控制電路及門控電路.72.3.4 微分整形電路.82.3.5 延時(shí)電路.82.3.6 自動(dòng)清零電路.92.3.7 計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼顯示電路.102.4 我的電路分析112.4.1 電路模塊測(cè)試.122.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果.123 實(shí)習(xí)心得13附錄 附錄A 數(shù)字頻率計(jì)的原

2、理圖 1.實(shí)習(xí)目的電子線路實(shí)習(xí)時(shí)了配合模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)而開(kāi)設(shè)的。采用EAD技術(shù)中的multisim軟件來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行仿真運(yùn)行，讓學(xué)生完成EDA技術(shù)方面的初步訓(xùn)練，培養(yǎng)起掌握新技術(shù)的能力，以適應(yīng)當(dāng)今電子技術(shù)的飛速發(fā)展。以計(jì)算機(jī)仿真為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化即EAD技術(shù)已成為當(dāng)代電子電路及集成電路設(shè)計(jì)中不可缺少的重要手段。multisim是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它可以更靈活的進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)室難以達(dá)到的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行模擬，從而提高學(xué)生設(shè)計(jì)和分析電路的能力。通過(guò)綜合性設(shè)計(jì)能使學(xué)生會(huì)解決較復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題的能力，為其后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和以后 從事實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.實(shí)習(xí)內(nèi)容2.

3、1 數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器測(cè)頻的基本原理數(shù)字頻率計(jì)是用十進(jìn)制來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率可以表示為：因此，數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如下圖所示：圖1、數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖首先脈沖形成電路進(jìn)行波形變換將被測(cè)信號(hào)變成頻率等于fx的脈沖信號(hào)時(shí)基信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1S,則門控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確的等于1S。閘門電路有標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)控制，當(dāng)秒信號(hào)到來(lái)時(shí)，閘門開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器記得的脈沖數(shù)N是在

4、1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率fx=NHz。邏輯控制單元的作用有兩個(gè)：其一，產(chǎn)生清”0”脈沖，是計(jì)數(shù)器每次從零開(kāi)始計(jì)數(shù)；其二，產(chǎn)生鎖存信號(hào)，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。最后，將鎖存器中的數(shù)據(jù)送入譯碼顯示器即可實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。2.2頻率測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)2.2.1 頻率準(zhǔn)確度 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率時(shí)的測(cè)量誤差稱為頻率準(zhǔn)確度，常用相對(duì)誤差fx/fx來(lái)表示。分析表明：式中，1/（Tfx）=N/N稱為量化誤差，是數(shù)字頻率計(jì)所特有的誤差。fc/fc=T/T 稱為閘門時(shí)間的相對(duì)誤差，主要由基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度所決定，fc/fc<<1/(Tfx).2.2.2 頻率測(cè)量范圍 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量

5、的最高頻率成為頻率測(cè)量范圍，主要由脈沖形成電路的頻率響應(yīng)決定。2.2.3 數(shù)字顯示位數(shù) 頻率計(jì)的數(shù)字顯示的位數(shù)決定了數(shù)字頻率計(jì)的分辨率。一般情況下，位數(shù)越多分辨率越高，當(dāng)然需要的計(jì)數(shù)譯碼器的位數(shù)也就越多。2.2.4 測(cè)量時(shí)間 數(shù)字頻率計(jì)完成一次測(cè)量所需的總時(shí)間稱為測(cè)量時(shí)間。若用t表示總測(cè)量時(shí)間，則 t=t1+t2+t3+t4式中，t1準(zhǔn)備時(shí)間，t2計(jì)數(shù)時(shí)間，t3鎖存時(shí)間，t4復(fù)位時(shí)間2.3 數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)2.3.1 放大整形電路放大整形電路由晶體管 3DGl00與74LS00等組成，其中3DGl00組成放大器將輸入頻率為的周期信號(hào)如正弦波、三角波等進(jìn)行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸

6、發(fā)器，它對(duì)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。其電路如圖： 圖2 放大整形電路其中由C1端輸入未知頻率的波，74LS00組成的施密特觸發(fā)器將從3DG00放大的信號(hào)進(jìn)行整形變換，得到需要的方波.2.3.2 分頻電路主要由74LS160組成（74LS160的管腳圖，功能表及波形圖詳見(jiàn)附錄），因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是100KHz的脈沖,也就是其周期是0.00001s,而時(shí)基信號(hào)要求為0.001、0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，計(jì)數(shù)器級(jí)為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù)，在單個(gè)運(yùn)算中，EN輸入保持高電平，且

7、在CP上升沿進(jìn)位，CR線為高電平時(shí)清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級(jí)聯(lián)，通過(guò)將Q³連接至下一計(jì)數(shù)器的EN輸入端可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，同時(shí)后者的CP輸入保持低電平。 如圖3-2所示，555產(chǎn)生的1kHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)三次分頻后得到3個(gè)頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。圖3 分頻電路2.3.3 控制電路及門控電路 控制電路與主控門電路如圖192所示。主控電路由雙D觸發(fā)器CC4013及與非門CC4011構(gòu)成。CC4013(a)的任務(wù)是輸出閘門控制信號(hào)，以控制主控門(2)的開(kāi)啟與關(guān)閉。如果通過(guò)開(kāi)關(guān)S2 選擇一個(gè)時(shí)基信號(hào)，當(dāng)給與非門(1)輸入一個(gè)時(shí)基信號(hào)的下降沿時(shí)，門1就輸出一個(gè)上升沿，則CC4013（

8、a）的 Q1 端就由低電平變?yōu)楦唠娖?，將主控門2開(kāi)啟。允許被測(cè)信號(hào)通過(guò)該主控門并送至計(jì)數(shù)器輸入端進(jìn)行計(jì)數(shù)。相隔1s（或0.1s，10ms，1ms）后，又給與非門1輸入一個(gè)時(shí)基信號(hào)的下降沿，與非門1輸出端又產(chǎn)生一個(gè)上升沿，使CC4013（a）的Q1 端變?yōu)榈碗娖?，將主控門關(guān)閉，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)端產(chǎn)生一個(gè)上升沿，使CC4013（b）翻轉(zhuǎn)成Q21，0，由于0，它立即封鎖與非門1不再讓時(shí)基信號(hào)進(jìn)入CC4013（a），保證在顯示讀數(shù)的時(shí)間內(nèi) Q1 端始終保持低電平，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 圖4 控制電路及主控門電路 利用Q2端的上升沿送到下一級(jí)的延時(shí)、整形單元電路。當(dāng)?shù)竭_(dá)所調(diào)節(jié)的延時(shí)時(shí)間時(shí)，延時(shí)電路輸

9、出端立即輸出一個(gè)正脈沖，將計(jì)數(shù)器和所有D觸發(fā)器全部置0。復(fù)位后，Q10，1，為下一次測(cè)量作好準(zhǔn)備。當(dāng)時(shí)基信號(hào)又產(chǎn)生下降沿時(shí)，則上述過(guò)程重復(fù)。2.3.4微分、整形電路圖5如圖所示。Q2 端所產(chǎn)生的上升沿經(jīng)微分電路后，送到由與非門組成的斯密特整形電路的輸入端，在其輸出端可得到一個(gè)邊沿十分陡峭且具有一定脈沖寬度的負(fù)脈沖，然后再送至下一級(jí)延時(shí)電路。 2.3.5、 延時(shí)電路 延時(shí)電路由D觸發(fā)器、積分電路（由電位器RW1和電容器C2 組成）、非門（3）以及單穩(wěn)態(tài)電路所組成，如圖所示。由于的D3端接VDD ，因此，在P2 點(diǎn)所產(chǎn)生的上升沿作用下，翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)后0，由于開(kāi)機(jī)置“0”時(shí)或門輸出的正脈沖將的 Q3

10、端置“0”，因此1，經(jīng)二極管2AP9迅速給電容C2充電，使C2 二端的電壓達(dá)“1”電平，而此時(shí)0，電容器C2 經(jīng)電位器RW1 緩慢放電。當(dāng)電容器 C2 上的電壓放電降至非門（3）的閾值電平VT 時(shí)，非門（3）的輸出端立即產(chǎn)生一個(gè)上升沿，觸發(fā)下一級(jí)單穩(wěn)態(tài)電路。此時(shí)，P3 點(diǎn)輸出一個(gè)正脈沖，該脈沖寬度主要取決于時(shí)間常數(shù)Rt Ct 的值，延時(shí)時(shí)間為上一級(jí)電路的延時(shí)時(shí)間及這一級(jí)延時(shí)時(shí)間之和。由實(shí)驗(yàn)求得，如果電位器RW1用510的電阻代替，C2 取3f，則總的延遲時(shí)間也就是顯示器所顯示的時(shí)間為3s左右。如果電位器RW1用2M的電阻取代，C2 取22f，則顯示時(shí)間可達(dá)10s左右。可見(jiàn)，調(diào)節(jié)電位器RW1可以

11、改變顯示時(shí)間。圖6延時(shí)電路 2.3.6、自動(dòng)清零電路P3 點(diǎn)產(chǎn)生的正脈沖送到圖195所示的或門組成的自動(dòng)清零電路，將各計(jì)數(shù)器及所有的觸發(fā)器置零。在復(fù)位脈沖的作用下，Q30，1，于是端的高電平經(jīng)二極管2AP9再次對(duì)電容C2電，補(bǔ)上剛才放掉的電荷，使C2兩端的電壓恢復(fù)為高電平，又因?yàn)镃C4013(b)復(fù)位后使 Q2 再次變?yōu)楦唠娖?，所以與非門1又被開(kāi)啟，電路重復(fù)上述變化過(guò)程。圖7 自動(dòng)清零電路2.3.7 計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼顯示電路這部分電路是頻率計(jì)內(nèi)作重要的電路部分，由計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器、顯示器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。其中計(jì)數(shù)器按十進(jìn)制計(jì)數(shù)，由4個(gè)異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls90構(gòu)成，一次從個(gè)位開(kāi)始計(jì)數(shù)

12、，向上位發(fā)出進(jìn)位信號(hào)進(jìn)而使高位開(kāi)始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)輸出如果電路中不接鎖存器，則顯示器上的顯示數(shù)字就會(huì)隨計(jì)數(shù)器的狀態(tài)不停地變化，要使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)時(shí)，顯示器上的數(shù)字顯示能穩(wěn)定，就必須在計(jì)數(shù)器后接入鎖存器。圖 計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼電路鎖存器的工作是受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制的。門控信號(hào)的下降沿使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，單穩(wěn)1的上升沿作為鎖存器的時(shí)鐘脈沖。為了使計(jì)數(shù)器穩(wěn)定、準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)，在門控信號(hào)結(jié)束后，鎖存器將計(jì)數(shù)結(jié)果鎖存。單穩(wěn)1的暫態(tài)脈沖的下降沿使單穩(wěn)2進(jìn)入暫態(tài)，利用2的暫態(tài)對(duì)計(jì)數(shù)器清零，清零后的計(jì)數(shù)器又等待下一個(gè)門控信號(hào)到來(lái)重新計(jì)數(shù)。鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)所得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器穩(wěn)定地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)

13、器的值。1s計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)束時(shí)，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào)，將此時(shí)計(jì)數(shù)器的值送至數(shù)碼顯示器。選用鎖存器74LS273可以完成上述功能。當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來(lái)到時(shí)，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D，從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無(wú)論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來(lái)的狀態(tài)不變。所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。鎖存器在一個(gè)有效脈沖到來(lái)后將計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)鎖存，并輸出到數(shù)碼管譯碼器，四片譯碼器用74ls273實(shí)現(xiàn)。2.4 電路分析 數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號(hào)。它一般由放大整形電路、時(shí)基電路、邏輯控制電路

14、、閘門電路、計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。其基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路之后，輸出一個(gè)與待測(cè)信號(hào)同頻率的矩形脈沖信號(hào)，該信號(hào)在檢測(cè)閘門經(jīng)過(guò)選通信號(hào)的合成，產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)。控制脈沖經(jīng)過(guò)控制器中的門電路分別產(chǎn)生鎖存信號(hào)和計(jì)數(shù)器清零信號(hào)。計(jì)數(shù)信號(hào)并與鎖存信號(hào)和清零復(fù)位信號(hào)共同控制計(jì)數(shù)、鎖存和清零三個(gè)狀態(tài)，然后通過(guò)數(shù)碼顯示器件進(jìn)行顯示。圖9 數(shù)字頻率計(jì)組成框圖2.4.1電路模塊測(cè)試（1) 基準(zhǔn)時(shí)間檢測(cè) 關(guān)閉電源后，插上全部。依

15、次用示波器檢測(cè)基準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)器輸出波形。如無(wú)輸出波形或波形形狀不對(duì)，則應(yīng)對(duì) U1 、 U3,U2 各引腳的電平或信號(hào)波形進(jìn)行檢測(cè)，消除故障。（2）輸入放大與整形電路檢測(cè) 用示波器觀測(cè)整形電路 的輸出波形，正常情況下，可以觀測(cè)到與輸入頻率一致、信號(hào)幅值為 5V 左右的矩形波。如觀測(cè)不到輸出波形，或觀測(cè)到的波形形狀與幅值不對(duì)，則應(yīng)檢測(cè)這一部分電路，消除故障。如該部分電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測(cè)控制門。 (3) 控制門檢測(cè) 檢測(cè)控制門雙D觸發(fā)器 輸出信號(hào)波形，正常時(shí)，每間隔 1S 時(shí)間，可以在熒屏上觀測(cè)到被測(cè)信號(hào)的矩形波。如觀測(cè)不到波形，則應(yīng)檢測(cè)控制門的兩個(gè)輸入端的信號(hào)是否正常

16、, 并通過(guò)進(jìn)一步的檢測(cè)找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測(cè)計(jì)數(shù)器電路。 (4) 計(jì)數(shù)器電路的檢測(cè) 依次檢測(cè) 4 個(gè)計(jì)數(shù)器74LS160 時(shí)鐘端的輸入波形，正常時(shí)，相鄰計(jì)數(shù)器時(shí)鐘端的波形頻率依次相差 10 倍。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對(duì)計(jì)數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測(cè)。 (5) 顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測(cè) 檢測(cè)顯示譯碼器 74HC4511 各控制端與電源端引腳的電平，同時(shí)檢測(cè)數(shù)碼管各段對(duì)應(yīng)引腳的電平及公共端的電平。通過(guò)檢測(cè)與分析找出故障。2.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)輸入100HZ的方波，顯示器上顯示為097即實(shí)際讀數(shù)為0.097KHZ.當(dāng)

17、輸入200HZ的正玄波，顯示器上顯示為197.即實(shí)際讀數(shù)為0.197KHZ.3.心得體會(huì)本次實(shí)習(xí)讓我們體味到設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測(cè)電路過(guò)程中的樂(lè)苦與甜。設(shè)計(jì)是我們將來(lái)必需的技能，這次實(shí)習(xí)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從到圖書(shū)館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路的調(diào)試再到最后電路的成型，都對(duì)我所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)。在實(shí)習(xí)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了以前學(xué)的數(shù)字電路的知識(shí)掌握的不牢。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了一些以前沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)的元件，但是通過(guò)查找資料來(lái)學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用。制作過(guò)程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心的過(guò)程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對(duì)電路的調(diào)試要一步一步來(lái)，不能急躁，因?yàn)槭窃陔娔X上調(diào)試，比較慢，又要求

18、我們有一個(gè)比較正確的調(diào)試方法，像把頻率調(diào)準(zhǔn)等等。這又要我們要靈活處理，在不影響試驗(yàn)的前提下可以加快進(jìn)度。合理的分配時(shí)間。在設(shè)計(jì)控制電路的時(shí)候，我們可以連接譯碼顯示和計(jì)數(shù)電路，這樣就加快了完成的進(jìn)度。最重要的是要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)完后，總的感覺(jué)是：有收獲。以前上課都是上一些最基本的東西而現(xiàn)在卻可以將以前學(xué)的東西作出有實(shí)際價(jià)值的東西。在這個(gè)過(guò)程中，我的確學(xué)得到很多在書(shū)本上學(xué)不到的東西，如：如何利用現(xiàn)有的元件組裝得到設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)來(lái)畫(huà)圖等等。但也遇到了不少的挫折，有時(shí)遇到了一個(gè)錯(cuò)誤怎么找也找不到原因所在，找了老半天結(jié)果卻是接頭的方向接錯(cuò)了，有時(shí)更是忘接電源了。在學(xué)習(xí)中的小問(wèn)題在課堂上不可能犯，在動(dòng)手的過(guò)程中卻很有可能犯。特別是在接電路時(shí)，一不小心就會(huì)犯錯(cuò)，而且很不容易檢查出來(lái)。但現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，還是挺有成就感的。我的動(dòng)手能力