電路CAD課程設(shè)計(jì)頻率計(jì)

1、摘要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)，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，因此頻率測量就顯得更加重要。測量頻率的方法有很多種，其中數(shù)字計(jì)數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便，測量迅速，以便于是先測量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一。數(shù)字計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式：意識直接測頻法，即在一定的閘門時(shí)間內(nèi)測量被測信號的脈沖個(gè)數(shù)；而是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的測量，簡介測頻法適用于低頻信號的測量，本文敘述了間接測頻即周期測頻法測量頻率的過程。關(guān)鍵字：74ls160,555定時(shí)器，矩形波發(fā)生器。Abstract: In electronictechnolog

2、y, frequency is the most basic parameters, and with many electric parameter measurement, measurement results are very close relationship, so frequency measurement is more important. Method of measuring frequency there are a lot of kinds, including electronic technology companies measure frequency ha

3、s high precision, easy to use, measurement quickly, so that the first measurement process automation, etc, is one of the important means of frequency measurement. Consciousness of electronic counter measure frequency has two ways: direct frequency measuring method, namely, in a certain gate time mea

4、surement of the measured signal pulse number; But indirect frequency measurement method, such as the cycle frequency measuring method. Direct frequency measurement method is suitable for high frequency signal measurement, the introduction of frequency measurement method is suitable for low frequency

5、 signal measurement, this paper describes the indirect frequency measuring the cycle frequency measuring method to measure the frequency of process.一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求4二、 方案選擇與論證42.1 系統(tǒng)原理框圖1：42.2 圖1中各電路工作原理：5三、單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算說明53.1 25ms閘門時(shí)間控制電路5（1）方案論證5（2）閘門控制電路63.2 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路8（1）555定時(shí)器電路組成及引腳圖8(2)555的工作原理8（

6、3）555構(gòu)成施密特觸發(fā)器的主要原理83.3 計(jì)數(shù)顯示電路93.4：電路，元件，芯片選擇10四、元器件選擇及參數(shù)說明、總原理圖104.1電路工作說明及元件清單104.3總原理圖11五、 總原理框圖125.1 總PCB圖125.2：新建元器件封裝13六、結(jié)論與心得14七：參考文獻(xiàn)14一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡易頻率計(jì)，該頻率計(jì)測量頻率小于40kHz，要求測量數(shù)據(jù)顯示3秒以上，被測信號為幅值小于10V的正弦波，輸入信號可以為鋸齒波，尖脈沖，三角波。2、 方案選擇與論證所謂頻率就是在單位時(shí)間1s內(nèi)周期變化的次數(shù)，若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測得周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為f=N/T。2.1 系統(tǒng)

7、原理框圖1：圖1 簡易頻率計(jì)原理框圖2.2 圖1中各電路工作原理：（1） 整形電路：將各種形式的被測信號轉(zhuǎn)換成矩形波，能更準(zhǔn)確地觸發(fā)計(jì)數(shù)器對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。（2） 時(shí)間控制電路：讓被被測信號在一定時(shí)間內(nèi)觸發(fā)，讓計(jì)數(shù)器在以固定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)。（3） 顯示電路：將固定時(shí)間內(nèi)對被測信號周期數(shù)顯示出來。（4） 測量電路：用計(jì)數(shù)器對周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。三、單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算說明3.1 25ms閘門時(shí)間控制電路（1）方案論證方案一：利用矩形波發(fā)生器產(chǎn)生周期為25ms的矩形波作為閘門時(shí)間控制電路。圖2 矩形波發(fā)生器它由兩部分組成 ，第一部分是RC構(gòu)成的充放電回路，第二部分是放大器構(gòu)成的滯回比較電路。滯回比較器的兩種不同

8、輸出使RC電路進(jìn)行充電或放電，電容上的電壓將升高或降低，電容上的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，從而使RC電路由充電過程變?yōu)榉烹娺^程或相反，如此反復(fù)，在滯回比較器的輸出端即可得到矩形波。改變電路中電位器滑動(dòng)端的位置即可調(diào)節(jié)占空比，而總的振蕩周期不受影響。方案二：利用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生閘門信號。如圖 5所示：5端接電容0.01uF電容，起濾波作用，將2與6端接在一起作為輸入信號的輸入端，就構(gòu)成了施密特電路形式，將三極管輸出端（7）通過電阻R接到電源，就構(gòu)成集電極開路們反相器的形式；其輸出再通過積分電路反饋至輸入就構(gòu)成自激多諧振蕩器。主要通過電容C的充放電產(chǎn)生矩形波。計(jì)算公式：電容充

9、電暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間,放電穩(wěn)定時(shí)間：，電路輸出矩形波脈沖周期為,占空比為 ,輸出波形如 圖 6所示。從波形圖可以看出，我們雖然可以改變電容C和兩個(gè)電阻的大小來輸出不同周期的矩形波，但是隨著周期的增大，輸出波形高電平持續(xù)時(shí)間更長，而低電平持續(xù)時(shí)間更短，最后會(huì)導(dǎo)致高低電平不明顯，且產(chǎn)生不正常的矩形波，影響閘門控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。而放大器構(gòu)成的矩形波發(fā)生器就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，因此我們選擇了矩形波發(fā)生器作為閘門控制電路。（2）閘門控制電路其中,則T=25ms將25ms矩形波輸出信號接入一片74ls160計(jì)數(shù)斷，當(dāng)計(jì)數(shù)端記到0001時(shí)觸發(fā)總計(jì)數(shù)端對被測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)端記到0010時(shí)則停止計(jì)數(shù)，這個(gè)信號可以用

10、來導(dǎo)通閘門和關(guān)閉閘門。圖3 閘門信號控制電路圖 4 閘門仿真波形圖 5 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖6 多諧振蕩器輸出波形3.2 555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測量的時(shí)候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。（1）555定時(shí)器電路組成及引腳圖圖7 555外形尺寸及內(nèi)部電路(2)555的工作原理它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器C1同相比較端和低電平比較器C2的反相輸入端的參考

11、電平為Vcc32和Vcc31。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過Vcc32時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于Vcc31時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。DR是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接Vcc。Vco是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出Vcc32作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01Fm的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)

12、定。（3）555構(gòu)成施密特觸發(fā)器的主要原理主要工作原理：如圖3所示，當(dāng)Vi=0時(shí)，由于V11=V12=Vi=0,電壓比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平；基本RS觸發(fā)器被置“1”態(tài)；則Vi=1，當(dāng)Vi繼續(xù)上升，但在未達(dá)到2/3Vcc以前，VO=1不會(huì)變。當(dāng)Vi升高到2/3Vcc時(shí)，電壓比較器C1輸出低電平，C2輸出高電平；基本RS觸發(fā)器被置“0”態(tài)；則VO=0，此后，Vi繼續(xù)上升到Vcc，然后再降低，但在降低未達(dá)到1/3Vcc以前，VO=0的狀態(tài)同樣也不會(huì)改變。當(dāng)Vi下降到1/3Vcc時(shí)，電壓比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平；基本RS觸發(fā)器被置“1”態(tài)；則VO=1，此后，vi繼續(xù)下降到0，

13、然后再上升，但在未達(dá)到2/3Vcc以前，VO=1的狀態(tài)不會(huì)改變圖 8 3.3 計(jì)數(shù)顯示電路74LS160為可預(yù)置的十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，其管腳圖如圖所示：RCO 進(jìn)位輸出端ENP計(jì)數(shù)控制端QA-QD 輸出端ENT計(jì)數(shù)控制端CLK 時(shí)鐘輸入端CLR異步清零端（低電平有效）LOAD同步并行置入端（低電平有效）。這種同步可預(yù)置十進(jìn)計(jì)數(shù)器是由四個(gè)D型觸發(fā)器和若干個(gè)門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進(jìn)位，計(jì)數(shù)，預(yù)置，異步清零等功能，對所有觸發(fā)器同時(shí)加上時(shí)鐘，使得當(dāng)計(jì)數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時(shí)輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實(shí)現(xiàn)同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時(shí)鐘）計(jì)數(shù)器中常有的輸出計(jì)數(shù)尖峰。緩沖時(shí)鐘輸入將在時(shí)鐘輸入上升

14、沿觸發(fā)四個(gè)觸發(fā)器。圖 9 74ls160功能表圖 103.4：電路，元件，芯片選擇在選擇這些電路中的元件時(shí)參考了市場常見元器件條目，類似于電阻和電容，都是容易買到的阻值和容值。IC芯片也同樣如此，有很多計(jì)數(shù)芯片，同步的和異步的，74系列有很多種計(jì)數(shù)器，如雙時(shí)鐘觸發(fā)的同步加/減計(jì)數(shù)器74ls193，異步的75ls290，然后，74ls160是市場上最常見并且大家也都很熟悉的芯片，用起來也比較方便，根據(jù)這些原有考慮了各模塊電路的方案選擇。四、元器件選擇及參數(shù)說明、總原理圖4.1電路工作說明及元件清單首先矩形波發(fā)生電路產(chǎn)生25ms的矩形波，此輸出波作為74ls160的輸入信號觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)

15、數(shù)器記到0001時(shí)，觸發(fā)總計(jì)數(shù)電路對輸入信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸入信號通過555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)電路，不管是矩形波，正弦波，鋸齒波還是方波豆?jié){轉(zhuǎn)換成同周期的方波，通過方波觸發(fā)總計(jì)數(shù)電路，當(dāng)前計(jì)數(shù)芯片輸出為0001且輸入信號來了上升沿時(shí)則開始計(jì)數(shù)，當(dāng)25ms時(shí)間到，即前計(jì)數(shù)芯片輸出0010時(shí)停止計(jì)數(shù)，則數(shù)碼顯示模塊則顯示在25ms以內(nèi)記到的輸入信號總周期個(gè)數(shù)N,則輸入信號頻率f=N/25/1000;CommentFootprintDesignators0.01FRAD0.2C30.01uRAD0.2C402BZ2.2DIODE-0.4D402BZ2.2DIODE-0.4D315kAXIAL0.3R

16、71BH62DIODE-0.4D21BH62DIODE-0.4D11kAXIAL0.3R8200kRPSR1020kAXIAL0.3R6555_VIRTUALDIP-8A17408JDIP-14U7741DIP-8U874LS160DDIP-16U474LS160DDIP-16U1374LS160DDIP-16U974LS160NDIP-16U574LS27DDIP-14U11953kAXIAL0.3R9CON2SIP-2J2CON2SIP-2J1DCD_HEX7SEG8DIP10AU1DCD_HEX7SEG8DIP10AU6DCD_HEX7SEG8DIP10AU34.3總原理圖5、 總原理框

17、圖5.1 總PCB圖5.2：新建元器件封裝帶譯碼功能的數(shù)碼管封裝：本次課程設(shè)計(jì)選用了帶譯碼功能的數(shù)碼管，但是此類數(shù)碼管市場上已不多見，可是為了仿真方便，依然選用了此種數(shù)碼管，此次數(shù)碼管封裝依據(jù)淘寶網(wǎng)實(shí)物封裝尺寸構(gòu)成。圖 5.2.1 實(shí)物尺寸封裝圖5.2.2六、結(jié)論與心得此次課程設(shè)計(jì)學(xué)到了很多，每次設(shè)計(jì)電路都是一次自我學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，也是考驗(yàn)自己的機(jī)會(huì)，以前學(xué)習(xí)數(shù)字電路知道了很多知識，比如此次用到的74ls160芯片，本來顯示電路想用不帶譯碼功能的數(shù)碼管，想用74ls48進(jìn)行譯碼顯示的，但是由于連線太亂也就放棄了，但是自己還是更加熟悉了它的使用方法，理論只有在運(yùn)用到實(shí)踐中才檢驗(yàn)出真知，只有自己親自做了，想了才能更有體會(huì)，各部分的電路都