簡易數(shù)字頻率計設(shè)計

1、-. z電工與電子技術(shù)根底課程設(shè)計報告題 目簡易數(shù)字頻率計 學(xué)院部汽車學(xué)院 專 業(yè) 車輛工程 班 級 學(xué)生 學(xué) 號6月23日至6月 28日 共1周目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc391921560前言 PAGEREF _Toc391921560 h 2HYPERLINK l _Toc391921561第一章技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc391921561 h 3HYPERLINK l _Toc3919215621.1、主要技術(shù)指標(biāo)和要求： PAGEREF _Toc391921562 h 3HYPERLINK l _Toc3919215641.2、系統(tǒng)構(gòu)

2、造要求 PAGEREF _Toc391921564 h 3HYPERLINK l _Toc3919215651.3、所用元件 PAGEREF _Toc391921565 h 4HYPERLINK l _Toc391921566第二章整體方案設(shè)計思路 PAGEREF _Toc391921566 h 5HYPERLINK l _Toc3919215672.1、設(shè)計思路 PAGEREF _Toc391921567 h 5HYPERLINK l _Toc3919215682.2、方案討論 PAGEREF _Toc391921568 h 5HYPERLINK l _Toc391921569第三章各局部電

3、路的設(shè)計 PAGEREF _Toc391921569 h 7HYPERLINK l _Toc3919215703.1、放大整形電路 PAGEREF _Toc391921570 h 7HYPERLINK l _Toc3919215713.2、閘門電路 PAGEREF _Toc391921571 h 9HYPERLINK l _Toc3919215723.3、計數(shù)電路 PAGEREF _Toc391921572 h 10HYPERLINK l _Toc3919215733.4、時基電路與分頻電路 PAGEREF _Toc391921573 h 10HYPERLINK l _Toc391921574

4、3.5、控制電路 PAGEREF _Toc391921574 h 11HYPERLINK l _Toc3919215753.6、顯示電路 PAGEREF _Toc391921575 h 13HYPERLINK l _Toc3919215763.7報警電路 PAGEREF _Toc391921576 h 14HYPERLINK l _Toc391921577第四章電路匯總 PAGEREF _Toc391921577 h 15HYPERLINK l _Toc3919215784.1、整體電路圖 PAGEREF _Toc391921578 h 15HYPERLINK l _Toc391921579第

5、五章課程設(shè)計總結(jié)與體會 PAGEREF _Toc391921579 h 16HYPERLINK l _Toc391921580【附錄】 PAGEREF _Toc391921580 h 17前言【摘要】本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了電工學(xué)電子技術(shù)這本書的容，經(jīng)過課堂和實驗兩局部的學(xué)習(xí)，對根本的模電和數(shù)電電路知識有了根本的了解掌握。正是運用所學(xué)知識加上小組合作研究，我們在基于課本容、考慮實際能力水平、查找資料借鑒其他設(shè)計者的成功之處，設(shè)計了簡易數(shù)字頻率計。本設(shè)計主要綜合運用運用了信號的放大整形、門電路和時序邏輯電路等多方面的知識，是對所學(xué)知識的一種實踐也是一種考驗。【關(guān)鍵字】 數(shù)字頻率計 計數(shù)器 信號處理與控制

6、第一章技術(shù)指標(biāo)1.1、主要技術(shù)指標(biāo)和要求：1 被測信號的頻率圍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；4 具有超量程報警功能。1.2、系統(tǒng)構(gòu)造要求數(shù)字頻率計的整體構(gòu)造要求如下圖。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進(jìn)展處理、測量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測試的工程頻率、周期或脈寬，假設(shè)測量頻率則進(jìn)一步選擇檔位。被測信號測量電路 顯示電路單位轉(zhuǎn)換圖1-1 數(shù)字頻率計整體方案構(gòu)造方框圖1.3、所用元件序號元器件名稱型號參數(shù)數(shù)量74L系列譯碼器74LS247N4鎖存器74LS175N4十進(jìn)制計數(shù)器74LS160N4或非門74LS

7、02N1與非門74LS03N1非門1與門74LS08N2二極管LED紅色LED3LED綠色LED1共陽七段數(shù)碼顯示管4電阻510210 K14.3K14.7K23.3K247011001電容10F310nF6470F11mF15 K22 K1定時器5554開關(guān)雙刀四擲開關(guān)1第二章整體方案設(shè)計思路2.1、設(shè)計思路利用電工學(xué)電子技術(shù)所學(xué)模電和數(shù)電兩局部所學(xué)知識設(shè)計思路如圖 放大電路整形電路計數(shù)電路被測信號閘門時基電路控制電路譯碼顯示圖2-1 設(shè)計思路圖報警超量程2.2、方案討論1測頻法M法對頻率為f的周期信號，測頻法的實現(xiàn)方法，是用以標(biāo)準(zhǔn)閘門信號對被測信號的重復(fù)周期進(jìn)展計數(shù)，當(dāng)計數(shù)結(jié)果為N時，起頻

8、率為：f1=N1/TG，TG為標(biāo)準(zhǔn)閘門寬度，N1是計數(shù)器計出的脈沖個數(shù)。設(shè)在TG期間，計數(shù)器的精準(zhǔn)計數(shù)值為N，根據(jù)計數(shù)器的技術(shù)特性可知，N1的絕對誤差是N1=N1，N1的相對誤差為&N1=N1-N/N=1-N/N/N，由N1的相對誤差可知，N或N1的數(shù)值越大，相對誤差越小，成反比例關(guān)系。因此在f的條件下，為減少N1的相對誤差可通過增大TG的方法來降低測量誤差。但是，增大TG會使頻率測量的響應(yīng)時間長，當(dāng)TG為確定值時通常取TG=1，則有f=N，固有f1的相對誤差：&f1=f1-f/f=f1-f/f=1/f 由上式可知，f1的相對誤差與f成反比關(guān)系，即信號頻率越高，誤差越??；而信號頻率越低，則測量

9、誤差越大。因此，M法適用于高頻信號的測量，頻率越高的，測量精度也越高。2側(cè)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頻時間都是一個信號周期T的方波信號；然后用一個的高頻方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期T的時間對此高頻信號進(jìn)展計數(shù)，假設(shè)在T時間的計數(shù)值為N2，則T2=N2*Tosc f2=1/T2=fosc/N2.N2的絕對誤差為N=1，N2的相對誤差為&N2=N2-N/N=N1-N/1/N。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，而與高頻的標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)信號的頻率成反比，當(dāng)fosc為常數(shù)時，被測信號頻率越低，誤差越小，測量精度越高。由于所學(xué)知識的限制，考慮到課程

10、設(shè)計的目的，我們利用第一種測頻法，利用計數(shù)器的知識對頻率計數(shù)，參考555定時器產(chǎn)生時基電路，在單位時間記錄被測信號上升沿或下降沿的數(shù)目即為所測信號頻率。并且，對測量頻率的最低值100Hz來說，相對誤差為1%，可以滿足要求，隨著測量頻率的增大，相對誤差逐漸減小。第三章 各局部電路的設(shè)計3.1、放大整形電路考慮到被測信號可以是正弦波或方波，而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為方波信號，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化成方波。在整形之前由于不清楚被測信號的強(qiáng)弱的情況，所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸

11、入信號電壓幅度較小時，將被測信號放大。從而得到適當(dāng)大小的信號。參考資料后我們比擬各種放大整形的方案，施密特觸發(fā)器整形電路的原理和方法全面可靠，所以采用此法進(jìn)展被測信號的放大或衰減以及整形處理。待測的信號波先被送入到放大電路的輸入端，輸入的信號假設(shè)是正弦波，在整形之前由于不清楚被測信號的強(qiáng)弱的情況，所以首先需要通過放大衰減處理，我們可以利用一級放大電路實現(xiàn)：當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低；當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時假設(shè)不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，使得被測信號得以放大。然后把經(jīng)過放大衰減后電壓幅度適宜的信號輸入到下一級的射極輸出器。射極

12、輸出器具有高輸入電阻和低輸出電阻的特點。因為輸入電阻高，它常被用作多級放大電路的輸入級，這對高阻的信號源更為有意義。如果信號源的阻較高，而它接一個低輸入電阻的共發(fā)射極放大電路，則，信號電壓主要降落在信號源本身的阻上，分到放大電路輸入端的電壓就很??；另外，如果放大電路的輸入電阻較低，則當(dāng)負(fù)載接入后或當(dāng)負(fù)載增大時，輸入電壓的下降就較小，或者說它帶負(fù)載的能力較強(qiáng)。所以射極輸出器也常用于多級放大電路的輸入級。為了增強(qiáng)本設(shè)計中施密特觸發(fā)器局部的帶負(fù)載能力，我們在此應(yīng)用射極輸出器。施密特觸發(fā)器常利用觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反應(yīng)作用，將邊沿變化緩慢的周期信號變?yōu)檫呇睾芏盖偷木匦蚊}沖信號。由于在數(shù)字系統(tǒng)中矩形

13、脈沖經(jīng)傳輸后往往也會發(fā)生畸變。如：當(dāng)傳輸線上電容較大時，波形的上升沿和下降沿將明顯變壞；當(dāng)傳輸線較長，且接收的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他的脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號上時，信號將出現(xiàn)噪聲。無論出現(xiàn)上述的哪一種情況，都可以通過用施密特觸發(fā)器整形而獲得比擬理想的矩形脈沖波形。鑒于施密特觸發(fā)器整形電路的諸多優(yōu)點，本電路將起采用，且利用555定時器搭建，簡單方便。最后我們把經(jīng)過放大衰減處理后的信號送入由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器把信號整形成為矩形波。A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIQ12

14、N6672Q22N6672VCC5VC110nFC3470uFR1470R23.3kR3510R4100R54.7kR64.7kR7200C41mFC510nFC610nFD11N4148D21N414816789VCCR83.3k10110024被測信號圖3-1 放大整形流電路3.2、閘門電路閘門實際上就是一個簡單的與門。將整形電路的輸入信號與門控信號做與運算，以便輸出矩形脈沖作為計數(shù)脈沖。當(dāng)門控信號為高電平1時，閘門開啟，而門控信號為低電平0時，閘門關(guān)閉。顯然，只有在閘門開啟的時間，被測信號才能通過閘門進(jìn)入計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)時間就是閘門開啟時間?？梢婇T控信號的寬度一定時閘門的輸出正比于被測

15、信號的頻率，通過計數(shù)顯示系統(tǒng)把閘門的輸出結(jié)果顯示出來，就可以得到被測信號的頻率。3.3、計數(shù)電路74LS160十進(jìn)制同步計數(shù)器是與我們課程中介紹的74LS161原理相似的計數(shù)器，我們用了4個74LS160，通過前一級74LS160的進(jìn)位位當(dāng)作下一位的cp脈沖，實現(xiàn)1到9999的計數(shù)。如圖3-43-4 計數(shù)電路原理圖3.4、時基電路與分頻電路時基電路的作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間信號到來時，閘門開通，被測信號通過閘門進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)脈沖完畢時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器無脈沖輸入;分頻電路是對由時基電路產(chǎn)生的信號頻率進(jìn)展調(diào)節(jié)。我們的設(shè)計時基電路局部采用由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器組成，通

16、過設(shè)置時間參數(shù)使其構(gòu)成所需時間的高電平，由于要求測量頻率為100Hz-10KHz，故此處設(shè)計分兩檔，時基電路產(chǎn)生0.1s高電平，此檔直接用于測量千赫茲的頻率，此時顯示單位為千赫茲綠燈亮；通過分頻器放大后產(chǎn)生1s的高電平，此檔用于測量普通頻率。如此實現(xiàn)單位的變換。此處電路參數(shù)R1=10K，R2=4.3，C=10uF，通過計算可得tp1=0.1s,tp2=0.03s。分頻電路由74LS160構(gòu)成，對時基電路產(chǎn)生的信號進(jìn)展調(diào)節(jié)，使其頻率縮小十倍，周期增大十倍，此時tp1=1s。此時顯示單位為Hz,(紅燈亮)。時基電路及分頻電路電路圖如下列圖：A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCT

17、HRCONTRI813476255VGNDR110kR24.3kC110uFC210nFU174LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD956tp1=0.1stp1=1s圖3-5時基電路及分頻電路電路圖VCC3.5、控制電路控制電路主要用來控制電路的鎖存與清零。在時基信號低電平到來之時，通過控制電路產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號將數(shù)據(jù)鎖存通過顯示電路信使出來。而清零信號則是用鎖存信號的負(fù)脈沖產(chǎn)生，用于一次計數(shù)后將計數(shù)器清零。其理論波形應(yīng)如下列圖：圖 3-6 控制電路波形示意圖清零信號我們采用4個74LS175N分別控制74LS16

18、0輸入的四個二進(jìn)制數(shù)。鎖存器在cp的下降沿將輸入的信號上傳，在其他cp信號狀態(tài)下，鎖存器不承受從下面來的信號輸入，從而保證顯示屏的輸出能穩(wěn)定一段時間，便于讀數(shù)。四個鎖存器的CP脈沖由控制電路同時控制。555構(gòu)成的兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可用于定時控制，輸出矩形脈沖，其寬度暫穩(wěn)狀態(tài)持續(xù)時間通過設(shè)置電路參數(shù)，令R=909，C=10uF，使得鎖存信號與清零信號寬度均為t=0.01s，控制電路設(shè)計圖如下：A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5V38476251R1909GNDC210uFC310nF12A2555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRC

19、ONTRIVCC5V38476251R2909GNDC110uFC410nF4357鎖存信號清零信號U23NOT68圖3-7 控制電路圖3.6、顯示電路我們采用四個74LS247型譯碼器和共陽極數(shù)碼管作為我們顯示局部的元件。前已述，根據(jù)被測信號的頻率圍100Hz10kHz；我們將測量的頻率分為兩檔：推薦測量頻率分別為100Hz999Hz和1kHz10kHz，分別用紅色發(fā)光二極管表示單位Hz，綠色表示單位kHz，顯示kHz單位時，第三個顯示數(shù)碼管的小數(shù)點亮。因為能力和時間有限，我們沒能完成自動超量程換擋，所以我們借助超量程報警裝置提醒手動換擋。我們通過一個雙刀四擲開關(guān)，同時控制檔位和小數(shù)點信號。

20、一檔時，我們默認(rèn)采用Hz單位，給小數(shù)點的是低電位信號時，小數(shù)點滅，信號經(jīng)過與非門傳給LED3，紅燈亮。二檔時我們默認(rèn)采用kHz單位，此時通過或非門給小數(shù)點一個高電位信號，小數(shù)點亮。同時，給小數(shù)點的信號傳達(dá)給LED4燈，綠燈亮。圖3-8 譯碼原理3.7報警電路第四個74ls160的進(jìn)位位接一個LED1燈作為一檔的超量程報警器，LED2由給小數(shù)點的信號與第三個74ls160的進(jìn)位位同時控制，作為二檔的超量程報警器。J1Key = SpaceJ2Key = SpaceLED2U20A74LS08NU21A74LS02N=1LED4LED3U19A74LS03N&0532104圖3-9 報警電路、檔位

21、局部第三個160的進(jìn)位位信號控制小數(shù)點第四章 電路匯總4.1、整體電路圖圖4-1 整體電路圖圖4-1 整體電路圖第五章 課程設(shè)計總結(jié)與體會本次實習(xí)讓我們體味到掌握電工學(xué)課本知識和能利用所學(xué)知識解決實際問題這一要求還是有一定差距的。通過這次設(shè)計經(jīng)歷，我發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一年的學(xué)習(xí)，我們對電工學(xué)的實際把我還很不到位。在設(shè)計中我們有很多問題要一遍一遍去翻書去查看，同時很多原理的還沒有完全掌握，雖然在電工實驗中已經(jīng)有了一些理解和體會，但當(dāng)自己需要設(shè)計電路、選擇方案時，我們的壓力和遇到的困難非常大。一方面是知識掌握不牢，不能做到駕輕就熟，另一方面，面對所要解決的電路問題，遇到了一些以前沒有見到過的元件，需要不斷查

22、找資料時繁瑣的過程是我們幾近崩潰。但設(shè)計是我們將來必需的技能，不通過實踐永遠(yuǎn)不知道自己對知識的時機(jī)掌握情況，這次實習(xí)恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識的時機(jī)，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路的調(diào)試再到最后電路的成型，都對我所學(xué)的知識進(jìn)展了檢驗。在實踐中，我們理論聯(lián)系實際,提高和培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。最重要的是，通過這次課程設(shè)計，使我們對課本有了更深的學(xué)習(xí)，讓我們對根底知識有了更深刻的領(lǐng)悟和掌握。這樣，我們不僅可以在期末考試中游刃有余，還會對我們畢業(yè)后的工作有很大的幫助。總之，這次課程設(shè)計是很有必要的！日子雖然艱辛，但讓我們收獲很多，當(dāng)然感悟也很多。最后感教師和同學(xué)們的幫助，讓我們順利完成這次課程設(shè)計?！靖戒洝?、所用元件功能表74LS02TTL2輸入端四或非門74LS03T