數(shù)字式頻率計(jì)論文

-.z課程設(shè)計(jì)說明書〔論文〕課程名稱：數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)題目：數(shù)字式頻率計(jì)-.z數(shù)字式頻率計(jì)的設(shè)計(jì)前言摘要：頻率在電子技術(shù)中是最根本的參數(shù)之一，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，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,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，以及便于實(shí)現(xiàn)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)字式頻率計(jì)是一種數(shù)字顯示的測量頻率的儀器。它不僅可以測試數(shù)字電路中的方波信號(hào)，還可以測量正弦信號(hào)和多種物理量的變化頻率，諸如電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)光體的閃光次數(shù)、機(jī)械振動(dòng)次數(shù)等，這些物理量需經(jīng)光電耦合傳感器件或經(jīng)相關(guān)的傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的信號(hào)，然后用頻率計(jì)測量單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)的變化次數(shù)，再用數(shù)碼顯示出來。因此，它是一種測量*圍較廣的通用型數(shù)字儀器。本文闡述了設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的數(shù)字頻率計(jì)的過程。關(guān)鍵詞：頻率計(jì)，邏輯控制，計(jì)數(shù)-鎖存設(shè)計(jì)要求1.任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式頻率計(jì)。2.根本要求：〔1〕被測信號(hào)為TTL脈沖信號(hào)?！?〕顯示的頻率*圍為00~99Hz?！?〕測量精度為1Hz?！?〕用LED數(shù)碼管顯示頻率數(shù)值。3.擴(kuò)展要求：〔1〕輸入信號(hào)為正弦信號(hào)、三角波，幅值為10mV。〔2〕顯示的頻率*圍為0000~9999Hz。〔3〕提高測量的精度至0.1Hz一．根本原理頻率是指單位時(shí)間(1s)內(nèi)信號(hào)振動(dòng)的次數(shù)。從測量的角度看，即單位時(shí)間測得的被測信號(hào)的脈沖數(shù)。被測信號(hào)送入通道，經(jīng)放大整形后，使每個(gè)周期形成一個(gè)脈沖，這些脈沖加到主門的A輸入端，門控雙穩(wěn)輸出的門控信號(hào)加到主門的B輸入端。在主門開啟時(shí)間內(nèi)，脈沖信號(hào)通過主門，進(jìn)入計(jì)數(shù)器，則計(jì)數(shù)器記得的數(shù)，就是要測的頻率值。如果主門的開啟時(shí)間為Ts，計(jì)數(shù)器累積的數(shù)字為N，則被測的頻率為：圖1.1頻率測量原理設(shè)計(jì)框圖如下：圖1.2頻率計(jì)總體框圖系統(tǒng)組成2.1時(shí)基電路本局部電路由555芯片組成，作用是提供用于測量單位時(shí)間(1s)，即閘門信號(hào)的開啟時(shí)間。同時(shí)產(chǎn)生209的方波信號(hào)下降沿激發(fā)鎖存器的鎖存信號(hào)，再由該信號(hào)激發(fā)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)。圖2.1時(shí)基電路2.2放大整形電路本局部電路由三極管放大電路和門電路組成。作用是將正弦波或三角波輸入信號(hào)整形成同頻率方波，測試信號(hào)通過通過三極管放大電路進(jìn)展放大，使微弱信號(hào)到達(dá)可測量的幅度。經(jīng)過放大整形后的方波送到閘門以便計(jì)數(shù)。圖2.2放大整形電路2.3邏輯控制電路本局部電路由單穩(wěn)芯片和門電路組成。作用是提供計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)和鎖存器的鎖存信號(hào)。各局部信號(hào)邏輯關(guān)系如下圖。其中：A為被測信號(hào)；B為時(shí)基信號(hào)，秒脈沖；C為鎖存器送數(shù)信號(hào)；D為計(jì)數(shù)器清零信號(hào)；E為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。圖2.3各局部波形邏輯關(guān)系2.4閘門電路本局部電路由與門組成，該電路有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，輸入端的一端，接門控信號(hào)，另一端接整形后的被測方波信號(hào)。閘門是否開通，受門控信號(hào)的控制，當(dāng)門控信號(hào)為高電平“1〞時(shí)，閘門開啟；而門控信號(hào)為低電平“0〞時(shí)，閘門關(guān)閉。顯然，只有在閘門開啟的時(shí)間內(nèi)，被測信號(hào)才能通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間就是閘門開啟時(shí)間。可見，門控信號(hào)的寬度一定時(shí)，閘門的輸出值正比于被測信號(hào)的頻率，通過計(jì)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(hào)的頻率。圖2.4邏輯控制及閘門電路2.5計(jì)數(shù)鎖存電路本局部電路由計(jì)數(shù)器、鎖存器組成。其中計(jì)數(shù)器按十進(jìn)制計(jì)數(shù)。如果在系統(tǒng)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，只有在計(jì)數(shù)器停頓計(jì)數(shù)時(shí)，顯示器上的顯示數(shù)字才能穩(wěn)定，所以，在計(jì)數(shù)器后邊必須接入鎖存器。鎖存器的工作是受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制的到。門控波形的下降沿，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1進(jìn)入暫態(tài)，單穩(wěn)態(tài)1暫態(tài)的上升沿作為鎖存器的鎖存(使能)脈沖。鎖存器在鎖存脈沖作用下，將門控信號(hào)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)起來，并隔離計(jì)數(shù)器對(duì)譯碼顯示的作用。2.6顯示譯碼電路本局部電路由譯碼器和顯像管組成。在鎖存器將門控信號(hào)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)起來情況下，把所存儲(chǔ)的狀態(tài)送入譯碼器進(jìn)展譯碼，在顯示器上得到穩(wěn)定的計(jì)數(shù)顯示。圖2.5計(jì)數(shù)鎖存及顯示譯碼電路電路設(shè)計(jì)及局部仿真基準(zhǔn)時(shí)鐘設(shè)計(jì)采用555多諧振蕩電路，輸出方波周期為：T=0.7×〔RP+R1+2R2〕C;可調(diào)電阻RP=0—100KΩ，輸出方波的周期T=0.75s—1.575s，占空比D==68.8%—82.67%。采用Multisim10軟件進(jìn)展仿真，仿真原理圖：圖3.1555多諧震蕩電路的仿真仿真結(jié)果：圖3.2555多諧震蕩電路的仿真波形整形放大電路的設(shè)計(jì)用于非矩形波信號(hào)頻率的測量。通過頻率放大電路后，非矩形波可轉(zhuǎn)化為矩形波，且其頻率保持不變，即到達(dá)了測量任意波形信號(hào)頻率的測量的擴(kuò)展目的。仿真原理圖：圖3.3整形放大電路的仿真邏輯控制電路采用74LS123集成芯片，其功能表如下：圖3.4整形放大電路的仿真采用1Q~ 與2A相連，比1Q與2A相連精度更高，因?yàn)?Q將產(chǎn)生20ms寬的脈沖信號(hào)，控制清零的信號(hào)產(chǎn)生一定的延遲，在測量頻率相對(duì)較高的信號(hào)時(shí)建會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。仿真原理圖：圖3.5邏輯控制電路的仿真圖鎖存信號(hào)與時(shí)基信號(hào)邏輯關(guān)系圖圖計(jì)數(shù)信號(hào)與時(shí)基信號(hào)邏輯關(guān)系圖3.4閘門電路采用2/5分頻十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS90，四片級(jí)聯(lián)可擴(kuò)展測量*圍到1——9999Hz，R91、R92端置零，R01、R02單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的控制段相接，起到給計(jì)數(shù)器清零、為下一周期的計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備的作用。3.5計(jì)數(shù)鎖存局部的設(shè)計(jì)采用74LS273，一端與74LS90輸出端相連，另一端與74LS47輸入端相連，起到鎖存數(shù)據(jù)，數(shù)碼管一直顯示當(dāng)前頻率的作用。時(shí)鐘控制信號(hào)CP由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端1Q給出，起到“刷新數(shù)據(jù)〞的作用。3.6數(shù)碼顯示局部由7段數(shù)碼管和譯碼電路74LS47構(gòu)成，連接情況見電路。圖3.7顯示譯碼電路的仿真電路實(shí)現(xiàn)下面給出實(shí)際電路連接圖。連接后，手動(dòng)控制閘門電路的一個(gè)輸入作為清零端。講信號(hào)發(fā)生器的輸出端接在整形放大電路的輸入端。約半秒鐘后顯像管顯示出當(dāng)前頻率，誤差在Hz以內(nèi)?？偨Y(jié)與致謝經(jīng)過了此次數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的磨練，我對(duì)電子電路的工作原理、狀態(tài)以及檢查電路有了更深層次的認(rèn)識(shí)。雖然學(xué)校也曾開過模擬電子、數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)課程，不過都沒有像這次課設(shè)一樣充分發(fā)揮了自己的創(chuàng)新探索以及解決問題的能力。在電路的調(diào)試過程中，出現(xiàn)許多意料之外的問題，譬如接錯(cuò)管腳、線搭錯(cuò)位置、電容極性接反以及電阻阻值不當(dāng)?shù)鹊龋@在以前的實(shí)驗(yàn)中很少出現(xiàn)，都需要一遍遍仔細(xì)檢查前方可把故障排除。下面簡單總結(jié)一下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題。1.要對(duì)整體電路有足夠的把握。這就要求對(duì)各部份電路的原理以及它們之間的關(guān)系有充分的了解。比方，我們組首先選擇完成的是555多諧振蕩電路，因?yàn)檫@局部電路為時(shí)序電路提供基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖，并且相比照擬獨(dú)立。之后完成的是邏輯控制電路，然后依次是計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器、數(shù)碼管。在調(diào)試上述電路過程中，先拿信號(hào)源發(fā)出與放大整形電路理論輸出一致的方波進(jìn)展調(diào)試。在調(diào)試完上述過程后，最后調(diào)試放大與整形電路，由于放大與整形電路這局部電阻值需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，調(diào)試過程相對(duì)有些難度，所以放到最后一個(gè)步驟來做。這樣最終才能又快又準(zhǔn)的完成任務(wù)。2.如果要檢驗(yàn)設(shè)計(jì)電路的正確性，就必須要仿真。此實(shí)驗(yàn)采用的仿真軟件是Multisim10。由于Multisim軟件中并沒有提供74LS123等集成單穩(wěn)芯片，所以只好采用基于555的單穩(wěn)電路來代替。但由于芯片參數(shù)過多給仿真帶來了很大麻煩。只能各局部分別進(jìn)展。所以在仿真過程中，可以適時(shí)的用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來代替前一局部電路的輸出作為鼓勵(lì)，這樣可減少仿真步驟，并且也能保證仿真的準(zhǔn)確性。3.在調(diào)試過程中，遇到的問題最多。在調(diào)試555產(chǎn)生的多諧振蕩信號(hào)時(shí)，由于忘記電解電容有極性，再加上對(duì)示波器運(yùn)用得不熟練，沒有將耦合方式調(diào)整為DC，導(dǎo)致反復(fù)進(jìn)展了很屢次電路修改仍然不能產(chǎn)生矩形波。再如調(diào)試計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器、數(shù)碼管整個(gè)局部時(shí)，由于數(shù)根導(dǎo)線接錯(cuò)位置，導(dǎo)致在檢查數(shù)遍后才顯示頻率。最后就是放大電路的調(diào)試。這局部用了相當(dāng)多的時(shí)間才完成，其原因是三極管的放大倍數(shù)與理想值不符。為了使靜態(tài)工作點(diǎn)的直流偏置電壓與放大后的交流信號(hào)疊加后，高電平大于2v，低電平小于0.8v，我們組采用調(diào)整基極電阻Rc的方法，最終當(dāng)為左右時(shí)，能到達(dá)輸入信號(hào)幅值為10mv時(shí)經(jīng)放大整形后出現(xiàn)脈沖并最終顯示頻率。這樣才宣告整個(gè)電路調(diào)試完成。在我們實(shí)驗(yàn)小