簡易數(shù)字頻率計課程設計報告

..簡易數(shù)字頻率計課程設計報告目錄第一章技術指標1.1整體功能要求1.2系統(tǒng)結構要求1.3電氣指標1.4擴展指標1.5設計條件第二章整體方案設計2.1算法設計2.2整體方框圖及原理第三章單元電路設計3.1時基電路設計3.2閘門電路設計3.3控制電路設計3.4小數(shù)點顯示電路設計3.5整體電路圖3.6整機原件清單第四章測試與調(diào)整4.1時基電路的調(diào)測4.2顯示電路的調(diào)測4-3計數(shù)電路的調(diào)測4.4控制電路的調(diào)測4.5整體指標測試第五章設計小結5.1設計任務完成情況5.2問題及改進5.3心得體會第一章技術指標整體功能要求頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值。其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。系統(tǒng)結構要求數(shù)字頻率計的整體結構要求如圖所示。圖中被測信號為外部信號,送入測量電路進行處理、測量,檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測試的項目------頻率、周期或脈寬,若測量頻率則進一步選擇檔位。測量電路測量電路被測信號顯示電路被測信號顯示電路檔位轉(zhuǎn)換檔位轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率計整體方案結構方框圖電氣指標3.1被測信號波形：正弦波、三角波和矩形波。3.2測量頻率范圍：分三檔：1Hz~999Hz0.01kHz~9.99kHz0.1kHz~99.9kHz3.3測量周期范圍：1ms~1s。3.4測量脈寬范圍：1ms~1s。測量精度：顯示3位有效數(shù)字〔要求分析1Hz、1kHz和999kHz的測量誤差。3.6當被測信號的頻率超出測量范圍時,報警.4.擴展指標要求測量頻率值時,1Hz~99.9kHz的精度均為+1。5.設計條件5.1電源條件：+5V。5.2可供選擇的元器件范圍如下表型號名稱及功能數(shù)量NE555定時器1片741518選1數(shù)據(jù)選擇器2片74153雙4選1數(shù)據(jù)選擇器2片7404六反向器1片4518十進制同步加/減計數(shù)器2片74132四2輸入與非門〔有施密特觸發(fā)器1片74160十進制同步計數(shù)器3片C392數(shù)碼管3片4017十進制計數(shù)器/脈沖分配器1片45114線－七段所存譯碼器/驅(qū)動器3片TL0841片10K電位器1片電阻電容撥盤開關1個門電路、阻容件、發(fā)光二極管和轉(zhuǎn)換開關等原件自定。第二章整體方案設計2.1算法設計頻率是周期信號每秒鐘內(nèi)所含的周期數(shù)值?？筛鶕?jù)這一定義采用如圖2-1所示的算法。圖2-2是根據(jù)算法構建的方框圖。計數(shù)電路閘門輸入電路計數(shù)電路閘門輸入電路閘門產(chǎn)生顯示電路被測信號閘門產(chǎn)生顯示電路圖2-2頻率測量算法對應的方框圖在測試電路中設置一個閘門產(chǎn)生電路,用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門信號。改閘門信號控制閘門電路的導通與開斷。讓被測信號送入閘門電路,當1s閘門脈沖到來時閘門導通,被測信號通過閘門并到達后面的計數(shù)電路〔計數(shù)電路用以計算被測輸入信號的周期數(shù),當1s閘門結束時,閘門再次關閉,此時計數(shù)器記錄的周期個數(shù)為1s內(nèi)被測信號的周期個數(shù),即為被測信號的頻率。測量頻率的誤差與閘門信號的精度直接相關,因此,為保證在1s內(nèi)被測信號的周期量誤差在10?3量級,則要求閘門信號的精度為10??量級。例如,當被測信號為1kHz時,在1s的閘門脈沖期間計數(shù)器將計數(shù)1000次,由于閘門脈沖精度為10??,閘門信號的誤差不大于0.1s,固由此造成的計數(shù)誤差不會超過1,符合5*10?3的誤差要求。進一步分析可知,當被測信號頻率增高時,在閘門脈沖精度不變的情況下,計數(shù)器誤差的絕對值會增大,但是相對誤差仍在5*10?3范圍內(nèi)。但是這一算法在被測信號頻率很低時便呈現(xiàn)出嚴重的缺點,例如,當被測信號為0.5Hz時其周期是2s,這時閘門脈沖仍未1s顯然是不行的,故應加寬閘門脈沖寬度。假設閘門脈沖寬度加至10s,則閘門導通期間可以計數(shù)5次,由于數(shù)值5是10s的計數(shù)結果,故在顯示之間必須將計數(shù)值除以10.2.2整體方框圖及原理輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波,三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波,所以需要設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或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當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。當輸入信號電壓幅度較小時,前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路,則調(diào)節(jié)輸入放大的增益,時被測信號得以放大。頻率測量：測量頻率的原理框圖如圖2-3.測量頻率共有3個檔位。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號〔矩形波或者方波,送入閘門電路,等待時基信號的到來。時基信號有555定時器構成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器,經(jīng)整形分頻后,產(chǎn)生一個標準的時基信號,作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門,作為計數(shù)器的時鐘信號,計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù),這樣就達到了測量頻率的目的。周期測量：測量周期的原理框圖2-4.測量周期的方法與測量頻率的方法相反,即將被測信號經(jīng)整形、二分頻電路后轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?。方波信號中的脈沖寬度恰好為被測信號的1個周期。將方波的脈寬作為閘門導通的時間,在閘門導通的時間里,計數(shù)器記錄標準時基信號通過閘門的重復周期個數(shù)。計數(shù)器累計的結果可以換算出被測信號的周期。用時間Tx來表示：Tx=NTs式中：Tx為被測信號的周期；N為計數(shù)器脈沖計數(shù)值；Ts為時基信號周期。時基電路：時基信號由555定時器、RC組容件構成多諧振蕩器,其兩個暫態(tài)時間分別為T1=0.7〔Ra+RbCT2=0.7RbC重復周期為T=T1+T2。由于被測信號范圍為1Hz~1MHz,如果只采用一種閘門脈沖信號,則只能是10s脈沖寬度的閘門信號,若被測信號為較高頻率,計數(shù)電路的位數(shù)要很多,而且測量時間過長會給用戶帶來不便,所以可將頻率范圍設為幾檔：1Hz~999Hz檔采用1s閘門脈寬；0.01kHz~9.99kHz檔采用0.1s閘門脈寬；0.1kHz~99.9kHz檔采用0.01s閘門脈寬。多諧振蕩器經(jīng)二級10分頻電路后,可提取因檔位變化所需的閘門時間1ms、0.1ms、0.01ms。閘門時間要求非常準確,它直接影響到測量精度,在要求高精度、高穩(wěn)定度的場合,通常用晶體振蕩器作為標準時基信號。在實驗中我們采用的就是前一種方案。在電路中引進電位器來調(diào)節(jié)振蕩器產(chǎn)生的頻率。使得能夠產(chǎn)生1kHz的信號。這對后面的測量精度起到?jīng)Q定性的作用。計數(shù)顯示電路：在閘門電路導通的情況下,開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當計數(shù)完成后,此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。控制電路：控制電路里面要產(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號。控制電路工作波形的示意圖如圖2-5.第三章單元電路設計3.1時基電路設計圖3-1時基電路與分頻電路它由兩部分組成:如圖3-1所示,第一部分為555定時器組成的振蕩器<即脈沖產(chǎn)生電路>,要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.43/<<R1+2*R2>*C>,因此,我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R1取430歐姆,R3取500歐姆,電容取1uF.這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在R1和R3之間接了一個10K的電位器便于在后面調(diào)節(jié)使得555能夠產(chǎn)生非常接近1KHz的頻率。第二部分為分頻電路,主要由4518組成〔4518的管腳圖,功能表及波形圖詳見附錄,因為振蕩器產(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時基信號要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計數(shù)器,由兩個相同的同步4級計數(shù)器構成,計數(shù)器級為D型觸發(fā)器,具有內(nèi)部可交換CP和EN線,用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù),在單個運算中,EN輸入保持高電平,且在CP上升沿進位,CR線為高電平時清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián),通過將Q3連接至下一計數(shù)器的EN輸入端可實現(xiàn)級聯(lián),同時后者的CP輸入保持低電平。如圖3-2所示,555產(chǎn)生的1kHz的信號經(jīng)過三次分頻后得到3個頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。圖3-21kHz的方波分頻后波形圖3.2閘門電路設計如圖3-3所示,通過74151數(shù)據(jù)選擇器來選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的CBA接撥盤開關來對選頻進行控制。當CBA輸入001時74151輸出的方波的頻率是1Hz；當CBA輸入010時74151輸出的方波的頻率是10Hz；當CBA輸入011時74151輸出的方波的頻率是100Hz；這里我們以輸出100Hz的信號為例。分析其通過4017后出現(xiàn)的波形圖〔4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見附錄。4017是5位計數(shù)器,具有10個譯碼輸出端,CP,CR,INH輸入端,時鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能,對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制,INH為低電平時,計數(shù)器清零。100Hz的方波作為4017的CP端,如圖3-3,信號通過4017后,從Q1輸出的信號高電平的脈寬剛好為100Hz信號的一個周期,相當于將原信號二分頻。也就是Q1的輸出信號高電平持續(xù)的時間為10ms,那么這個信號可以用來導通閘門和關閉閘門。圖3-3閘門電路圖3-43.4小數(shù)點顯示電路設計在測量頻率的時候,由于分3個檔位,那么在不同的檔的時候,小數(shù)點也要跟著顯示。比如CBA接011測量頻率的時候,它所測信號頻率的范圍是0.1KHz~99.9KHz,那么在顯示的時候三個數(shù)碼管的第二個數(shù)碼管的小數(shù)點要顯示。CBA接010測量頻率的時候,它所測信號頻率的范圍是0.01KHz~9.99KHz,那么顯示的時候,最高位的數(shù)碼管的小數(shù)點也要顯示。對比一下兩個輸入的高低電平可以發(fā)現(xiàn)CA位不一樣,顯示的小數(shù)點就不一樣。我們可以想到可以通過74153數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)小數(shù)點顯示的問題。具體的實現(xiàn)方法見圖3-7所示。3.5整體電路圖圖3-8整體電路圖3.6整機原件清單元件數(shù)量元件數(shù)量555定時器一片7404一片8.2K?一個4518兩片5.1K?一個撥盤開關一個10K電位器一個4017一片74151一片74160三片74153三片4511三片74132一片數(shù)碼管三個LED燈一個保護電阻四個0.01μF電容兩個5V直流電源一個導線若干第五章設計小結5.1設計任務完成情況通過為期兩周的課程設計,完成了本次設計的技術指標,剛開始設計的時候,由于控制電路這部分比較難搞定,所以在連接電路的時候,就會停下來設計控制電路,為了提高效率,在實際的操作中,先連好時基電路,分頻電路測試通過后,再把顯示電路和計數(shù)電路連好,調(diào)測符合要求。最后搞定控制電路的連接。最后完成的一塊電路板,它所實現(xiàn)的功能就是可以測被測信號的頻率,周期和脈寬。在調(diào)測的過程中發(fā)現(xiàn)測量頻率時,檔位在1Hz~999Hz,最終得到的結果的誤差稍微大了點,其他的測量結果非常接近測量值。5.2問題及改進在設計的555構成多諧振蕩器輸出的方波信號,由于電路里面使用的電容元件,在實驗的時候,隨著實驗室里面溫度的變化,輸出信號的頻率也會發(fā)生變化,這是造成誤差的一個原因,為了在驗收的時候提高測量的準確性,所以在測量前要調(diào)節(jié)電位器,把產(chǎn)生的方波信號接示波器,測量其輸出頻率,調(diào)節(jié)電位器,使輸出的信號非常接近1KHz,這樣的話在后面的測量中會減小誤差。在調(diào)測計數(shù)顯示電路的時候,在連接4511元件的時候忘記了將4511的5端接地,導致數(shù)碼管無法計數(shù),在實驗的過程中,連接好電路以后,發(fā)現(xiàn)沒反應,然后通過示波器一個一個檢測元件的輸入和輸出信號,看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分,對照電路圖進行檢查修改,最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒有接地,導致元件的功能沒有實現(xiàn)。所以在連接電路的時候要細心,這也是要改進的地方。不然的話就會出現(xiàn)一個又一個的連接上面的問題。在最終測量頻率很低的時候,那么本次電路測量頻率的算法就有了一定的缺點。例如,當被測信號為0.5Hz時,其周期為2s,這時閘門的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應該加寬閘門脈沖的寬度假設閘門脈沖寬度加至10S,則閘門導通期間可計數(shù)5次,由于計數(shù)值5是10s的計數(shù)結果,故在顯示之間必須將計數(shù)值除以10.加寬閘門信號也會帶來一些問題：計數(shù)結果要進行除以10的運算,每次測量的時間最少要10s,時間過長不符合人們的測量習慣,由于閘門期間計數(shù)值過少,測量的精度也會下降。為了克服測量低頻信號時的不足,可以使用另一種算法。將被測信號送入被測信號閘門產(chǎn)生電路,該電路輸出一個脈沖信號,脈寬與被測信號的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號控制閘門電路的導通與開斷。設置一個頻率精度較高的周期信號〔例如10KHz作為時基信號,當閘門導通時,時基信號通過閘門到達計數(shù)電路計數(shù)。由于閘門導通時間與被測信號周期相同,則可根據(jù)計數(shù)器計數(shù)值和時基信號的周期算出被測信號的周期T。T=時基信號周期*計數(shù)器計數(shù)值。再根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關系,算出被測信號的頻率f。這里面就提供一個思想。沒有通過實踐去驗證。不可避免,這個算法也有它自己的缺陷。5.3心得體會本次實習讓我們體味到設計電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的樂苦與甜。設計是我們將來必需的技能,這次實習恰恰給我們提供了一個應用自己所學知識的機會,從到圖書館查找資料到對電路的設計對電路的調(diào)試再到最后電路的成型,都對我