課程設(shè)計(jì)-頻率計(jì)

二、設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)條件和要求設(shè)計(jì)簡易數(shù)字頻率計(jì)：⑴.設(shè)計(jì)一個(gè)簡易數(shù)字頻率計(jì)，用于測量數(shù)字信號(hào)的頻率并顯示，用一個(gè)開關(guān)控制頻率計(jì)的起動(dòng)和停止，并可對(duì)頻率計(jì)置數(shù)。⑵.測頻范圍為0.1Hz到9999Hz。⑶.測量所需時(shí)基時(shí)間可調(diào)，分1秒和10秒兩檔。⑷.能連續(xù)循環(huán)測量顯示，若用1秒檔時(shí)要求6秒完成一個(gè)循環(huán)，其中1秒計(jì)數(shù)測量；4秒顯示結(jié)果；1秒清零。然后依次循環(huán)。根據(jù)上述要求，畫出電路框圖、原理總圖。對(duì)原理圖進(jìn)行仿真。在實(shí)驗(yàn)箱上組裝、調(diào)試。5.撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。摘要5.撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。摘要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(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，其中電子計(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。電子計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測量被測信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測量。本文闡述了用數(shù)字電路設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的數(shù)字頻率計(jì)的過程。概述頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測信號(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。閘門時(shí)間越長，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時(shí)間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時(shí)間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的儀器，被測信號(hào)可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號(hào)。電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以?duì)多種物理量進(jìn)行測試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器數(shù)字集成電路廣泛用于計(jì)算機(jī)、控制與測量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運(yùn)行的電信號(hào)，其大小往往并不改變，但在實(shí)踐分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個(gè)特點(diǎn)。數(shù)字集成電路作為電子技術(shù)最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，已廣泛地深入到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。第二章整體方案設(shè)計(jì)二、方案設(shè)計(jì)與論證頻率計(jì)是用來測量正弦信號(hào)、矩形信號(hào)、三角形信號(hào)等波形工作頻率的儀器，根據(jù)頻率的概念是單位時(shí)間里脈沖的個(gè)數(shù)，要測被測波形的頻率，則須測被測波形中1S里有多少個(gè)脈沖，所以，如果用一個(gè)定時(shí)時(shí)間1S控制一個(gè)閘門電路，在時(shí)間1S內(nèi)閘門打開，讓被測信號(hào)通過而進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼器電路，即可得到被測信號(hào)的頻率fx。任務(wù)要求分析：頻率計(jì)的測量范圍要求為10Hz~99.99KHz，且精度為10Hz，所以有用4片10進(jìn)制的計(jì)數(shù)器構(gòu)成1000進(jìn)制對(duì)輸入的被測脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；要求輸入信號(hào)的幅值為20mV~5V，所以要經(jīng)過衰減與放大電路進(jìn)行檢查被測脈沖的幅值；由于被測的波形是各種不同的波，而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測的信號(hào)必須是矩形波，所以還需要波形整形電路；頻率計(jì)的輸出顯示要經(jīng)過鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定再通過4位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。經(jīng)過上述分析，頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊如下圖:2.1算法設(shè)計(jì)頻率是周期信號(hào)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(gòu)建的方框圖。數(shù)字頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)方案（1）譯碼顯示（施密特整形電路）整形門控10000進(jìn)制計(jì)數(shù)器1Rk[K]電路,電路CLKis計(jì)數(shù) 1S清零一基路一一曬知一—?分頻電路秒脈沖 ?主控電路六進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖2-2頻率測量算法對(duì)應(yīng)的方框圖在測試電路中設(shè)置一個(gè)閘門產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門信號(hào)。改閘門信號(hào)控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。讓被測信號(hào)送入閘門電路，當(dāng)1s閘門脈沖到來時(shí)閘門導(dǎo)通，被測信號(hào)通過閘門并到達(dá)后面的計(jì)數(shù)電路（計(jì)數(shù)電路用以計(jì)算被測輸入信號(hào)的周期數(shù)），當(dāng)1S閘門結(jié)束時(shí)，閘門再次關(guān)閉，此時(shí)計(jì)數(shù)器記錄的周期個(gè)數(shù)為1S內(nèi)被測信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，即為被測信號(hào)的頻但是這一算法在被測信號(hào)頻率很低時(shí)便呈現(xiàn)出嚴(yán)重的缺點(diǎn)，例如，當(dāng)被測信號(hào)為0.5Hz時(shí)其周期是2s，這時(shí)閘門脈沖仍未1s顯然是不行的，故應(yīng)加寬閘門脈沖寬度。假設(shè)閘門脈沖寬度加至10s,則閘門導(dǎo)通期間可以計(jì)數(shù)5次,由于數(shù)值5是10s的計(jì)數(shù)結(jié)果，故在顯示之間必須將計(jì)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(hào)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(hào)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。在整形之前由于不清楚被測信號(hào)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(hào)電壓幅度較大時(shí)，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，前級(jí)輸入衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時(shí)被測信號(hào)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(gè)檔位。被測信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時(shí)基信號(hào)的到來。時(shí)基信號(hào)有555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門開通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測信號(hào)通過閘門，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器即開始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，這樣就達(dá)到了測量頻率的目的。計(jì)數(shù)顯示電路：在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計(jì)數(shù)被測信號(hào)中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐防锩嬉a(chǎn)生計(jì)數(shù)清零信號(hào)和鎖存控制信號(hào)?？刂齐娐饭ぷ鞑ㄐ蔚氖疽鈭D如圖2-5._njnjnjnjnjnjnjn__ __htlm I—I箴惠IB懸 Livv—、、鎖存信號(hào) 門i被測信號(hào)n閘門信號(hào)皿清零信號(hào)v鎖存信號(hào)圖2-5控制電路工作波形示意圖整形電路2、放大整形電路放大整形系統(tǒng)包括運(yùn)算放大器和555構(gòu)成的施密特觸發(fā)電路，如下圖所示。它將正弦波輸入信號(hào)整形成同頻率的方波。幅值過大的被測信號(hào)經(jīng)分壓器分壓送到后級(jí)放大器，以避免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的跟隨器使輸入信號(hào)幅值擴(kuò)展，其放大倍數(shù)為（Rf+R1）/R1。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器構(gòu)成，整形后的方波送到閘門以便計(jì)數(shù)。

3、時(shí)基電路時(shí)基電路由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧震蕩器實(shí)現(xiàn)。其作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（1s正脈沖）到來時(shí)，閘門開通，被測信號(hào)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)脈沖結(jié)束時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器無脈沖輸入。計(jì)算：T=（R1+2R2）Cln2f=1/T=1/（R1+2R2）Cln2通過改變R1的阻值（即通過開關(guān)K選擇不同的電阻）來改變T以改變頻率的量程。其電路圖如下所示：如圖3-1所示，第一部分為555定時(shí)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(jì)算公式為：f=1.43/（（R1+2*R2）*C）,因此，我們可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)通過計(jì)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(gè)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,分頻電路2.怎樣產(chǎn)生500Hz.1OHZ.1Hz脈沖？100分頻1。電 1Q00分頻EPET74160chQiQd17EPETQ江74160chQiQjLEPETQ江74160bQiQc1KHZ1H1KHZ2分頻500Hz主要由4518組成（4518的管腳圖，功能表及波形圖詳見附錄），因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是1000Hz的脈沖，也就是其周期是0.001s,而時(shí)基信號(hào)要求為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)，通過將Q3連接全下一計(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)過三次分頻后得到3個(gè)頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。三級(jí)分頻后信號(hào)圖3-21kHz的方波分頻后波形圖清零信號(hào)三級(jí)分頻后信號(hào)圖3-21kHz的方波分頻后波形圖清零信號(hào)555輸出信號(hào)一級(jí)分頻后信號(hào)二級(jí)分頻后信號(hào)門控電路門控電路待測 信號(hào)―廠二0~~—萬進(jìn)制計(jì)數(shù)器UjliJSuL門控信號(hào)I待測信號(hào)個(gè)數(shù)IJ 門控信號(hào)IS；I I1秒計(jì)數(shù)控制主控六進(jìn)制電路

74160作為清零信號(hào)K控6進(jìn)制電路(1)00100001110074160作為清零信號(hào)K控6進(jìn)制電路(1)001000011100作為門控信號(hào)1秒計(jì)數(shù)Q4秒顯示結(jié)果Q1秒清零譯碼顯示5.2問題及改進(jìn)在設(shè)計(jì)的555構(gòu)成多諧振蕩器輸出的方波信號(hào)，由于電路里面使用的電容元件，在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，隨著實(shí)驗(yàn)室里面溫度的變化，輸出信號(hào)的頻率也會(huì)發(fā)生變化，這是造成誤差的一個(gè)原因，為了在驗(yàn)收的時(shí)候提高測量的準(zhǔn)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(hào)接示波器，測量其輸出頻率，調(diào)節(jié)電位器，使輸出的信號(hào)非常接近1KHz，這樣的話在后面的測量中會(huì)減小誤差。在調(diào)測計(jì)數(shù)顯示電路的時(shí)候，在連接4511元件的時(shí)候忘記了將4511的5端接地，導(dǎo)致數(shù)碼管無法計(jì)數(shù)，在實(shí)驗(yàn)的過程中，連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng)，然后通過示波器一個(gè)一個(gè)檢測元件的輸入和輸出信號(hào)，看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分，對(duì)照電路圖進(jìn)行檢查修改，最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒有接地，導(dǎo)致元件的功能沒有實(shí)現(xiàn)。所以在連接電路的時(shí)候要細(xì)心，這也是要改進(jìn)的地方。不然的話就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)的連接上面的問題。在最終測量頻率很低的時(shí)候，那么本次電路測量頻率的算法就有了一定的缺點(diǎn)。例如，當(dāng)被測信號(hào)為0.5Hz時(shí)，其周期為2s，這時(shí)閘門的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應(yīng)該加寬閘門脈沖的寬度假設(shè)閘門脈沖寬度加至10S，則閘門導(dǎo)通期間可計(jì)數(shù)5次，由于計(jì)數(shù)值5是10s的計(jì)數(shù)結(jié)果，故在顯示之間必須將計(jì)數(shù)值除以10.加寬閘門信號(hào)也會(huì)帶來一些問題：計(jì)數(shù)結(jié)果要進(jìn)行除以10的運(yùn)算，每次測量的時(shí)間最少要10s，時(shí)間過長不符合人們的測量習(xí)慣，由于閘門期間計(jì)數(shù)值過少，測量的精度也會(huì)下降。為了克服測量低頻信號(hào)時(shí)的不足，可以使用另一種算法。將被測信號(hào)送入被測信號(hào)閘門產(chǎn)生電路，該電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，脈寬與被測信號(hào)的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號(hào)控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。設(shè)置一個(gè)頻率精度較高的周期信號(hào)（例如10KHz）作為時(shí)基信號(hào)，當(dāng)閘門導(dǎo)通時(shí)，時(shí)基信號(hào)通過閘門到達(dá)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)。由于閘門導(dǎo)通時(shí)間與被測信號(hào)周期相同，則可根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和時(shí)基信號(hào)的周期算出被測信號(hào)的周期T。T=時(shí)基信號(hào)周期*計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值。再根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系，算出被測信號(hào)的頻率f。這里面就提供一個(gè)思想。沒有通過實(shí)踐去驗(yàn)證。不可避免，這個(gè)算法也有它自己的缺陷。三、整體電路圖的設(shè)計(jì)（詳見附錄A3紙）2.電路完整工作過程描述（總體工作原理）555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生1Hz的脈沖，經(jīng)過T觸發(fā)器整形成高電平時(shí)間為1S的脈沖，高電平脈沖打開閘門74LS08N，讓經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14D放大整形的被測脈沖通過，進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行1S的計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，T觸發(fā)器的Q為下降沿，Q’剛好為上升沿，觸發(fā)鎖存器工作，讓計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)通過鎖存器鎖存顯示，同時(shí)，高電平的Q’信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行清零，此后，電路將循環(huán)上述過程，但對(duì)于同一個(gè)被測信號(hào)，在誤差的允許范圍內(nèi)，LED上所顯示的數(shù)字是穩(wěn)定的。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總結(jié)與感悟這次做課程設(shè)計(jì)，在確定自己應(yīng)做的課題后，首先做的是大量搜索自己需要的資料。數(shù)字頻率計(jì)，單從名義上來說，應(yīng)是一個(gè)很有意思的制作，因?yàn)樗囊饬x很現(xiàn)實(shí)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)材料，我們需設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)是一個(gè)比較簡單的設(shè)計(jì)，它主要由計(jì)數(shù)器，鎖存器，譯碼器及各種控制電路等幾個(gè)部分組成。為了簡便，其中的計(jì)數(shù)器選用集成芯片74LS160，鎖存器選用集成芯片74LS273。但通過一番數(shù)字頻率計(jì)的了解，即便現(xiàn)在設(shè)計(jì)的是一個(gè)比較簡單的計(jì)頻，但相比其它幾個(gè)課程還是要復(fù)雜一些，但至始到終肯定了這個(gè)課程堅(jiān)持到底。要寫一個(gè)課程設(shè)計(jì)，首先就必需對(duì)它的理論作充分的了解。平常學(xué)習(xí)不扎實(shí)，甚至有時(shí)總覺得很多的東西學(xué)了沒什么作用，至少現(xiàn)階段沒什么用，在做課程時(shí)一感覺就自己學(xué)的東西甚少。平常做電子實(shí)驗(yàn)也不在少數(shù)，但課程設(shè)計(jì)與在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)是兩個(gè)截然不同的狀況，其中后者是別人已設(shè)計(jì)好的思路，只需在做實(shí)驗(yàn)之前搞懂實(shí)驗(yàn)原理，再根據(jù)已編寫的實(shí)驗(yàn)步驟一步一步做下來便可；而課程設(shè)計(jì)從一開端全靠自己去弄清自己需要干什么，該怎樣去做。課程設(shè)計(jì)看似簡單，當(dāng)自己著手去做時(shí)，其實(shí)要比想象中復(fù)雜。課程設(shè)計(jì)除了要熟練掌握數(shù)字頻率計(jì)的理論知識(shí)，還要明確自己的設(shè)計(jì)模式。對(duì)于毫無設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人而言，最先想到的自然是通過網(wǎng)絡(luò)渠道，搜索別人的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案本沒有一個(gè)固定的模式，設(shè)計(jì)要求中列寫一個(gè)大致綱要，如果一致與綱要完全相同，稍感沒有新意，又想創(chuàng)新。如此是一個(gè)很多慮的想法，既消耗時(shí)間，又不能滿足自己的想法，因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)本有自己的要點(diǎn)，是一個(gè)純粹的技術(shù)項(xiàng)目，不需要太多的外在修飾。通過此次數(shù)電大型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及調(diào)試，掌握