数字频率计的设计作业.docx
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数字频率计的设计作业
数字频率计的设计
学生姓名:
学生学号:
指导教师:
所在学院:
专业班级:
中国
2014年6月
信息技术学院
课程设计任务书
院专业级,学号姓名
一、课程设计课题:
数字频率计的设计
二、课程设计工作日自14年6月4日至14年6月25日
三、课程设计进行地点:
四、程设计任务要求:
(详细内容见课程设计文档)
1.课题来源:
老师下发
2.目的意义:
(1)会运用电子技术课程所学到的理论知识,独立完成设计课题。
(2)学会将单元电路组成系统电路的方法。
(3)熟悉中规模集成电路和半导体显示器件的使用方法。
(4)通过查阅手册和文献资料,培养独立分析和解决实际问题的能力。
培养严肃认真工作作风和严谨的科学发展。
3.基本要求:
⊙测量信号:
方波
⊙测量频率范围:
1Hz~9999Hz;10Hz~10KHz;
⊙显示方式:
4位十进制数显示;
⊙时基电路由555定时器及分频器组成,555振荡器产生脉冲信号,经分频器分频产生的时基信号,其脉冲宽度分别为:
1S,0.1S;
⊙当被测信号的频率超出测量范围时,报警.
课程设计评审表
指导教师评语:
成绩:
签字:
日期:
目录
1设计任务要求…………………………………………………….………
2方案比较………………………………………………………….………
3单元电路设计…………………………………………………….………
4元件选择(要求计算元件参数)………………………………….……
5整体电路(标出原元件型号和参数、画出必要波形图)………………
6说明电路工作原理…………………………………………………………
7困难问题及解决措施…………………………………………….…………
8总结与体会…………………………………………………………………
9致谢……………………………………………………………….…………
10参考文献……………………………………………………….…………
1、设计任务要求
1.1可测量方波信号频率。
1.2测量频率范围在1Hz~9999Hz;10Hz~10KHz之间。
1.3以4位十进制数显示。
1.4时基电路由555振荡器产生脉冲信号,经分频器分频产生时基信号,其脉冲宽为1s,0.1s。
1.5当被测信号的频率超出测量范围时,报警。
1.6用protel设计硬件线路。
1.7按单元电路详细说明硬件线路设计思路,元件参数,选取根据。
1.8要求电源电路等附属电路也要自行设计。
2、方案比较
方案一:
系统采用MCS——51系列单片机8032作为控制核心,门控信号由8032内部的计数定时器产生,单位为1µs。
由于单片机的计数频率上限较低(12MhZ晶振时约500khz),所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理,8032则完成运算、控制及显示功能。
由于使用了单片机,使整个系统具有极为灵活的可编程性,能方便地对系统进行功能扩展与改进。
方案二:
运用555定时器构成的多谐振荡器电路,使其产生时钟脉冲,即为有一定频率或周期的方波信号,再使用一个555定时器构成的施密特电路对待测波形进行调整,无论待测信号为方波、尖顶波还是正弦波都可以调成同一周期的方波信号,然后用一个与门将两个555产生的不同方波连接起来再与两个计数器连接。
因为时基电路输出的信号为循环信号,为了得到不重复的单稳态信号,在计数器上接D触发器,能控制计数器的正向输出。
计数器的输出连接一个锁存器,能将所需数字正确锁定,最后是译码器和七段显示器,显示出正确的频率。
如果一次循环结束,将电源断开即计数结束。
由于本课程设计要求用555定时器,所以选择方案二。
3、单元电路设计
3.1放大整形电路
放大整形电路由晶体管放大器与74LS00等组成,放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
与非门74LS00构成施密特触发器,它对放大器的输出信号进行整形,使之成为矩形脉冲。
放大整形电路由晶体三极管3DG100与74LS00等组成。
其中3DG100组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
与非门74LS00构成施密特触发器,它对放大器的输出信号进行整形,从而得到方波脉冲。
3.2计频显示单元
这部分电路是频率计内作重要的电路部分,由计数器、锁存器、译码器、显示器和单稳态触发器组成。
其中计数器按十进制计数,由2个异步十进制计数器74ls90构成,一次从个位开始计数,向上位发出进位信号进而使高位开始计数。
计数输出如果电路中不接锁存器,则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化,要使计数器停止计数时,显示器上的数字显示能稳定,就必须在计数器后接入锁存器。
锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。
门控信号的下降沿使单稳态触发器1进入暂稳态,单稳1的上升沿作为锁存器的时钟脉冲。
为了使计数器稳定、准确的计数,在门控信号结束后,锁存器将计数结果锁存。
单稳1的暂态脉冲的下降沿使单稳2进入暂态,利用2的暂态对计数器清零,清零后的计数器又等待下一个门控信号到来重新计数。
锁存器的作用是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存,使显示器稳定地显示此时计数器的值。
1s计数时间结束时,逻辑控制电路发出锁存信号,将此时计数器的值送至数码显示器。
选用锁存器74LS273可以完成上述功能。
当时钟脉冲CP的正跳变来到时,锁存器的输出等于输入,即Q=D,从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
正脉冲结束后,无论D为何值,输出端Q的状态仍保持原来的状态不变。
所以在计数期间内,计数器的输出不会送到译码显示器。
锁存器在一个有效脉冲到来后将计数器输出信号锁存,并输出到数码管译码器,4片译码器用74LS48实现。
3.3闸门电路
测量控制电路(闸门电路):
用于控制输入脉冲是否送给计数器计数。
由一个数字逻辑元件与非门来独立完成,其一端输入高电平持续时间为1s(0.1s)的时基信号,另一端输入经过放大整形后的未知频率的待测信号,与非门的输出端接低位计数器的信号输入端。
3.4时基电路
时基电路的作用是产生一个标准时间信号,高电平持续时间是1s,由定时器555构成的多谐震荡器产生,当标准时间的精度要求较高时,应通过晶体震荡器分频获得。
若震荡器的频率
,其中
。
由公式
和
,可计算出电阻R1、R2及电容C的值。
若取电容C=10uF,则
kΩ
kΩ
所以取
为36kΩ,
为107kΩ。
3.5逻辑控制电路
在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号,锁存信号的负跳变又用来产生清“0”信号。
脉冲信号可由两个单稳态触发器74LSl23产生,它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
设锁存信号和清“0”信号的脉冲宽度相同,如果要求tw=0.02s,则有tw=0.45Rx/Cx=0.02s,若取Rx=10kΩ,则Cx=tw/0.45Rx=4.4uf,取标称值4.7uf,由74LSl23的功能表可得,当,触发脉冲从1A端输入时,在触发脉冲的负跳变作用下,输出端1Q可获得一正脉冲端,一非Q端可获得一负脉冲,其波形关系正好满足要求。
四、元件选择
主要元器件清单
主要元件
参数、用途
数量
DpyRed-CC
共阴极数码管
4
74LS48
4线8线译码器
4
74LS273
锁存器
2
74LS90
计数器
4
74LS123
逻辑控制电路
2
74LS00
与非门
8
74LS04
非门
1
74LS160
计数器
1
蜂鸣器
报警用
1
555定时器
生成脉冲
1
电阻
1k,3.3k,5.1k,10k,18k,39k,47k
10
电容
0.01,0.1,4.7,10,100,2200
9
可变电阻
10K,1K
3
2N3904
三级管
2
高压器
电源
1
整流桥
电源整流
1
L7805
稳压三极管
1
开关
单刀双掷、单刀单掷
2
三极管的选择一般要考虑两个问题:
一是放大器输入信号的幅度,放大器需要放大多少倍,其输出才能满足数字电路的触发电平。
二是放大电路的设计。
假定给出具体电路(考虑到被测频率的高频段频率较高,故选用高频管3DG,β100。
当输入信号过小时,应增加放大器的级数。
74LS48是输出高电平有效的译码器,内部有升压电阻,因此可以直接与显示器相连接。
为了使整数数值最前面的零不显示,将数码管显示器最高位的脉冲消隐输入接地,并将高位的脉冲消隐输出与低位的脉冲消隐输入相连。
五、整体电路
六、说明电路工作原理
所谓频率,就是周期性信号在单位时间内变化的次数.若在一定时间间隔t内测得这个周期性信号的重复变化次数为n,则其频率可表示为
若在闸门时间1S内计数器计得的脉冲个数为n,则被测信号频率等于nHz。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波,方波或其它周期性变化的信号。
它一般由放大整形电路、时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、锁存器、译码器、显示器等几部分组成。
其基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟,对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数,此时我们称闸门时间为1秒。
计数信号并与锁存信号和清零复位信号共同控制计数、锁存和清零三个状态,然后通过数码显示器件进行显示。
七、困难问题及解决措施
在设计的555构成多谐振荡器输出的方波信号,由于电路里面使用的电容元件,在实验的时候,随着实验室里面温度的变化,输出信号的频率也会发生变化,这是造成误差的一个原因,为了在验收的时候提高测量的准确性,所以在测量前要调节电位器,把产生的方波信号接示波器,测量其输出频率,调节电位器,使输出的信号非常接近1KHz,这样的话在后面的测量中会减小误差。
在调测计数显示电路的时候,在连接4511元件的时候忘记了将4511的5端接地,导致数码管无法计数,在实验的过程中,连接好电路以后,发现没反应,然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输出信号,看看是不是和理论的一样。
找出不符合理论的那部分,对照电路图进行检查修改,最后发现有的芯片的使能端没有接地,导致元件的功能没有实现。
所以在连接电路的时候要细心,这也是要改进的地方。
不然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。
在最终测量频率很低的时候,那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。
例如,当被测信号为0.5Hz时,其周期为2s,这时闸门的脉冲仍为1s显然是不行的。
故应该加宽闸门脉冲的宽度假设闸门脉冲宽度加至10S,则闸门导通期间可计数5次,由于计数值5是10s的计数结果,故在显示之间必须将计数值除以10.加宽闸门信号也会带来一些问题:
计数结果要进行除以10的运算,每次测量的时间最少要10s,时间过长不符合人们的测量习惯,由于闸门期间计数值过少,测量的精度也会下降。
为了克服测量低频信号时的不足,可以使用另一种算法。
将被测信号送入被测信号闸门产生电路,该电路输出一个脉冲信号,脉宽与被测信号的周期相等。
再用闸门产生电路输出的闸门信号控制闸门电路的导通与开断。
设置一个频率精度较高的周期信号(例如10KHz)作为时基信号,当闸门导通时,时基信号通过闸门到达计数电路计数。
由于闸门导通时间与被测信号周期相同,则可根据计数器计数值和时基信号的周期算出被测信号的周期T。
T=时基信号周期*计数器计数值。
再根据频率和周期互为倒数的关系,算出被测信号的频率f。
这里面就提供一个思想。
没有通过实践去验证。
不可避免,这个算法也有它自己的缺陷。
还有就是从手动换挡,到只可进或只可退的自动换挡,最后改进成了可进可退的自动换挡,其中的路途是非常曲折的,主要不同的就是换挡计数器的选择,例如用了74LS160做出来的就是可进的自动换挡,用74LS192做出来的才是可进可退的自动换挡。
八、总结与体会
在这次课程设计中,使我体会到了学有所用,真正把课堂上数电的知识用到了其中,让我对数电有了跟进一步的了解,刚开课的时候都不知道模拟电子技术和数字电子技术是干嘛的,虽然说课本上的一些理论都知道,却也不知道有什么实用,这次的课程设计做了频率计后,了解到了现在所学的东西不要自己以为现在没用就不去学,其实一些知识是有很大的用处的,只是我们现在不知道而已,也许现在所学的就是自己感兴趣的,看到自己亲手做出来的频率计后有种莫名的成就感,从一定程度上提高了以后学习的积极性,也使我体会到了设计电路的趣味性,争强了我对这个专业的喜欢,还有连接电路与调试电路过程中的苦与甜,连接电路的过程是一个考验人耐心的过程不能有丝毫的马虎和急躁,得静下心来一根一根的去连接,不然错一根会给后面的调试造成很大的影响,只有踏踏实实的一步一步的走,才能提高效率,最终才能成功,这次课程设计还要求我们对课外的知识也要注意积累,在这次课程设计中有几个芯片是我们在课上没学过的,要求我们到图书馆、网上去找到该芯片的使用方法,对该芯片的功能有一个深刻的理解,这样在连电路的时候就能得心应手,才能真正掌握电路的原理。
这次课程设计还要求我们的团队协作能力,因为这次频率计是两个人一起完成,为了提高效率,就得两个一人做一块板,两个人先规划好板,然后一起做,带两块板都连接好后在一起来测试、调试,遇到问题时一起讨论,一起思考,这样既能培养我们的团队协作能力,又能提高效率。
9、致谢
致谢
通过本次课程设计,我收获颇丰,一方面使自己各方面能力在一定程度上得到提升,另一方面是自己切身体会到数字电子技术的实用性和有效性,增加了自己对数电学习和电子制作的兴趣。
同时在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。
本课题在选题及进行过程中得到梁老师的悉心指导。
论文行文过程中,梁老师多次帮助我分析思路,开拓视角,在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。
老师严谨求实的治学态度,踏实坚韧的工作精神,将使我终生受益。
再多华丽的言语也显苍白。
在此,谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
十、参考文献
o安德宁数字电路与逻辑设计实验技术北京邮电学院出版社
o高吉祥电子技术基础实验与课程设计电子工业出版社2002.2
o谢自美主编电子线路设计.实验.测试(第二版)华中科技大学出版社2000.7