数电课程设计--数字频率计.doc

河南城建学院本科课程设计报告河南城建学院电子技术基础课程设计报告题目：数字频率计姓 名 ： 学 号： 专业班级： 指导教师： 所在院系： 电气与电子工程系2012年6月18号至6月21号指导教师评语：成绩： 摘要频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段t内的周期个数为n时，则被测信号的频率f=n/t。 频率计主要由四个部分构成：时基（t）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。常用的频率测量方法有测频法、测周法、测周期/频率法、f/v与a/d法。本文阐述了用测频法构成的数字频率计。目 录 1 概述 51.1设计目的 51.2设计要求 51.3设计技术指标与要求 52总体方案设计及硬件设计 62.1设计方案 62.2硬件设备 93 各模块设计103.1控制电路波形示意图103.2单元电路设计103.2.1衰减放大整形系统103.2.1时基电路113.2.3逻辑控制电路123.2.4闸门电路123.2.5计数锁存器143.2.6译码显示电路143.3数字频率计整体电路154 测试与调整 175 心得体会与总结 186 参考文献 191概述1.1设计目的：本课程设计是在前导验证认知实验的基础上，进行更高层次的命题设计实验，要求学生在教师指导下独立查阅资料、设计、安装和调试特定功能的电子电路。培养学生利用模拟、数字电路知识，解决电子线路中常见实际问题的能力，使学生累积实际电子制作经验，目的在于巩固基础，培养技能，追求创新，走向实用。1.2设计要求：（1）以电子技术基础的基本理论为指导，将设计实验分为基础性和系统性两个层次，基础性指基本单元电路设计与调试，系统型指若干个模拟，数字基本单元电路组成并完成特定功能的电子电路的设计，调试；（2）熟悉常用电子仪器操作使用和调试方法；（3）拓展电子电路的应用领域，能设计，制作出满足一定性能指标或特定功能的电子电路任务。 1.3设计技术指标与要求：1) 频率测量范围：1hz-10khz，10khz-100khz。2）测量时间：t1.5s。3）被测信号幅度:0.5v。4) 具有四位十进制数字显示功能。2 总体方案及硬件设计2.1方案设计：频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。它可以测量正弦波、方波和三角波的频率。利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。常用的频率测量方法有以下四种。测周法首先把被测信号进行二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期的方波信号，然后用一个已知周期ts的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期的时间内对fs信号进行计数，如图1-2所示。图2-1-1 测周法原理若在t时间内的计数值为n，则有 t=n*ts 即 f=1/t=1/n*ts=fs/n测周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频率标准计数信号的频率成反比。当fs为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。由于测周法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而二进制数据的求倒数运算中小规模数字集成电路却较难实现，因此，测周法不适合本设计要求。测周期/频率法周期/频率测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频标准计数信号fs进行计数，其测量原理如图1-3所示。图2-1-2 测周期/频率法原理在确定的检测时间内，若对被测信号 f的计数值为n1，对高频信号 f的计数值n2，则所测的信号频率为 f=1/t=n1/n2*ts=n1*fs/n2可见，周期/频率法需要进行除法运算才能得到信号频率，这用中小规模数字集成电路却较难实现，因此，该方法不适合本设计要求。f/v与a/d法这种频率测量方法是先通过f/v变换，把频率信号转换成电压信号；然后再通过a/d转换把电压信号转换成数字信号，再对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。测频法 数字频率计的原理框图如下图所示，他由六个基本单元电路组成：衰减放大整形系统、时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数锁存电路、译码显示电路。由555定时器构成的多谐振荡器在接通电源后，由于电容的充放电，使输出的波形为矩形脉冲，在经过多级分频系统及门控电路得到具有固定宽度t的方波脉冲作门控信号，时间基准t成为砸门时间。宽度为t的方波脉冲控制闸门（与非门）的一个输入端b。当a端接入一个信号源时，经过衰减器的衰减、放大器的放大作用和555定时器构成的整形系统的整形产生一个周期为tx的序列窄脉冲，当门控信号到来后，闸门开启，周期为tx的脉冲信号和周期为t的门控信号相与非通过闸门，当两个信号全都为高电平时相与的结果保持a的信号不变，当闸门信号为低电平时，相与结果为低电平，即在示波器上不显示波形。在闸门的输出端产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，直到门控信号结束为止，闸门关闭。单稳态触发器1的暂态送入锁存器的使能端，使锁存器将结果锁存，这样送到显示器的读书就为稳定值，计数器也停止计数并被单稳态触发器2的暂态清零 ，以便下次测量数据的准确性。单稳态触发器2闸门电路衰减放大系统被检测正弦波型号门控电路分频器晶体振荡器单稳态触发器1计数器锁存器译码器显示器cdabe 图2-1-3 测频法原理本设计选择了测频法，由于测频法的测量误差与信号频率有关：信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1s时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。另外，在信号频率较低时，如1100hz，可以通过增大闸门时间来提高测量精度。2.2硬件设计：原件序号型号主要参数数量备注15552定时器274ls2212逻辑控制电路374ls90610进制计数器474ls2732锁存器5cc45114译码器68421数码器4数码管7r5.1k2电阻8r51k2电阻9r10k2电阻10r41k1电阻11r1k1电阻12r100k1电阻13rp100k2电位器14rext3.3k2电阻15cext0.01uf2电容16c0.033uf1电容17c10uf1电容18c47uf1电容19led48二极管20c0.1uf1电容21c0.01uf1电容 表2-13各模块的设计：3.1控制电路波形示意图由频率的算法可知闸门的时间决定量程，可以通过闸门时基选择开关选择，t大些，测量准度就高些。根据被测频率选择闸门时间，显示器的小数点对应闸门显示数据量程。实验时若未加小数点显示闸门时间t为1s，被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出。调试时观测被测信号、闸门信号、清零信号、锁存信号各点波形可得一组完整的数字频率计的波形，各部分的波形如图示。图3-1-1 控制电路波形图3.2单元电路设计3.2.1衰减放大整形系统 衰减放大整形系统包括衰减器、跟谁器、放大器和施密特触发器，他将正弦波输入信号v1整形成同频率方波v0。衰减器由分压器构成，测试信号首先通过衰减开关选择衰减倍率，幅值过大的被测信号经分压器分压，送入后级放大系统以免波形失真。由运算放大器构成的设计跟随器起阻抗变换的作用，使输入阻抗变大，由运算放大器构成的同相放大器的的放大倍数为（rf=r1）/r1，改变r1的大小可以改变放大倍数。系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到后的方波到闸门以便计数。放大电路由3dg100和电阻电容组成，目的是将一定频率的周期信号进行放大。整形电路由555定时器构成施密特触发器，对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲信号。v111111111 图3-2-1 放大衰减整形系统电路3.2.2时基电路 时基电路的作用是产生一个标准的时间信号（高电平持续时间为1s）。本实验中的标准实际信号根据所提供器件，由555定时器构成的多谐振荡器和3片74ls90构成分频器产生。其完整电路如下：1hz10hz 图3-2-2 时基电路 当555定时器接通电源后，电压经变位器和两个电阻对电容经行充电，当电压上升到一定电压（该电压由变位器的阻值大小决定，当变位器的阻值为0时，该值为5/3v）时，uo=0，vt导通，电容通过r2和vt放电，在放电的过程中，电容两端电压下降，当电压下降到一定时，vt管又截止，输出电压又由0变为1，即从低电频跳变为高电频，也就形成了下降沿，如此的，电容周而复始的充放电即形成了连续的矩形脉冲，然后通过三个分频器，使频率计的功能更齐全，能够调整测量频率的范围，使测试范围可以更广。3.2.3逻辑控制电路 根据上面所示的波形，在时机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零信号。脉冲信号可由两个单稳态触发器74ls221产生，他们的脉冲宽度有电路的时间常数决定。74ls221是一个单稳态触发器，每一个触发器的功能如下图所示： 表3-1 74ls221功能表由74ls221组成的逻辑控制电路由如下图所示，当1=1b=1时，触发脉冲从1a端输入，在触发端的负跳变作用下，输出端1q可获得一正脉冲，采用相同的连接在2a端可获得负脉冲。由芯片74ls221的功能可利用他的可重触发性加宽门控信号，假设未加重触发脉冲时输出端的脉冲宽度为tw1，加重触发脉冲后的脉冲变为tw2，则： tw2=t+tw1 tw1=0.45rextcext从而可以控制外界电容和电阻的大小来控制电路的时间常数，逻辑控制电路可以利用它产生的上升沿脉冲来控制锁存器的锁存，还可以利用他的下降沿脉冲来控制计数器的清零（也可用手动来清零），如此，逻辑控制电路便实现了控制的功能，控制电路图如下所示： 图3-2-3 逻辑控制电路3.2.4闸门电路 闸门电路由与非门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输入端的一端接门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。闸门是否开通受门控信号的控制，当门控信号为高电平是，闸门开启，而门控信号为低电平时，闸门关闭。显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。可见，门控信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测信号的频率，计数显示系统再把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。3.2.5计数锁存器计数锁存电路由计数器和锁存器组成。计数器由4片74ls90按十进制计数组成，四个芯片级联而组成10000进制的计数器，计数器是将计数器个位的q4与十位的cpa相连，十位的与百位的相连，百位的与千位的相连，千位的与万位的相连，如此组成进位，然后将在计数清零时将计数结果送入锁存器，从而可以读出稳定的读数。锁存器的作用是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存，使显示器上能稳定的显示此时计数器的值，1s结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送到译码显示器电路图如下： 图3-2-4 计数锁存电路3.2.6译码显示电路 七段发光二极管数码显示器分为bs201/202(共阴极)和bs211和212（共阳极）两种，本实验采用共阴极的译码器，所谓共阴极就是把发光二极管的阴极都连到一起接地，与其搭配的译码器输出高电平为有效其中，bs201每段的最大驱动电流约为10ma，bs202的最大驱动电流约为15ma，该显示器的外形如下图3-2-5 译码显示电路 从锁存器出来的信号是计数器计数器计数后被锁存在锁存器中的信号，是二进制的数，在显示器上不能直接显示，需要译码器将二进制的数译码成为十进制的数，然后才能在显示器上读出频率。3.3数字频率计整体电路： 有前面3.2可知由衰减放大整形系统、时基电路、逻辑控制电路，闸门电路，计数锁存电路，译码显示电路单元电路按前面的整体方图按一定的顺序组合起来即可组成数字频率计整体电路。4.测试与调整 5.心得体会与总结大学的第一次课程设计结束了。从来没有听说过课程设计这个词，更不知道它是干嘛，刚接到课程设计的时候完全没有思路，不知该如何下手，好像自己学到的东西一点都用不上，后来经过翻阅资料从最基本的着手，开始对频率计有了一点认识，从单元电路到整体电路按部就班。在整个课程设计完后，总的感觉是：很累，很有压力，但是很有收获。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：如何将学过的芯片加以运用，如何查找资料，如何利用计算机来画图等等，更重要的是，团结精神，合作精神在这次课程设计中得到了很好地体现，仅凭我个人的力量是无法完成任务的。但现在回过头来看，还是挺有成就感的，毕竟这是大学里第一次课程设计，第一次真正的将理论转化为实际，这是一笔无法估量的财富。由于本次试验主要通过555定时器构成的施密特触发器，多谐振荡器，单稳态触发器分别构成相应的整形电路，时基电路，控制电路再加上同步十进制计数器74ls90，用来稳定存储结果的锁存器74ls273和由74ls48组成的译码器，以及用来显示的数码管来组成数字频率的测量仪器，对这些器件有了更深刻的认识和掌握，我感到很欣慰，付出的中就会有收获！。当然，做什么事情都不可能是一帆风顺的，我们也遇到了很多麻烦例如，在设计逻辑控制电路时需要一芯片既能控制锁存器及主控门的开启和关闭又能控制计数器清零，我们查阅资料，终于找到一种单稳态触发器74ls221利用他的下降沿起到控制作用。可是，天不遂人意在模拟仿真时，这种器件在multisim中找不到，我们尝试用其