自动换挡型1HZ-9.99KHZ频率计

PAGEPAGE1自动换挡型1HZ-9.99KHZ频率计设计任务与要求1.设计一个能测量1HZ-9.99KHZ、TTL电平的频率计，具有自动换挡动能。要求用三位数字显示，1-999HZ显示单位为HZ、1KHZ-9.99KHZ显示单位为0.01KHZ。画出完整的电路图，说明电路的工作原理。2.根据参考电路分析其工作原理并解答思考题。3.根据原理电路图，在印刷电路图中标出元器件的位置及代号，并完成跳线，使连接完整。4.组装、调试频率计；写出实验、调试报告。二．方案设计与论证总体分析：数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率即是单位时（1S）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1S时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。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。方案一：图1是数字频率计的组成框图。被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平持续时间t=1秒当l信号来到时闸门开通被测脉冲信号通过闸门计数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。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fx=NHz逻辑控制电路的作用有两个一是产生锁存脉冲IV使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图1所示。图1——数字率计的组成框图和波形图电路原理图如图2所示。该电路主要由四部分组成：放大整形电路、时基电路、逻辑控制电路以及输出显示电路。放大整电路由晶体管3DG100与74LS0组成，其中3DGl00组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74L00构成施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。时基电路的作用是产生一个标准时间信（高电平持续时间为1s定时器55构成的多谐振荡器产生。若振荡器的频率f0=1/(t1+t2)=0.8Hz，则振荡器的输出波形如图1中的波形II所示，其中1=1s，2=0.25s。由公式1=07R+2)C和=0.72C，可计算出电阻1、R及电容C的值如图。根据图1所示波形在计数信号II结束时产生锁存信号IV锁存信号IV结束时产生清“0”信号V。脉冲信号IV和V可由两个单稳态触发器74LS13产，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。设所存信号IV和清“0”信号V的脉冲宽度tw相同，如果要求t=0.02s，则得：t=045exCex=002s取Rex=10k，则Cex=t/045ex=4.4F。由74L13的功能（见下表1）可得，当RD、B、1触发脉冲从1A输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图1所的波形IV和V的要求。手动复位开关S按下时，计数器清“0。锁存的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。如图所示，1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号IV，将此时计数器的值送译码显示器，选用个8位锁存器74273以完成上述功能。当时锁存信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，无论D为何值，输出端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。图2——数字频率计的电路原理图方案二：自动换挡型频率计原理框图如图3。被测信号被测信号门控电路图3——自动换挡型频率计原理框图分频器计数、译码、驱动、显示高位计数溢出检测电路分频、显示控制电路电路原理图如图4所示。图4——数字频率计电路原理图该电路能测量1Hz—9.99KHz的方波信号，三位数字显示，1—999Hz显示单位为Hz、1KHz—9.99KHz显示单位为0.01KHz。由U2及外围电路组成的门控电路，产生脉宽1S的方波信号，控制U1A，让U12及外围电路组成的摸拟被测信号通过，单位时间的计数值即为被测信号频率。由C2、R3组成的微分电路，在一个新的计数周期开始瞬间对上次计数结果清零。由U11B、U10C、U10D及两微分电路构成计数器高位“1”检测，即在一个计数周期，高位至少计一个数；否则分频器U3没有必要接入。每个计数周期开始后，U10C及微分电路首先通过U11B的SD端使U11BQ置“1”此时由于U10B的5脚为低电平，U11A的CD端不起作用。在计数周期只要U6Q0端有一个“1”，U11BQ端就会清为“0”，U11A的CD端在计数周期都不起作用。若在整个计数周期U6Q0端始终为零，U11BQ端保持为“1”，当计数周期结束时，U10B4、5脚均为高电平，U11A的CD端起作用，U11AQ端为“0”，U3输出“1”，即分频器U3不起作用（整个计数周期U6Q0端始终为零，说明分频器U3没有必要加入）；同时U10B使得U9的消隐端起作用，高位无效“为检测计数器高位是否溢出，将U6Q3作为U11A的时钟，当U6Q3由“1”→“0”时，U11AQ端的状态取决于当时J端状态，J=0，QN+1保持原状态，J=1，QN+1=1。而J端的波形与U2Q相比延迟数微秒，其原因是：每个计数周期开始时，都要对上一次计数清零，如果上一次计数周期高位计数值是8或者9（波形图上画出四个计数周期U6Q3可能的情况），就会产生虚假的溢出信号，J的波形保证清零时J=0，使清零时产生的假溢出信号得到抑制。当U11AQ为“1”时U3单元电路设计与参数计算两种方案都是采用的测频法，第一种方案虽然结构上比较简单，但第二种方案更具有可行性。故选取方案二进行设计。由U12及其外围电路所组成的多谐振荡器产生被测信号，如图5。由图可知，C6、R8、WR2构成充放电支路：充电时间T1=（R8+WR2）C6ln2放电时间T2=（R8+WR2）C6ln2则电路振荡周期T=T1+T2=2（R8+WR2）C6ln2振荡频率f=1/T=1/[2（R8+WR2）C6ln2]WR2决定了频率的变化范围。图5由U2及外围电路组成的门控电路，产生脉宽1S的方波信号，如图6。由图可知，WR1、R1、D1、C1构成充电支路，C1、R2构成放电支路。充电时间T1=(R1+WR1)C1ln2放电时间T2=R2C1ln2则电路振荡周期T=T1+T2=(R1+R2+WR1)C1ln2振荡频率f=1/T=1/[(R1+R2+WR1)C1ln2]通过调节WR1使输出1S的高电平。图6U1A为闸门电路，由一个与非门构成，如图7。1端接入的是U2输出的基准脉冲信号，2端接入的是U12输出的被测信号。故闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，决定了被测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数的个数。例如，基准脉冲信号的作用时间为1S，闸门电路将打开1S，若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为100个则被测信号的频率就是100HZ。图74．分频与计数电路由4片74LS90构成，如图8。当U11A的6脚输出为高电平时，U3不起作用，3个十进制计数器（U4、U5、U6）构成一千进制的计数器，计数范围为1—999HZ。当U11A的6脚输出为低电平时，U3起作用，4个十进制计数器（U3、U4、U5、U6）构成一万进制的计数器，计数范围为1—9.99KHZ。图85.由U10B、U11A、U10C、U10D及其外围电路可实现频率计的换挡功能，最高位小数点的点亮，最高位为0时的消隐功能。如图9。为检测计数器高位是否溢出，将U6Q3作为U11A的时钟，当U6Q3由“1”→“0”时，U11AQ端的状态取决于当时J端状态，J=0，QN+1保持原状态，J=1，QN+1=1。而J端的波形与U2Q相比延迟数微秒，其原因是：每个计数周期开始时，都要对上一次计数清零，如果上一次计数周期高位计数值是8或者9（波形图上画出四个计数周期U6Q3可能的情况），就会产生虚假的溢出信号，J的波形保证清零时J=0，使清零时产生的假溢出信号得到抑制。当U11AQ为“1”时U3作为十分频器接入电路，同时将高位数码管的小数点点亮。由U11B、U10C、U10D及两微分电路构成计数器高位“1”检测，即在一个计数周期，高位至少计一个数；否则分频器U3没有必要接入。每个计数周期开始后，U10C及微分电路首先通过U11B的SD端使U11BQ置“1”此时由于U10B的5脚为低电平，U11A的CD端不起作用。在计数周期只要U6Q0端有一个“1”，U11BQ端就会清为“0”，U11A的CD端在计数周期都不起作用。若在整个计数周期U6Q0端始终为零，U11BQ端保持为“1”，当计数周期结束时，U10B4、5脚均为高电平，U11A的CD端起作用，U11AQ端为“0”，U3输出“1”，即分频器U3不起作用（整个计数周期U6Q0端始终为零，说明分频器U3没有必要加入）；同时U10B使得U9图96.由C2、R3组成的微分电路，在一个新的计数周期开始瞬间对上次计数结果清零。如图10.图107.显示控制电路，如图11。译码器MC14511B具有锁存端LE。当LE=1时，译码器处于锁定状态，译码输出保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。这使得数码管上能稳定地显示计数结束时的计数值。图118．各点波形图如图12。图12安装与调试1.检查印刷电路板有无断路、短路，若有，首先处理好。2.焊接顺序：电阻、二极管、跳线、IC插座、电容器，逐一焊接。先焊平面的，后焊立体的，原则是有利于焊接。要求卧装水平、竖装垂直、相同元件等高。3.焊接要点：将元件整形后插入对应位置，电路板平放在台面上，一手握烙铁对焊盘和引脚同时接触预热，另一手持焊锡丝与焊盘处烙铁接触，使锡丝熔化，当锡丝熔化一定量时，立即将锡丝离去，烙铁继续保持少许时间，让焊锡围绕焊盘自由流动，形成一个完全覆盖焊盘的钟形焊点。切勿将焊锡先溶化在烙铁上再去焊接，这样锡丝里的助焊剂在未焊接前先挥发了，不利于焊接，而且焊点没有光泽。4.剪脚：元件焊好后，将多余引脚剪掉，剪脚后的焊点应露出引脚0.5-1mm。本课设要求引脚露出2mm，以利于元件重复使用。5.检查元件及IC插座有无错焊、漏焊，方向是否正确无误，将集成电路插入相应插座。6.将5V直流电源接入电路，若发现元器件发热或者有异味，应立即切断电源检查。7.正常时数码管会显示所测信号频率，若不能则按以下步骤用示波器检查：①被测信号输出是否正常；②闸门控制电路是否正常；③清零、锁存信号是否存在；④计数器、译码器工作是否正常；⑤当不能自动换挡时，应该重点检查计数溢出检测电路；⑥调整闸门时间，使频率计正确测频。在安装与调试过程中遇到的问题及解决措施由于电路板上的线路图与电路图的线路相差甚远，故在焊接前需一步步仔细的分析电路图，并对照电路板，由于怕出错，所以我们组三人分工合作，一人分析并插接元器件，一人焊接，一人进行再次检查；焊接完后进行调试，起初是用四个1.5V的电池串接在一起作为电流源，但是使用起来比较麻烦，而且不稳定，后来改用手机充电器牵出正负先进行调试。在调试中我们发现中间的数码管的b、g、e段不会亮，我们初次判断是数码管坏了，于是更换数码管，结果e段会亮，但是g、e段依然不会亮，我们再次判断是否是底座有问题，但经测试，发现数码管的底座并没有问题。于是我们怀疑是印刷板上的线路有问题。于是我们用万用表测试，发现是数码管与电阻端连接的线路断路了。为了解决这个问题，我们用两根导线代替了印刷板上的线路，再次检查是数码管全部正常显示。该电路的优缺点优点：此电路可以实现自动换挡功能，以扩大电路的测量范围。缺点：由于本电路是实验电路，信号波形由555定时器自动产生且产生的信号波形为周期性的方波，所以不能像方案一那样通过衰减放大电路、整形电路，就能测量任意波形的频率。此即电路的缺点及改进处，可以用方案一的前级电路，将信号波形通过衰减放大电路使较大信号变小同时使较小信号变大，再通过整形电路使其形成周期性矩形波。心得体会此次课程设计的最大体会是：团结合作，学以自用，温故而知新。当我拿到这次的课程设计题目时，发现自己学的东西基本上已经忘得差不多了，于是还要翻着课本边看边分析，有些更是课本上没有的还要自己去查找资料，一边学一边做。上课的时候觉得理论上的东西很虚，原来要经过实践才能更深刻的理解，所示还是要学以自用，不能光有理论。而在设计的完成过程中，一个人孤军奋战是困难的，所以团结合作能是设计更顺利进行。我们小组三人分工合作，分析电路原理，相互讨论，提出问题，解决问题，在努力中收获成功，汲取经验。有时在设计中还可以有一些小创新，比如说，自己制作、改进电源，用于调试。此次设计存在有许多问题，有些已经解决，有些还未解决，比如说数码管显示的数字很不稳定，我们初次推断是两个多谐振荡器中的电容随温度的变化而变化引起的，也可能是因为电源不稳定或是其他因素。每一次的成功都不是那么容易的，我们要不断发现问题，解决问题，细心、耐心地对待每个细节。所以这次的课程设计又让我学到了很多：团队精神、学习方法、理解能力、思考能力都得到了极大改善，收获良多。参考文献[1]清华大学电子学教研组编，阎石主编.数字电子技术基础.第五版.北京：高等教育出版社[2]华中理工大学电学教研室编，邹寿彬主编.电子技术基础：数字部分.北京：高等教育出版社[3]邱寄帆.数字逻辑电路CAI.北京：清华大学出版社[4]唐德洲，邱寄帆.数字电子技术.重庆：重庆大学出版社[5]李世雄，丁康源.数字集成电子技术教程.北京：高等教育出版社[6]李亚伯.数字电路与系统.北京：电子工业出版社[7]张建华.数字电子技术。北京：机械工业出版社[8]郑步生，Multisim2001电路设计及防真入门与应用，电子工业出版社附1元器件清单：电容2个6800pC4、C5电容3个0.01uC2、C3、C11电容3个0.1uC10、C6、C9电容1个22uC1电容1个100uC8电容1个470uC7电位器1个10KWR1电位器1个100KWR2电阻1个330R8电阻5个680R3—R6、R30电阻21个820R10—R29、R9电阻2个1KR2、R7电阻1个51KR1二极管2个1N4148D1、D2定时器2个555U12、U2DIP-8底座*2计数器4个74LS90U3-U6DIP-14底座*4门电路2个74LS00U1、U10DIP-14底座*2触发器1个74LS112U11DIP-16底座*1驱动器3个MC14511BU7、U8、U9DIP-16底座*3数码管3个LTS547DPY1DIP-40底座*1实验板：印制PCB附2部分元件功能集成异步计数