学士学位论文—-基于数字电路的数字频率计设计.doc

基于数字电路的数字频率计设计（ 2013 ）级论文 （设计） 题目：基于数字电路的数字频率计设计 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程 组长：指 导 老 师： 2016年11月7日目录1.摘要22.数字频率计整体电路的设计原理与框图22.1 算法设计22.2 整体方框图及原理43.数字频率计各单元电路的设计53.1 放大整形电路63.2 时基电路73.3 逻辑控制电路83.4 计数、锁存、译码显示电路的设计94.Proteus仿真105.总结136.参考文献13附录 数字频率计总图14基于数字电路的数字频率计设计1摘要数字频率计是一门用十进制数字显示被测信号频率的数字量仪器，它的基本功能是正弦信号、方波信号、尖脉信号及其他各种单位时间内变化的物理量。本文粗略讲述了我们组的整个设计过程和收获。讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成部分，讲述了我们组在设计过程中对各个部分的设计思路、元器件的选择以及对它们的调试、对调试结果的分析，到最后得到的比较满意的实验结果的方方面面。关键字：数字电路，测量，仿真2数字频率计整体电路的设计原理与框图所谓频率，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。2.1 算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。图2-1频率测量算法示意图计数电路闸门输入电路闸门产生显示电路被测信号 图2-2 频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10 ³量级，则要求闸门信号的精度为10 量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10 ，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合5*10 ³的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10 ³范围内。但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信号为0.5Hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍未1s显然是不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s，则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10。2.2 整体方框图及原理译码显示器锁存器计数器逻辑控制电路闸门电路时基电路放大整形电路 图2-3 数字频率计整体框图 输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益时被测信号得以放大。频率测量：测量频率共有3个档位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号有555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC。重复周期为 T=T1+T2 。由于被测信号范围为1Hz1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档： 1Hz999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms、0.01ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生1kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图2-5。图2-4 控制电路工作波形示意图3数字频率计各单元电路的设计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1Hz1MHz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。以便进行测量。其中由端输入未知频率的波，74LS00组成的施密特触发器将从晶体管放大器放大的信号进行整形变换，得到需要的方波。电路图如图3-1所示。图3-1 放大整形电路实验中截图如下：图3-2三角波到方波的整形   图3-3正弦波到方波的整形3.2 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kk所以取为36 k，为107 k。时基电路图如图3-2所示。图3-4 时基电路3.3 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=10k，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。逻辑控制电路图如图3-3所示。图3-5 逻辑控制电路逻辑控制电路中用的芯片是74LS123，74LS123是常用的可重触发单稳态触发器。3.4 计数、锁存、译码显示电路的设计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，依次从个位开始计数，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。电路图如图3-4所示。图3-6 计数、锁存、译码电路4 Proteus仿真 绘制好电路图后，进行仿真运行，首先调节输入波的频率，如图4-1所示。设置为50Hz,点击OK后对电路进行仿真，数码显像管的显示值为50，如图4-2所示。图4-1 频率设置窗口图4-2 仿真结果 再改变输入波的频率，如图4-3所示，设置为1000HZ。进行仿真结果为993HZ，如图4-4所示。误差在允许的范围内。图4-3 频率设置窗口图4-4 仿真结果该仿真结果表明：上述电路符合实验任务要求，且精确度较高.能够准确的测量。5 总结通过本次课程设计，我们在发现问题、分析问题和解决问题的能力得到了提升。培养了我们的设计思维，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。同时也让我们在面对问题的时候不再像以前那样惊慌失措，而是慢慢分析问题，逐步去解决问题，实现各个击破。培养我们独立思考的能力和逻辑的分析能力.例如设计前必须胸有轮廓，首先该了解频率计数器的基本原理，各单元组成.进而理解各电路单元的组成结构，如何运用已知的器件实现某个条件，达到目的。总之，通过本次课程设计，我们收获颇丰，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。同时在让我们体会到了设计的艰辛的同时,更让我们体会到成功的喜悦和快乐。6 参考文献1谢自美编.电子线路设计.华中科技大学出版社，2003.2康华光编.电子技术基础数字部分（第五版）.华中科技大学出版社，2006.3李响初编.数字电路基础与应用.机械工业出版社,2008.4刘洪涛编.电子制作实用教程.电子科技大学出版社,2001.5朱清慧编.电子线路设计.清华大学出版社,2008.6周跃庆编.数字电子技术基础教程.天津大学出版社,2006.7傅劲松编.电子制作实例集锦.福建科学技术出版社,2006.附录 数字频率计总图14