数字频率计毕业设计论文N.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流数字频率计毕业设计论文N.精品文档.数字频率计 作者:XIAO 沈摘要在数字电路中,数字频率计属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中,数字频率计是用量最大、品种很多的产品,是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此,频率的测量就显得更为重要。本课题主要选择以集成芯片作为核心器件,设计了一个简易数字频率计,以触发器和计数器为核心,由信号输入、隔直,触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块
2、组成。放大整型电路:对被测信号进行预处理;闸门电路:由NE556构成一个秒信号,攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数;时基信号:产生一个秒信号;计数器译码电路:计数译码集成在一块芯片上,计单位时间内脉冲个数,把十进制计数器计数结果译成BCD码;显示:把BCD码译码在数码管显示出来。设计中采用了模块化设计方法,采用适当的放大和整形,提高了测量频率的范围。关键词:频率,集成电路,译码电路,计数电路,双稳态触发器目 录摘要I1 绪论11.1 数字频率计的发展现状及研究概况11.2 本课题研究背景及主要研究意义11.3 本课题主要研究内容21.4 本章小结:22 数字频率计的设计32.1 主要技术要求:
3、32.2 方案论证32.3 电路设计42.3.1 电路工作原理简述42.3.2 部分芯片功能介绍62.3.2.1 CD4026简介62.3.2.2 NE556简介12.3.2.3 CD4007简介22.3.2.4 MC4583B简介32.3.2.5 七段LED显示器件42.3.3 单元电路结构设计52.3.3.1 电源电路设计52.3.3.2 时基信号产生电路的设计62.3.3.3 信号处理电路设计72.3.3.4 显示电路的设计92.3.3.5 脉冲整宽电路的设计92.4 本章小结:103 电路调试123.1 单元电路调试123.2 系统连调124 结论14致谢15参考文献16附录171 绪
4、论1.1 数字频率计的发展现状及研究概况随着电子技术的飞速发展,各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元,已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域,更新换代速度可谓日新月异。在电子系统非常广泛的应用领域内,到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步,使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能,从而提高系统可靠性
5、和速度。数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器,不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号,而且能方便的改变频率。数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低,但结构复杂、杂散多,一般只应用在地面雷达中。锁相式的优点是相位同步的自动控制,制作频率高,功耗低,容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。随着单片锁相式数字频率计的发展,锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化,性能也越来越好,已逐步成为两种最为典型,用处最为广泛的数字频率计。1.2
6、本课题研究背景及主要研究意义数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此,频率的测量就显得更为重要。在数字电路中,频率计属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中,频率计是用量最大、品种很多的产品。本课题采用的是直接数字式的频率计,设计原理简单,是全硬件电路实现,电路稳定、精度高,大大的缩短了生产周期。1.3 本课题主要研究内容本课题采用数字电路来制作一个1HZ1MHZ的数字频率计,并将所需得到的频率通过数码管显示出来。 数字频率计
7、主要由四部分组成:时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。原理框图如图1-1: 放大整形闸门通道计数/译码驱动LED数码管时基信号输入信号图1-1 原理框图放大整型电路:对被测信号进行预处理; 闸门电路:由556构成一个秒信号,攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数; 时基信号:产生一个秒信号; 计数/译吗电路:计数/译码集成在一块芯片上,计单位时间内脉冲个数,把十进制计数器计数结果译成BCD码;显示:把BCD码译码在数码管显示出来。1.4 本章小结:本章主要简述了数字频率计的发展、研究背景和本课题研究的主要内容。2 数字频率计的设计本课题研究的是数字频率计的设计,用集成
8、芯片对它进行设计,主要的部件有双稳态触发器MC4583B、计数/译码芯片CD4026 ,双级型时基器NE556、双互补对称反相器CD4007 、集成稳压器7805、六位数码管和一些电容、电阻等组成。2.1 主要技术要求:(1)频率测量范围:1Hz10kHz,10kHz100kHz,100kHz1MHz;(2)频率准确度:x/x210-3;(3)被测信号幅度:Vxm(0.25)V;在误差允许范围内测量出信号的频率。2.2 方案论证(1) 方案一软硬件相结合的实现法,主要的部件有AT89C51单片机芯片、74HC164驱动数码显示寄存器芯片、74LS48位选芯片,放大电路,计数电路,LED数码管和
9、一些电容、电阻等组成,原理框图如图1-2:图1-2 原理框图该方案可以测量多个通带的信号,通过同步门和功能切换部分电路对电路进行分时复用。用两个计数器实现时间计数和事件计数分开。在有必要的显示其他通道的测量结果的时候另一个通道的数据会被存在单片机里。并可以通过键盘进行相应的设置。(2) 方案二纯硬件实现法,主要的部件有双稳态触发器MC4583B、计数/译码芯片CD4026 ,双级型双时基器NE556、双互补对称反相器CD4007 、集成稳压器7805、六位数码管和一些电容、电阻等组成,原理框图如图1-3:放大整形闸门通道计数/译码驱动LED数码管时基信号输入信号fs图1-3 原理框图该方案如图
10、1-3,通过对输入信号隔直、放大、整形处理后输出适合计数器输入信号的要求,即满足TTL电平输入要求。通闸门信号产生电路输出信号来控制计数器的开始、停止、清零。最后通过六位共阴极数码管对计数器所计得的脉冲个数显示出来。(3)方案比较:总之,方案一功能可以做到比较强大,软特性较好。原理简单,但是具体电路在实现时比较繁琐,而且实现的高精度测量则对软件的编写要求比较高。还有就是要用单片机来实现对1MHz的测量很难。因为通常情况下单片机的时钟频率为12MHz以下,则机器周期至少为1us,如果对1MHz(T=1us)的信号进行测量,必须在输入单片机之前要加分频电路。这样增加了电路的复杂性,同时还降性价比。
11、而方案二最大的特点就是全硬件电路实现,则电路稳定、精度高、没有烦琐的软件调试过程,大大的缩短了生产周期。本设计要求的频率准确度是x/x210-3,用纯硬件能够很好的满足设计的要求。所以本设计采用第二种方案。2.3 电路设计2.3.1 电路工作原理简述该数字频率计的电路图如图2-1,上电时,由于根据设计要求,输入信号的幅度是0.2V5V,而计数器的输入信号的条件是TTL电平,所以在输入计数器之前必须对输入信号进行幅度调整,待测信号fs经过隔直电容C1后进入下一级放大电路,在经过放大三极管Q1后使输入信号达到CMOS电路可以检测出高电平的幅度。设计中Q1工进行如图 2-1 数字频率计的整机图幅度调
12、整,待测信号fs经过隔直电容C1后进入下一级放大电路,在经过放大三极管Q1后使输入信号达到CMOS电路可以检测出高电平的幅度。设计中Q1工作在饱和状态,相当于一个开关,只要信号的高电平输入则Q1导通,集电极极被钳位为低电平(约0.3V),当输入为0V时,Q1截止,集电极被拉为VCC电压(约4.8V)。下一极为冲息电路,由MC4583B构成,冲息电路的作用是为了提高精度,特别是输入信号的频率比较低的时候精度可以大大的得到提高,如果没有经过冲息电路将出现如图2-2中图1的情况,既闸门信号同时跨在两个高电平信号之间时,将造成计数多一的情况,如果加了冲息电路后,使得待测信号的高电平的脉宽被整窄了,这样
13、出现闸门信号同时跨在两个高电平信号之间的机率大大减少,从而精度得到提高。时基信号产生电路被测信号fs由整形电路进入,整形后形成方波,送入闸门,待测脉冲送到闸门后再送入计数器,连接到七段数码管上进行显示。图2-2脉宽整窄图2.3.2 部分芯片功能介绍2.3.2.1 CD4026简介CD4026 是计数/译码驱动芯片,由CMOS构成,内部有一个十进制计数器和七段译码器组成,其引脚说明如表一:表一:CD4026引脚说明引脚名称1时钟10, 12, 13, 9,11, 6, 7七段译码显示输出2闸门信号15复位端3显示控制端5溢出端4显示输出控制端8地16电源主要特性:一般工作条件:电源电压范围Vdd
14、:3V20V输入电压范围:0VVdd工作温度:-55C125C极限值:电源电压Vdd:-0.5V22V 输入电压:-0.5V Vdd+0.5V 输入电流:10mA2.3.2.2 NE556简介NE556是双级型双时基器,它并不是一种通用型的集成芯片,在它内部集成了两片NE555,它可以组成上百种实用的电路,可谓变化无穷,故深受人们的欢迎。NE 556时基电路具有以下几个特点:556时基电路,是一种将模拟电路和数字电路巧妙结合在一起的电路;556时基电路可以采用4.515V的单独电源,也可以和其它的运算放大器和TTL电路共用电源;一个单独的556时基电路,可以提供近15分钟的较准确的定时时间;5
15、56时基电路具有一定的输出功率,最大输出电流达200mA,可直接驱动继电器、小电动机、指示灯及喇叭等负载。因此,556时基电路可用作:脉冲发生器、方波发生器、单稳态多谐振荡器、双稳态多谐振荡器、自由振荡器、内振荡器、定时电路、延时电路、脉冲调制电路、仪器仪表的各种控制电路及民用电子产品、电子琴、电子玩具等。在该课题中NE556主要是用于产生一个秒闸值信号。提供给CD4026计数器启动信号。它是一个双级型双时基电路,由一个高精度的振荡器产生时间信号,时间信号由外围的电阻和电容控制。主要特性:电源电压VCC:4.5V16V电流ICC:当VCC=5V时ICC=10mA,当VCC=15V时ICC=24
16、 mA其引脚图如图2-3: 图2-3 NE556引脚图2.3.2.3 CD4007简介CD4007是双互补对称反相器,由3个n沟道和3个p沟道增强型MOS晶体管构成,通过改变晶体管各单元的连接,可广泛用作反相器,波形整形电路,与非(或非)门,线性放大器,时钟门,传输门和高扇出缓冲器等电路。CMOS倒相器如下图所示,PMOS作负载管,开启电压为Vth。NMOS作输入管,开启电压为Vth。两个栅极G并联作输入端,两个漏极D串连作输出端。两个衬底都和源极S接在一起,PMOS管源极接电源VDD,NMOS管源极接地。电源电压大于两管开启电压绝对值之和,VDD|VthP|+VthN,输入是0,输出是1,实
17、现倒相关系,PMOS管,启为负,0导1截止。NMOS管,启为正,0止1导通。它有以下几个特点:a、低功耗b、抗干扰能力较强c、电源利用率高d、输入阻抗高,带负载能力强。其引脚图如图2-4: 图2-4 CD4007引脚图表二:CD4007引脚说明A互补对栅极G互补对P管源极B互补对P管漏极H互补对N管源极C互补对N管漏极I反相器输入端D互补对栅极J反相器P管源极E互补对P管漏极K反相器N管源极F互补对N管漏极Y反相器输出端主要特性:一般工作条件:电源电压范围Vdd:3V15V输入电压范围:2V Vdd极限值: 电源电压:-0.5V18V输入电压:-0.5V Vdd+0.5V 输入电流:10mA2
18、.3.2.4 MC4583B简介MC4583B是双施密特触发器,施密特触发器,与其说是“触发器”,不如说是具有滞后特性的数字传输门。其特点有二:(1) 输入电平的阈值电压由低到高为Vth+,由高到低为Vth- ,且Vth+Vth- ,输出的变化滞后于输入,形成回环。我们将 称Vth+为正向阈值电压, 称Vth-为负向阈值电压,二者的差值称为回差。(2)与前面所举的双稳态触发器和单稳态触发器不同,施密特触发器属于“电平触发”型电路,不依赖于边沿陡峭的脉冲。图2-5是施密特发器的电压传输特性,图a是反相传输特性,图b是同相传输特性。设输入信号为三角波之特性对应的输出波形。图2-5 施密特触发器的回
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