第9章 课程设计与应用实例PPT讲稿.ppt
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1、第9章 课程设计与应用实例第1页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v9.1.1 简易数字频率计简易数字频率计(1)v1.设计目的设计目的v掌握数字频率计的设计方法,了解频率测量与周期测量的原理及减小测量误掌握数字频率计的设计方法,了解频率测量与周期测量的原理及减小测量误差的方法差的方法v2.知识点及涉及内容知识点及涉及内容v本设计的知识点为本设计的知识点为555时基集成电路的工作原理及应用,计数器、锁存器的工作原理,译时基集成电路的工作原理及应用,计数器、锁存器的工作原理,译码器、显示器的工作原理,限幅器和整型电路的工作原理码器、显示器的工作原理,限幅器和整型电路的工
2、作原理;涉及集成芯片管脚的功能和使涉及集成芯片管脚的功能和使用。用。下一页返回第2页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v3.设计任务设计任务v频率计测量范围频率计测量范围09 999 Hzv最大读数是最大读数是9 999 Hz,闸门信号的采样时间为闸门信号的采样时间为1sv采用采用4位数码显示位数码显示v输入信号最大幅值可以扩展输入信号最大幅值可以扩展v被测信号可以是正弦波、三角波和方波。被测信号可以是正弦波、三角波和方波。v使用使用EWB进行仿真进行仿真v4.设计原理设计原理v数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。数字频率计是直接用十进制数字
3、来显示被测信号频率的一种测量装置。下一页返回上一页第3页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率,而且还可以测量它们它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率,而且还可以测量它们的周期。的周期。v所谓所谓“频率频率”,就是周期性信号在单位时间,就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期信号的重复变化次数内测得这个周期信号的重复变化次数N,则其频率可表示为,则其频率可表示为f=N/T。因此,数因此,数字频率计测频率时的原理框如图字频率计测频率时的原
4、理框如图9-1所示。其中脉冲形成电路的作用所示。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成是将被测信号变成脉冲信号,其重复频率等于被测频率脉冲信号,其重复频率等于被测频率fX。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号,若其周期为信号,若其周期为1s,则门控电路的输出信号持续时间也准确地等于,则门控电路的输出信号持续时间也准确地等于1s。闸门。闸门电路由标准秒信号进行控制,当秒信号来到时电路由标准秒信号进行控制,当秒信号来到时.闸门开通闸门开通.被测脉冲信号通过闸被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时,闸门关闭,计数器停止计数。由于门送到计数译码
5、显示电路。秒信号结束时,闸门关闭,计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数计数器计得的脉冲数N是在是在1s时间内的累计数,所以被测频率时间内的累计数,所以被测频率fX=N Hz。下一页返回上一页第4页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v5.整体电路设计整体电路设计v如如图图9-2(a)所示,数字频率计的工作过程是所示,数字频率计的工作过程是:被测信号被测信号fX经脉冲电路整形,变成如经脉冲电路整形,变成如所示脉冲波形,其周期所示脉冲波形,其周期TX与被测信号的周期相同。实际电路输出标准时间信号与被测信号的周期相同。实际电路输出标准时间信号,设其高电平持续时间为设其高电平
6、持续时间为1s,则计数器的计数时间就为,则计数器的计数时间就为1s,计数器计得的脉冲数,计数器计得的脉冲数N(如如所所示示)就是被测信号的频率。逻辑控制单元的作用有两个就是被测信号的频率。逻辑控制单元的作用有两个:其一,产生清零脉冲其一,产生清零脉冲,使计数,使计数器每次从零开始计数器每次从零开始计数;其二,产生锁存信号其二,产生锁存信号,使显示器上的数字稳定不变。这些信号之,使显示器上的数字稳定不变。这些信号之间的时序关系如间的时序关系如图图9-2(b)所示。所示。v数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁存和清零电路、脉冲形成电路和译数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁
7、存和清零电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成码显示电路组成。下一页返回上一页第5页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v6.单元电路设计单元电路设计v(1)逻辑控制电路逻辑控制电路v根据图根据图9-2(b)所示的时序波形,在标准时间信号所示的时序波形,在标准时间信号结束时所产生的下降沿用来产生锁存信结束时所产生的下降沿用来产生锁存信号号,同时锁存信号经过反相器又用来产生清零信号,同时锁存信号经过反相器又用来产生清零信号,锁存信号的脉冲宽度由本身电,锁存信号的脉冲宽度由本身电路的时间常数所决定。因此脉冲信号路的时间常数所决定。因此脉冲信号和和可以由单稳态触发器产生,其电路
8、如可以由单稳态触发器产生,其电路如图图9-3所所示。示。v设锁存信号设锁存信号的脉冲宽度的脉冲宽度tW=1.1RC。若取。若取R=1 000 k,C=0.01uF,则,则tW=1.1RC=0.011s。下一页返回上一页第6页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v(2)锁存器和清零锁存器和清零v锁存器的作用是将计数器在锁存器的作用是将计数器在1 s结束时的计数值进行锁存,使显示器获得稳结束时的计数值进行锁存,使显示器获得稳定的测量值因为计数器在定的测量值因为计数器在1 s内要计成千上万个输入脉冲,若不加锁存器,内要计成千上万个输入脉冲,若不加锁存器,显示器上的数字将随计数
9、器的输出而变化,不便于读数。如图显示器上的数字将随计数器的输出而变化,不便于读数。如图9-2所示,所示,1 s的计数时间结束时,逻辑控制电路发出锁存信号的计数时间结束时,逻辑控制电路发出锁存信号,将计数器此时的值送译,将计数器此时的值送译码器,因此显示器的数字是稳定的。码器,因此显示器的数字是稳定的。v选用两片选用两片8D锁存器锁存器74 LS273可以完成上述锁存功能。可以完成上述锁存功能。74 LS273的真值表如的真值表如表表9-1所示。所示。下一页返回上一页第7页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v当时钟脉冲当时钟脉冲CP的上升沿到来时,锁存器的输出等于输入,
10、即的上升沿到来时,锁存器的输出等于输入,即Q=D,从而将,从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位及千位的输出值送到锁存器的输出端。个十进制计数器即个位、十位、百位及千位的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后,无论输入端正脉冲结束后,无论输入端D为何值,输出端为何值,输出端Q的状态仍保持原来的状态不的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数周期内,计数器的输变。所以在计数周期内,计数器的输出出不会送到译码显示器。清零信号是在计数不会送到译码显示器。清零信号是在计数器的计数值送锁存后,为了下次计数而把计数器进行清零,所以在锁存信号发出后,器的计数值送锁存后,为了下次计数而把计数器进行清零,所以在锁
11、存信号发出后,利用反相器的功能可以得到一个对计数器清零的延时信号由于计数器利用反相器的功能可以得到一个对计数器清零的延时信号由于计数器74 LS90的的R9(0)端接低电平,把端接低电平,把R0(1)作为清零输入,该清零信号是高电平有效,而锁存信号也是高作为清零输入,该清零信号是高电平有效,而锁存信号也是高电平有效,而且计数器清零必须在单稳触发信号之后,故在延迟反相器的基础上再加一电平有效,而且计数器清零必须在单稳触发信号之后,故在延迟反相器的基础上再加一个反相器可以得到计数器的清零信号。个反相器可以得到计数器的清零信号。下一页返回上一页第8页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设
12、计课程设计v(3)脉冲形成电路脉冲形成电路v脉冲形成电路的作用是将待测信号脉冲形成电路的作用是将待测信号(如正弦波、三角波或者其他呈周期性变如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化的波形化的波形)整形变成计数器所要求的脉冲信号,其周期不变。整形变成计数器所要求的脉冲信号,其周期不变。v将其他波形变换成为脉冲波的电路有多种,如施密特触发器、单稳态触发器、比较将其他波形变换成为脉冲波的电路有多种,如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等,其中施密特触发器的应用较多。电路形式采用由器等,其中施密特触发器的应用较多。电路形式采用由555定时器所构成的施密特触定时器所构成的施密特触发器,电路原理如图发器,电路
13、原理如图9-4(a)所示。所示。v图中图中R1与与R2的作用是将被测信号进行电平移动,因为的作用是将被测信号进行电平移动,因为555构成的施密特触发器的构成的施密特触发器的上触发电平上触发电平UT+=2/3UCC,下触发电平,下触发电平UT-=1/3UCC,如如图图9-4(b)所示。所示。下一页返回上一页第9页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v输入信号的直流电平输入信号的直流电平UXO应满足下列关系应满足下列关系:v1/3UCC UXO 1/2 UT=0.83V。为使为使UXO=2.5 V,对于图,对于图9-4(a)所示电路,则取所示电路,则取R1=R2=10 k下
14、一页返回上一页第10页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v(4)时基电路和闸门电路时基电路和闸门电路v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计数个数,其精度很大程度上决定了频率计的频率测量精度。当要求频率测进行计数的计数个数,其精度很大程度上决定了频率计的频率测量精度。当要求频率测量精度较高时,应使用晶体振荡器通过分频获得。在此频率计中,时基信号采用量精度较高时,应使用晶体振荡器通过分频获得。在此频率计中,时基信号采用555定时定时器构成的多
15、谐振荡器电路。当标准时间信号器构成的多谐振荡器电路。当标准时间信号(1 s高电平高电平)来到时,闸门开通,被测信来到时,闸门开通,被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数号的脉冲通过闸门进入计数器计数;标准时间脉冲结束时标准时间脉冲结束时(为低电平为低电平),闸门关闭,闸门关闭,计数器无时钟脉冲输入。例如,时基信号的作用时间为计数器无时钟脉冲输入。例如,时基信号的作用时间为1 s,闸门电路将打开闸门电路将打开1 s,若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为,若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为1 000个,则被测信号的频率就是个,则被测信号的频率就是1 000 Hz。下一页返回上一页第11页,共9
16、6页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v由此可见,闸门电路的逻辑功能可以由一个与非门来完成,由此可见,闸门电路的逻辑功能可以由一个与非门来完成,如图如图9-5所示。设所示。设标准时基为标准时基为1s的脉冲是由定时器的脉冲是由定时器555构成的多谐振荡器电路产生的,由构成的多谐振荡器电路产生的,由555定时器构定时器构成多谐振荡器的周期计算公式为成多谐振荡器的周期计算公式为:t=t1+t2=0.693(R1+2R2)C;占空比为占空比为D=t2/(t1+t2)=R2/(R1+R2)50%,t1为正方波宽度,为正方波宽度,t2为负方波宽度为负方波宽度;若取振荡器的频若取振荡器的频率
17、率f0=1/(t1+t2)=0.8Hz,则振荡器的输出波形如图则振荡器的输出波形如图9-6所示,其中所示,其中t1=1 s,t2=0.25s。下一页返回上一页第12页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v利用式利用式t10.693(R1+R2)C;t2 0.693R2C,若取,若取C=10 uF,则,则R2=36.07 k,取标称,取标称值为值为36 k;R1=108.22 k,取,取R1=108 k。门电路的输入、输出各点波形如。门电路的输入、输出各点波形如图图9-6所示。所示。v(5)被测信号幅度扩展电路被测信号幅度扩展电路v采用如采用如图图9-7所示电路,可以扩展
18、被测信号的幅度范围。输入信号所示电路,可以扩展被测信号的幅度范围。输入信号UX先经过先经过限幅器,再经施密特触发器整形。当输入信号的幅度较小时,限幅器的二极管限幅器,再经施密特触发器整形。当输入信号的幅度较小时,限幅器的二极管均截止,不起限幅作用。均截止,不起限幅作用。下一页返回上一页第13页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v(6)整体电路图整体电路图v经过以上各单元电路的设计,可以得到数字频率计的整体电路,如经过以上各单元电路的设计,可以得到数字频率计的整体电路,如图图9-8所示。电路的所示。电路的工作过程是工作过程是:接通电源后,触发手动复位开关接通电源后,触发
19、手动复位开关S,计数器清零。当标准时间,计数器清零。当标准时间秒脉冲来到时,与非门构成的闸门电路开通,秒脉冲来到时,与非门构成的闸门电路开通,4片片74LS90组成的计数器开始组成的计数器开始计数,最大计数计数,最大计数N=9 999 Hz。标准时间秒脉冲结束时所产生的负跳变触发。标准时间秒脉冲结束时所产生的负跳变触发单稳态触发器,使之产生正脉冲,它的正跳变作为锁存器单稳态触发器,使之产生正脉冲,它的正跳变作为锁存器74LS273的锁存时的锁存时钟脉冲,使锁存器的输出等于此时计数器的值。单稳态触发器输出的脉冲经钟脉冲,使锁存器的输出等于此时计数器的值。单稳态触发器输出的脉冲经过两个与非门延时,
20、用来对计数器清零,从而完成了一次测量。下一个秒脉过两个与非门延时,用来对计数器清零,从而完成了一次测量。下一个秒脉冲来到时又按照计数、锁存、复位的过程完成第二次测量,如此周而复始,冲来到时又按照计数、锁存、复位的过程完成第二次测量,如此周而复始,实现频率的自动测量。实现频率的自动测量。下一页返回上一页第14页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v(7)设计内容设计内容v设计整体电路,画出电路原理图,并在计算机上做仿真实训。设计整体电路,画出电路原理图,并在计算机上做仿真实训。v搭建好以上电路以后,进行调试,首先分模块进行调试,待每一个模块调试正确后,搭建好以上电路以后,
21、进行调试,首先分模块进行调试,待每一个模块调试正确后,不规则进行联调,并记录参数不规则进行联调,并记录参数v整体电路调试,记录测试结果,输入信号可用标准信号源。用示波器测整体电路调试,记录测试结果,输入信号可用标准信号源。用示波器测量频率与设计电路比较量频率与设计电路比较v(8)设计报告要求设计报告要求v题目与要求题目与要求下一页返回上一页第15页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v画出总电路框图及总体原理图。画出总电路框图及总体原理图。v设计思想及基本原理分析。设计思想及基本原理分析。v单元电路分析。单元电路分析。v测试结果及调试过程中所遇到的故障并加以分析。测试结
22、果及调试过程中所遇到的故障并加以分析。v设计过程的体会与创新点。设计过程的体会与创新点。v元件清单元件清单v(9)选用器件选用器件v计数器计数器;74LS90;译码器译码器:74 LS48;触发器触发器;74LS273;555定时电路定时电路;数码管数码管:共共阴极七段阴极七段LE D数码管数码管LC5011;电阻、电容、二极管等。电阻、电容、二极管等。下一页返回上一页第16页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v9.1.2 数字频率计数字频率计(2)v1.简述简述v数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本数字频率计是一种用十进制数字显示被测
23、信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量。理量。v本文主要讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成部分,还有在整个设本文主要讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成部分,还有在整个设计过程中对各个部分的设计思路和设计方案的选择、元器件的筛选,以及对计过程中对各个部分的设计思路和设计方案的选择、元器件的筛选,以及对它们的调试及调试结果的分析。它们的调试及调试结果的分析。下一页返回上一页第17页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v2.设计任务
24、与要求设计任务与要求v设计一个简易数字频率计,其信号是给定的脉冲信号,是比较稳定的。其要求如下。设计一个简易数字频率计,其信号是给定的脉冲信号,是比较稳定的。其要求如下。v测量频率范围测量频率范围:19 999 Hzv测量信号测量信号:可以是方波、三角形、下弦波可以是方波、三角形、下弦波v时基电路由时基电路由555定时器及分频器组成,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,其脉冲宽度分别为生的时基信号,其脉冲宽度分别为:1 s,0.1sv显示方式显示方式:4位十进制数显示位十进制数显示v当被测信号的频率超出测量范围时,报警当被
25、测信号的频率超出测量范围时,报警下一页返回上一页第18页,共96页,编辑于2022年,星期一9.1 课程设计课程设计v3.设计原理及方案设计原理及方案v数字频率计由数字频率计由4部分组成部分组成: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、译码显示电路示电路v由由555定时器、分级分频系统及门控制电路得到具有固定宽度定时器、分级分频系统及门控制电路得到具有固定宽度T的方波脉冲称做的方波脉冲称做门控制信号,时间基准门控制信号,时间基准T称为闸门时间。宽度为称为闸门时间。宽度为T的方波脉冲控制闸门的一个输的方波脉冲控制闸门的一个输入端入
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