數(shù)字頻率計課程設(shè)計

1、<p><b>　　電子技術(shù)課程設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計課題： 數(shù)字頻率計的設(shè)計 </p><p>　　院（系、部）： 機電工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名：

2、 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　2012年 6 月 29 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測

3、量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間[1]為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時間越長則每

4、測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文的數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。</p><p>　　關(guān)鍵詞：測頻、基準(zhǔn)時鐘、閘門時間 、頻率精度</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到

5、處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。其廣泛用于計算機、控制與測量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運行的電信號，其大小往往并不改變，但在實踐分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個特點。數(shù)字集成電路作為電子技術(shù)最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，已廣泛地深入到各個應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設(shè)計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉(zhuǎn)速，

6、聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。因此，數(shù)字頻率計是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。</p><p>　　1 設(shè)計任務(wù)與要求</p><p>　　1)測量頻率范圍0～9999Hz；</p><p>　　2)最大讀數(shù)9999HZ,閘門信號的采樣時間為1s；.</p><p>　　3)被測信號可以是正弦波、三角波和方波；</p><p&g

7、t;　　4)顯示方式為4位十進制數(shù)顯示；</p><p>　　5)輸入信號最大幅值可擴展。</p><p>　　2 方案設(shè)計與論證</p><p>　　數(shù)字頻率計是直接用十進制的數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號的頻率 ，而且還可以測量它們的周期。</p><p>　　所謂頻率就是在單位時間

8、（1s）內(nèi)周期信號的變化次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為f=N/T，據(jù)此，設(shè)計方案框圖如圖1所示：</p><p>　　圖1 數(shù)字頻率計組成框圖</p><p>　　圖中脈沖形成的電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測信號的頻率fＸ。，時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則們控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準(zhǔn)確的

9、等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進行控制當(dāng)秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)器譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，技計數(shù)器得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fＸ= N Hz </p><p><b>　　一 整體電路設(shè)計</b></p><p>　　數(shù)字頻率計的工作過程是：被測信號fＸ經(jīng)脈沖電路整形，變成如Ⅰ所示的脈沖波形，

10、其周期TＸ與被測信號的周期相同。實際電路輸出標(biāo)準(zhǔn)時間信號Ⅱ，設(shè)其高電平持續(xù)時間為1s，計數(shù)器的計數(shù)時間就是1s，計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N（如圖Ⅲ所示）就是被測信號的頻率。</p><p>　　邏輯控制單元的作用有兩個：</p><p>　　其一，產(chǎn)生清零脈沖④，使計數(shù)器每次從零開始計數(shù)；</p><p>　　其二，產(chǎn)生所存信號⑤，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。這些信號之間的

11、時序關(guān)系如圖2（b）所示數(shù)字頻率計由時基電路、控制電路、閘門電路、計數(shù)鎖存和清零電路、脈沖形成電路和譯碼顯示電路組成</p><p>　　如圖2（a），2（b）為數(shù)字頻率計的工作過程圖</p><p>　　圖2（a） 數(shù)字頻率計的組成框圖</p><p>　　圖2（b） 數(shù)字頻率計的工作時序波形</p><p>　　3 各單元電路設(shè)計與

12、參數(shù)計算</p><p><b>　?、?邏輯控制電路</b></p><p>　　根據(jù)圖2(b)所示時序波形，在標(biāo)準(zhǔn)時間信號②結(jié)束時所產(chǎn)生的下降沿用來產(chǎn)生鎖存信號⑤ ，同時鎖存信號經(jīng)過反相器有用來產(chǎn)生清零信號④，鎖存信號的脈沖寬度由本身電路的時間常數(shù)決定。因此這兩個脈沖信號④和⑤可疑由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，其電路如圖3所示</p><p>　　設(shè)

13、鎖存信號⑤的脈沖寬度tｗ=1.1RC若取R=1000 KΩ、C=0.01 Uf,則，tｗ=1.1RC=0.011s。</p><p>　　圖3 控制電路</p><p><b>　?、?鎖存器和清零</b></p><p>　　鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時的計數(shù)值進行鎖存，使顯示器獲得穩(wěn)定的測量值。因為計數(shù)器在1s內(nèi)要計算成千上萬個

14、輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將隨計數(shù)器的輸出而變化，不便于讀數(shù)。如圖2所示，1s的計數(shù)結(jié)束時。邏輯控制電路發(fā)出的鎖存信號⑤，將計數(shù)器此時的值送到譯碼器，因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。</p><p>　　選用了兩片8D鎖存器74LS273可以完成上述鎖存功能。74LS273的真值表如表1所示。</p><p>　　表1 74LS273真值表 </p><p&g

15、t;　　當(dāng)時鐘脈沖CP的上升沿到來時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將4個十進制計數(shù)器即個位、十位、百位、千位的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍然保持原來的狀態(tài)。所以在計數(shù)周期內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。</p><p>　　清零信號是在計數(shù)器的計算值送鎖存后，為了下次計數(shù)而把計數(shù)器進行清零，所以在鎖存信號發(fā)出后，利用反相器的功能得到一個對計數(shù)器清零的延時

16、信號。有計數(shù)器74LS90的R9（0）端接低電平，而把R0(1)作為清零輸入，該清零信號是高電平有效，而鎖存信號也是高電平有效，而且計數(shù)器清零必須在單穩(wěn)觸發(fā)信號之后，故在延遲反相器的基礎(chǔ)上再加個反相器得到計數(shù)器的清零信號。</p><p><b>　?、?脈沖形成電路</b></p><p>　　脈沖形成電路[3]的作用是將待測信號（如正弦波、三角波或者其他呈周期性變

17、化的波形）整形為計數(shù)器所要求的脈沖信號，其周期不變。</p><p>　　將其他波形變換成脈沖波的電路有多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，其中施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較多。電路形式采用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，電路原理如圖4（a） 所示。 </p><p>　　圖中R1與R2的作用是將被測信號進行電平移動，因為555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器[1]的上觸發(fā)電平UT+ =2/3Ucc，下觸發(fā)電

18、平UT-=1/3Ucc，如圖4（b）所示。 </p><p>　　輸入信號的直流電平Uxo應(yīng)該滿足下列關(guān)系1/3Ucc<Uxo<2/3Ucc。</p><p>　　輸入信號的幅度Uxm與直流電平Uxo和回差△UT有關(guān)，一般說來，△UT越小，對輸入信號的幅值Uxm要求越小，如果需要減小回差，可以在555的控制端CO接入一個正電壓。如果取+Ucc=+5V,回差△UT=1.67V。對

19、于圖4（b）所示的波形圖，若取Uxo=1/3Ucc+1/2△UT=2.5V,則輸入信號幅度為 Uxm>1/2△UT=0.83V.為使Uxo=2.5V，對于圖4（a）所示電路，則取R1=R2=10KΩ。</p><p>　　圖4(a) 原理圖</p><p>　　圖4（b） 波形圖</p><p>　　⒋ 時基電路和閘門電路</p><

20、p>　　如圖2（a）所示，閘門電路是控制計數(shù)器計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，決定了被測信號的脈沖通過閘門進入計數(shù)器進行計數(shù)的計數(shù)個數(shù)，其精度很大程度上決定了頻率計的頻率測測量精度。當(dāng)要求頻率測量精度高時，應(yīng)使用晶體振蕩器通過分頻獲得。在此頻率計中，時基信號[4]采用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間信號（1s高電平）來到時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖結(jié)束時（為低電平），閘門關(guān)閉，計數(shù)器無時鐘脈沖輸

21、入。例如，時基信號的作用時間為1s，閘門電路將打開1s，若在這段時間內(nèi)通過閘門電路的脈沖數(shù)目為1000個，則被測信號的頻率就是1000Hz。由此可見閘門電路的邏輯功能可以有一個與非門來完成，如圖5所示</p><p>　　圖5 標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生的閘門電路</p><p>　　設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時基為1s的脈沖是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路產(chǎn)生的，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩氣的周期計算公式：t=

22、t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比為：D= t2/ t1+t2= R2/ R1+2R2<50%，t1為正方波的寬度，t2為負方波的寬度；若取振蕩器的頻率f0=1/ t1+t2=0.8HZ,則振蕩器的輸出波形如圖6所示，其中t1=1s，t2=0.25s。</p><p>　　圖6 閘門電路各波形特點</p><p>　　利用式t1≈0.693（R1+R2）C；t2

23、≈0.693R2C。若取C=10Uf，則R2=36.07KΩ,取36KΩ；R1=108.22KΩ,取R1=108KΩ。門電路的輸入輸出個點波形如圖6所示。</p><p>　?、?被測信號幅度擴展電路</p><p>　　采用圖7所示電路，可以擴展被測信號幅度范圍。輸入信號Ux先經(jīng)過限幅器，在經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形。當(dāng)輸入信號的幅度較小時，限幅器的二極管均截止，不起限幅作用。</p&g

24、t;<p>　　圖7 幅度范圍擴大電路</p><p>　　4 總原理圖及元器件清單</p><p><b>　　4.1 總原理圖</b></p><p>　　電路的工作過程是：接通電源后，觸發(fā)手動復(fù)位開關(guān)S，計數(shù)器清零。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間秒脈沖到來時，與非門構(gòu)成的閘門電路開通，4片74LS90組成的計數(shù)器開始計數(shù)，最大

25、計數(shù)N=9999HZ。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)時間秒脈沖結(jié)束時所產(chǎn)生的負跳變觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使之產(chǎn)生正脈沖，它的正跳變作為鎖存器74LS273的鎖存時鐘脈沖[5]，是鎖存器的輸出等于此時計數(shù)器的值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖經(jīng)過兩個與非門延時，用來對計數(shù)器清零，從而完成一次測量。</p><p>　　下一個秒脈沖來到時又按照計數(shù)→鎖存→復(fù)位的過程完成第二次測量，如此的周而復(fù)始，實現(xiàn)頻率的自動

26、測量[6]。</p><p><b>　　4.2 元件清單</b></p><p><b>　　表1 所用器件</b></p><p><b>　　結(jié)論與心得</b></p><p>　　課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必

27、不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)．課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮

28、中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。在整個課程設(shè)計完后，總的感覺是：有收獲。以前上課都是上一些最基本的東西而現(xiàn)在卻可以將以前學(xué)的東西作出有實際價值的東西。在這個過程中，我的確學(xué)得到很多在書本上學(xué)不到的東西，查資料，找文獻，這在以后的學(xué)習(xí)和生活中會有很大的用處，增強了我的動手能力和實踐能力，但是我還有不足，我會在以后的學(xué)習(xí)中逐步提高，做一個動手能力強的大學(xué)生。總體來看，我的動手能力又有了進一步的提高，我感到十分的高興。</p><p

29、><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]<<西安電子科技大學(xué)學(xué)報>>2008年 第2期</p><p>　　[2]陳永甫.新編555集成電路應(yīng)用800例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000;87-90.</p><p>　　[3]閻石 數(shù)字電子技術(shù)（第五版）高教出版社.2006.5</p