简易数字频率计---201508.

电子电路课程设计简易数字频率计座位表130009班130008班一、课程概况简介二、课题技术指标三、设计提示四、预习要求主要授课内容:一、课程概况简介课程名称电子电路课程设计48学时，两周课程性质必修（2学分）教材《电子系统设计与实践教程》薛梅等编教学目的：提高模拟电路、数字电路理论和实验的综合能力掌握综合型电子电路的设计、装配和调测方法掌握电子元器件资料和电路资料的检索方法提高设计报告的撰写能力全面培养学生科技工作素质。教学进程:设计要求和提示（在实验室教师授课，半天）查阅资料、设计电路（同学独立完成，1天半）讲述装配方法和调测要求（2学时）调测（第一周星期三至第二周星期三）验收（第一周星期三至第二周星期四）撰写报告（第二周星期五）、讲评、收尾教学方法:1.教法在实验室集中，分3次讲解：电路设计提示装配要求、调测方法实验报告撰写要求辅导实验、最后逐一验收2.学习方法认真自学《电子电路课程设计》相关章节独立完成设计独立装配、调测、撰写设计报告3.课程纪律:缺少实验达三分之一以上无成绩，必须重修。设计报告必须手写，不得用打印机打印。预习报告和设计报告抄袭他人者，报告成绩按0分论处。迟到、早退3次成绩降档。4.成绩评定评分项目：预习报告、装配水平、调测水平、完成指标、报告。成绩分档：优秀、良好、中等、及格、不及格不及格必须重修，没有补考。二、课题技术指标2.1设计课题名称简易数字频率计2.2技术指标（P110课题）1、整体功能要求频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能是可以测量信号的周期和脉冲宽度。2、系统结构要求数字频率计的整体要求如图6-1所示。图6-1中“被测信号”为外部信号，送入“测量电路”进行处理、测量，“档位转换”用于选择测试项目---频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。2.3电气指标1、被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波2、测量频率范围分三档：1Hz～999Hz0.01KHz～9.99KHz0.1KHz～99.9KHz3、测量周期范围：1ms～1s4、测量脉宽范围：1ms～1s5、测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1KHz和999KHz的测量误差）。2.4扩展指标要求测量频率时，1Hz～99.9KHz的精度为±1%。2.5设计条件电源条件：+5V，逻辑电平符合TTL电平的要求。6、输入阻抗：大于100KΩ2.6可供选择的元器件范围如表所示阻容件、发光二极管和转换开关等元件自定。整体方框图及原理：三、整体方案设计提示根据算法并考虑到被测信号的幅度变化及人机界面的一些操作需要设计简易频率计的整体方案。（1）被测信号频率范围选择:由于被测信号范围为1Hz～10KHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是1S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：1HZ档（图中K1）采用1S闸门脉宽；10HZ～1KHz档（图中K2）采用0.1S闸门脉宽；10KHZ档（图中K3）采用0.01S闸门脉宽。设置了这三档后，可使后面的计数器位数适中，测量时间只是在K1时较长。（2）显示刷新:频率计工作时是每隔一段时间测量一次，测量后将上一次显示的测量结果消除掉，更新显示新的测量结果。刷新时间与闸门脉冲宽度有关，一般为1S～2S刷新1次。但是，如果闸门脉冲宽度为10S，则刷新时间必须大于10S。（3）ZMJS(闸门计数)信号：ZMJS是表示闸门结束的信号，闸门脉冲结束后，这个信号通知“显示刷新”电路对“显示译码”进行刷新。（4）KDKZ（宽度控制）信号：KDKZ是表示“闸门宽度控制”的输出信号，它用于控制“闸门信号”产生电路输出的闸门脉冲宽度。3.1测试频率设计提示3.1.1算法设计提示算法一：已知频率的定义是：周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用下图所示的算法构建的方框图。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。该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的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，为保证测量误差在10-3量级，则要求闸门信号的精度为10-4量级。例如，当被测信号为1KHz时，在大于0.1ms,故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。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，当被测脉冲为0.5Hz时其周期为2s,这时闸门脉冲仍为1s，显然是不可行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假如闸门脉冲宽度加至10s，则闸门导通期间可计数5次，由于计数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10。加宽脉冲宽度将带来三方面的问题：一是：计数结果要进行除以10的运算；二是：每次测量时间最少要10s,时间过长不符合人们的测量习惯；三是：由于闸门期间计数值过少，测量精度下降。实践中将计数结果除以10是容易做到的，只需将显示电路的小数点向前移一位即可，而后两个问题依照算法一是难以解决的。算法二：为了克服算法一测量低频信号时的不足，现提出算法二，其示意图如下图所示图。将被测信号送入被测信号闸门产生电路，该电路输出一个脉冲信号，脉宽与被测信号的周期相等。再用闸门产生电路输出的闸门信号控制电路的导通与开断。设置一个频率精度较高的周期信号（例如10KHz）（称为时基信号），当闸门导通时，时基信号通过闸门到达计数电路计数。由于闸门导通时间与被测信号周期相同，则可根据计数器计数值和时基信号的周期算出被测信号周期值T，T=时基信号周期×计数器计数值再根据频率域周期互为倒数的关系，算出被测信号的频率f。算法二较好地解决了被测信号较低时测量时间长和测量精度不高的问题，但它也存在两方面的问题：一是：要增加由周期求频率的电路；二是：被测信号频率较高时要求时基信号的频率也相应提高。例如，被测信号为1MHz，为保证测量精度，时间信号应为1000MHz。解决算法二的第二个问题要花较大代价。这是因为当时基信号频率较高时（如1000MHz）器件的成本将急剧上升，同时，在高频工作时，电子系统的电磁兼容性设计难度加大，工艺要求提高，这些都将使系统的总成本上升。算法三：算法一的优点是被测信号的频率高时测量精度高，频率低时测量精度低且测量用时长。算法二的优点是低频测量精度高，而高精度测量时或是精度低，或是精度合格而成本高、工艺难。在面对算法一和算法二的问题时有两种选择：一是：与用户（技术指标的执行者）协商，降低低频测量要求，允许测量时间加长和测量精度降低。二是：寻求新的算法。经过分析，在算法一和算法二的基础上拟定算法三。算法三的思路是以被测量周期信号1KHz为界，1KHz以上用算法一中的计数方法测量频率，而1KHz以下先采用测量周期的方法，再算出频率。以上给出了三种测量频率的算法，本课题基本指标中建议采用算法一，完成扩展指标时采用两种算法。原理框图如图所示。测频原理框图由整形电路、时基电路、闸门电路、计数电路、锁存电路、译码电路和控制电路组成。图中K1、K2、K3分别对应3个不同的频率测量档位。被测信号fx经整形电路转变为脉冲信号（矩形波或方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号可由74132的两个与非施密特触发器构成，由芯片74132来自激产生10KHz的标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号fx通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟个数，这样就达到了测量频率的目的。测量频率电路设计：测量频率电路由4017和7400构成。4017的CP接时基信号fs，与非门的一端接被测信号fx。分频电路设计：本实验被测信号范围为1Hz～99.9KHz，若只采用一种闸门脉冲信号，则只能是1S脉冲宽度的闸门信号，若测量高频信号时，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会带来不便，所以将频率范围分几档：1Hz～999Hz、0.01KHz～9.99KHz、0.1KHz～99.9KHz，时基信号频率分别为1Hz、10Hz、100Hz，由于f0为10KHz，所以要不断进行分频得到这三个频率信号，在实验器材中，4518为十进制同步计数器，根据需要可以随意组合，见下图。分频电路由4518双BCD同步加计数器构成,如图所示。若4518（I）的1端接入10KHz的频率，则6端输出1KHz的频率，14端输出100Hz的频率,4518（II）的1端接入100Hz的频率，则6端输出10Hz的频率，14端输出1Hz的频率.以上f=10KHz的方波信号经四级10分频电路后，可提取因测量档位变化所需的闸门时间1s、0.1s、0.01s。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。3.1.2测量周期电路设计提示测量周期（即时间）的原理在前面算法二中已给出，如图所示。测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号占空比为50%，其脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间内，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期，用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期计数电路、锁存电路、译码显示和控制电路与测频方法相似。测量周期电路设计：测量周期与测量频率相反，电路由4017和7400构成。4017的CP接被测信号fx，与非门的一端接时基信号fs。3.1.3测量脉冲宽度的原理测量脉冲的原理与测量周期的原理相似。所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间。在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期，并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。测量脉宽电路设计：测量脉宽电路由4017和7400构成。4017的CP接时基信号fs，与非门的一端接被测信号fx。如图所示，当开关K7断开、K8闭合，可以用于测量频率和周期；而当开关K7闭合、K8断开，就可用于测量脉宽。振荡电路由施密特触发器、RC阻容元件构成，该振荡电路产生振荡信号f0,f0=1/2RC,所以根据R、C的设定可以确定f0的大小。根据实验要求可以选用f0为10KHz，这样满足多功能的应用，通过公式f0=1/2RC计算，得到R=5000Ω(取R=5KΩ)，C=0.01uf（或R=10KΩ、C=0.01uf）,为使频率计测量准确，电阻R的准确性需保证，把它换成可变电阻不断调节直到得到准确的f0。振荡电路如下图所示：3.1.4时基信号设计提示时基信号由74132芯片、RC阻容件构成频率f=10KHz的方波信号，也可以用4093芯片、RC阻容件构成频率为f=10KHz的方波信号。振荡电路如下图所示：（74132）振荡电路如下图所示：（4093）3.1.5控制电路的设计提示控制电路由4017、7400两块芯片构成，它们的作用可由下图说明：时基信号fs作为4017的CP，产生单稳态信号Y0，，Y0送入4029的PE端作为清零信号，接着输出Y1，Y1作为闸门信号，与fx经过与非门接到4029的CP并开始计数。由于计数器是不断在计数，不能将结果固定以便观察，所以加入锁存电路，将4017的Y2输出端接非门后送入译码器的使能端LE(锁存端)将数据锁存，当新数据来时刷新显示，其功能可以用波形表达芯片的工作状态，见下图。选择电路设计提示：由于测量频率由3个不同档位，3个档位所使用的闸门脉宽是不一样的，在扩展指标中要求测量周期、脉宽也需要进行档位的选择。所以根据开关的开通与关闭来控制是测