南京邮电大学课程设计报告-简易数字频率计(步骤详细)

目录第一章技术指标1.1整体功能要求1.2系统结构要求1.3电气指标1.4扩展指标1.5设计条件第二章整体方案设计2.1算法设计2.2整体方框图及原理第三章单元电路设计3.1时基电路设计3.2闸门电路设计3.3控制电路设计3.4小数点显示电路设计3.5整体电路图3.6整机原件清单第四章测试与调整4.1时基电路的调测4.2显示电路的调测4-3计数电路的调测4.4控制电路的调测4.5整体指标测试第五章设计小结5.1设计任务完成情况5.2问题及改进5.3心得体会第一章技术指标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结构要求如图所示。图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的项目------频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。数字频率计整体方案结构方框图3.电气指标3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。3.2测量频率范围：分三档：1Hz~999Hz0.01kHz~9.99kHz0.1kHz~99.9kHz3.3测量周期范围：1ms~1s。3.4测量脉宽范围：1ms~1s。3.5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）。3.6当被测信号的频率超出测量范围时,报警.被测信号测量电路显示电路档位转换4.扩展指标要求测量频率值时，1Hz~99.9kHz的精度均为+1。5.设计条件5.1电源条件：+5V。5.2可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能数量CD4093具有施密特触发功能的四2输入与非门1片741518选1数据选择器2片74153双4选1数据选择器2片7404六反向器1片4518十进制同步加/减计数器2片7400四2输入与非门2片CD40294位二进制/十进制加减计数器3片C392数码管3片4017十进制计数器/脉冲分配器1片45114线－七段所存译码器/驱动器3片74132四2输入与非门（有施密特触发器1片10K电位器1片电阻电容若干拨盘开关1个门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。第二章整体方案设计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。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。改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10̄³量级，则要求闸门信号的精度为10̄⁴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，由于闸输入电路闸门计数电路显示电路闸门产生门脉冲精度为10̄⁴，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*10̄³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*10̄³范围内。2.2整体方框图及原理输入电路：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：测量频率的原理框图如图2-3.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。时基信号由RC振荡电路构成一个较稳定的多谐振荡器，经4093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。周期测量：测量周期的原理框图2-4.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。方波信号中的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，在闸门导通的时间里，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。时基电路：时基信号由4093、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）CT2=0.7RbC重复周期为T=T1+T2。由于被测信号范围为1Hz~1MHz，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：1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz~99.9kHz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10kHz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.第三章单元电路设计3.1时基电路设计图3-1时基电路与分频电路它由两部分组成:如图3-1所示，第一部分为4093组成的振荡器(即脉冲产生电路),由于标准时基信号即1KHz在本电路设计中产生于4518的第一次分频，所以由RC振荡电路与4093需要产生10KHz的方波，我们通过电位器调节并用示波器观测可以基本产生10KHz的标准信号。第二部分为分频电路,主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为标准时基信号是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q³连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。如图3-2所示，4093与RC振荡电路产生的10kHz的信号经过四次分频后得到4个频率分别为1KHz、100Hz、10Hz和1Hz的方波。图3-210kHz的方波分频后波形图3.2闸门电路设计如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz；这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。图3-3闸门电路图3-44017输入100Hz信号和Q1、Q2的信号波形3.3控制电路设计通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生4029预置数信号（也可以称为清零信号，因为本设计预置数为零，可以达到清零的效果），4511的锁存信号。图3-5控制电路设计控制电路。计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PE端输入波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形是PE的波形图、第二个是CP端输入信号的波形图、第三个是锁存信号。PE是高电平的时候计数器预置数为零，可以达到清零的效果。根据图得知在计数之前对计数器进行了预置数为零即起到清零作用。根据4511（4511的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图可以看到，当CP输入的一个周期信号通过之后，此时4511的LE端的输入信号也刚好到达下降沿。图3-64029计数器PE信号波形、CP端输入波形、4511锁存端波形图图3-6，是测量被测信号频率是500Hz的频率的图。时基电路产图中电路10K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基准信号。那么这个电路实现测量频率的范围是0.01KHz~9.99KHz的信号的频率。同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。当CBA的取一定的值，电路实现一定的测量功能。3.4小数点显示电路设计在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。比如CBA接011测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.1KHz~99.9KHz，那么在显示的时候三个数码管的第二个数码管的小数点要显示。CBA接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01KHz~9.99KHz，那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图3-7所示。图3-7小数点显示电路（9端接最高位小数点，7端接次高位小数点）3.5整体电路图图3-8整体电路图3.6整机原件清单元件数量元件数量CD4093一片7404一片10KΩ三个4518两片7400两个个拨盘开关一个10K电位器一个4017一片74151一片CD4029三片74153两片4511三片LED灯一个数码管三个0.01μF电容两个保护电阻四个导线若干5V直流电源一个第四章测试与调整4.1时基电路的调测首先调测时基信号，通过4029、RC阻容件构成多谐振荡器，把振荡器产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为10KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频、四级分频的输出端，测试其信号。测出来的信号频率和理论值很接近。