频率计设计

电子技术课程设计报告学年学期：2015~2016第二学期设计题目:频率计设计专业班级：设计人：学号：完成工作：1.总体方案设计；2.单元电路设计及元器件性能指标测试参与元器件编程与调试、性能指标测试(闸门电路,计数输出电路)3.资料查阅、单元处理电路(放大电路,整形电路,分频电路)2016年6月27日频率计设计目录1.电路设计2.单元电路设计3.整机电路4.性能指标测试5.课程设计总结第1部分电路设计1.1设计任务和要求设计一个能够测量正弦波信号频率的电路。具体要求如下：（1）测频范围为1~9999Hz，精度为1Hz。（2）用数码管显示测频结果。（3）当信号频率超过规定的频段时，设有超量程显示。测试条件：在输入信号峰值为0.1V的情况下测试。参考元器件：74HC160/161，74HC138，74HC00，74HC573，74HC393、TL082，CD4511，CD4060晶振等。1.2总体设计方案1.2.1设计方案方案一：用函数发生器输入2Hz方波信号，经分频输出1Hz，2Hz信号分别为控制部分的锁存信号和清零信号。系统框图图1.2.1方案二：用555定时器构成的多谐振荡器发生信号，分频输出1Hz，2Hz信号分别为控制部分的锁存信号和清零信号。函数波形发生器D触发器160计数器控制电路显示电路译码及锁存图1.2.2方案三：用石英振荡器发生信号，分频输出1Hz，2Hz信号分别为控制部分的锁存信号和清零信号。图1.2.3译码器显示电路显示电路译码及锁存时基电路分频电路控制电路放大电路整形电路闸门电路计数电路555定时器D触发器控制电路1.2.2方案论证与比较利用石英振荡器发生信号比较稳定，但在仿真中难以实现。故选用555定时器555定时器简介：555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图如右图所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为低电平。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端TR。3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端TH。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1.2—1示。表1.2—1555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端TRQ放电管T功能0xx0导通清零101x保持保持1101截止置11001截止置11110导通清零多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。接通电源后，输出假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到2Vcc/3时（TH、端电平大于Vc），输出翻转为低电平。Vo是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到Vcc/3时（TH、端电平小于Vc），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得输出高电平时间T=(R1+R2)Cln2输出低电平时间T=R2Cln2振荡周期T=(R1+2R2)Cln2多谐振荡器电路和工作波形：图1.2.4第2部分单元电路设计2.1算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。第一个图的方波频率为16Hz,第二个图的方波频率为1Hz，故而将A段设为闸门开的时段，A段用1秒时间记录待测的输入脉冲数目，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10³量级，则要求闸门信号的精度为10⁴量级。A图2.12.2时基电路如图，时基电路是由555定时器构成的多谐振荡器图2.2.2振荡周期T=(R34+2R35)C4ln2=0.0621337s频率f≈16Hz2.3分频电路由5个D触发器级联构成分频电路图2.3由于时基电路输出方波信号为16Hz，经过五次分频，f=2516=0.5Hz2.4放大电路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。函数信号发生器是信号源，理想运算放大器是放大电路的主体，信号通过运放被放大，输入后面的整形电路。图2.4放大倍数=1+（24.5k/500）=50倍2.5整形电路用斯密特触发器作整形电路，将输入波形整形成为方波输出。由于输入的信号可是正弦波，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。图2.52.6闸门电路通过74LS00来将输入待测信号与0.5HZ的时基信号相与，实现一秒的计数，输入后面的计数电路的脉冲输入端。图2.62.7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。该电路的计数电路是用十进制计数器74LS160级联而成，总共用了四个，可实现0到9999的计数，该计数电路设计采用低级位的进位端做为高位的计数使能，四个计数器输入相同的脉冲。160译码器A、B、C、D端接地。ENT接受上一级的进位信号，ENP是使能端，高电平有效，使译码器正常工作，LOAD是预置数据输入端，接VCC。CLR是复位端，由于软件原因，经一双向开关，一端接地，一端接VCC，起手动置零作用。CLK是锁存端，接受闸门电路的信号。QA、QB、QC、QD分别接4511BD的DA、DB、DC、DD传递信号。RCO产生进位信号。该电路的显示采用四段数码管显示。图2.7第3部分整机电路3.1整机电路图总电路图如下：3.2元件清单元件名称数量数码管474LS74D5555-VIRTUAL274HC160D-4V4双向开关1电阻2(24.9K)2(500)1（24.5K）电容1(1.2uf）2(10nf)函数信号发生器1放大器OPMP-3T-VIRTUAL174HC00D1LED1导线若干第4部分性能指标的测试4.1电路调试4.1.1时基电路的调试首先对555定时器构成的多谢振荡器进行运行测试，用xsc示波器检查输出波形以及输出频率，计算是否与设计频率相符。逐级测量作为分频器件的74LS74D触发器输出端，由一级至五级分别测量输出波形及频率。555定时器构成的多谢振荡器输出端为16Hz，且五级分频器输出端为0.5Hz，实际电路正确。4.1.2计数电路调试计数电路按照图所示连接好，将74160的PT端，~CLR端，~LD端都接高电平，3个74160级联，构成异步十进制计数器。4511的5端要接0。接好后，给最低位的74160一个CP信号。让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。这样，计数器就开始计数了。数码管从0000~9999显示。计数电路就这样搞好了。在调测的过程中，74160的~CLR端，~LD端，4511的5端都是用临时的线连接。4.1.3信号源调试前面已经经过计算出信号放大倍率，此时需要将信号发生器输出波形设置为正弦波，输出电压幅值为100mA。用示波器检测放大电路的输出端信号波形以及555定时器构成的施密特触发器输出端波形。输出结果为矩形波，且频率为函数信号发生器的五十分之一，信源电路放大整形正常。4.2电路实现的功能和系统使用说明该电路是总体作为一个频率计，测量输入信号的频率，其中手动清零是在输入波形测量时，未从时基电路起始端开始计时使用，将选择开关接在低电平端，清零，再将开关接在高电平端，重新计数。如果超出设计量程9999Hz，则LED会发光提示。第5部分课程设计总结本次实习让我体会到设计电路、连接电路、调试电路过程中的酸甜苦辣，设计是我们将来必须要掌握的一种技能，这次实习恰好给了我们一个应用自己所学知识的机会，从图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了一番检验。从确定设计主题到完成全部设计，历时一周，时间虽然有限，但让我掌握了有关模拟电子技术方面的知识，例如555计时器相关的器件，同时也熟悉了Multisim软件的使用。这次课程设计最终顺利完成了，但是在设计中遇到了很多问题，遇到了我们没有见过的一些元器件，进过我和小组成员齐心协力，查资料，问同学，最终还是做出了成果。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。在使用Multisim的过程中，出现过一些问题，有许多电子元器件无法找到以及很多相似元器件不能理解它们工作原理上的区别,通过询问以及上网查资料这些问题都被一一解决.回顾此次电子技术课程设计，仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。除此之外，制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫马虎和急躁，调试电路需要静下心来慢慢寻找问题所在。同时，在不影响实验的情况下，可以适当加快进度。在设计控制电路时，我们可以连接译码显示和计数电路，这样就加快了完成进度。最重要的是掌握课本上的知识，这样才能对实验中出现的问题进行正确的分析解决。设计参考资料：数字电子技术------------------------------------------成立主编机械工业出版社模拟电子技术-----------------------------------------------成立王振宇主编东南大学工业出版社模拟电子技术实验教程---