數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)課題： 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) </p><p>　　院（系、部）： 機(jī)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(cè)

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

4、測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。本文的數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號(hào)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：測(cè)頻、基準(zhǔn)時(shí)鐘、閘門時(shí)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(jì)算機(jī)、控制與測(cè)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(yùn)行的電信號(hào)，其大小往往并不改變，但在實(shí)踐分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個(gè)特點(diǎn)。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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)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?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率，轉(zhuǎn)速，

6、聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。</p><p>　　1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</p><p>　　1)測(cè)量頻率范圍0～9999Hz；</p><p>　　2)最大讀數(shù)9999HZ,閘門信號(hào)的采樣時(shí)間為1s；.</p><p>　　3)被測(cè)信號(hào)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(jìn)制數(shù)顯示；</p><p>　　5)輸入信號(hào)最大幅值可擴(kuò)展。</p><p>　　2 方案設(shè)計(jì)與論證</p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制的數(shù)字來顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號(hào)的頻率 ，而且還可以測(cè)量它們的周期。</p><p>　　所謂頻率就是在單位時(shí)間

8、（1s）內(nèi)周期信號(hào)的變化次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得周期信號(hào)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(jì)方案框圖如圖1所示：</p><p>　　圖1 數(shù)字頻率計(jì)組成框圖</p><p>　　圖中脈沖形成的電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)的頻率fＸ。，時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則們控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確的

9、等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制當(dāng)秒信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過閘門送到計(jì)數(shù)器譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，技計(jì)數(shù)器得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率fＸ= N Hz </p><p><b>　　一 整體電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)的工作過程是：被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的周期相同。實(shí)際電路輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)Ⅱ，設(shè)其高電平持續(xù)時(shí)間為1s，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間就是1s，計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N（如圖Ⅲ所示）就是被測(cè)信號(hào)的頻率。</p><p>　　邏輯控制單元的作用有兩個(gè)：</p><p>　　其一，產(chǎn)生清零脈沖④，使計(jì)數(shù)器每次從零開始計(jì)數(shù)；</p><p>　　其二，產(chǎn)生所存信號(hào)⑤，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。這些信號(hào)之間的

11、時(shí)序關(guān)系如圖2（b）所示數(shù)字頻率計(jì)由時(shí)基電路、控制電路、閘門電路、計(jì)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(jì)的工作過程圖</p><p>　　圖2（a） 數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖</p><p>　　圖2（b） 數(shù)字頻率計(jì)的工作時(shí)序波形</p><p>　　3 各單元電路設(shè)計(jì)與

12、參數(shù)計(jì)算</p><p><b>　?、?邏輯控制電路</b></p><p>　　根據(jù)圖2(b)所示時(shí)序波形，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)②結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的下降沿用來產(chǎn)生鎖存信號(hào)⑤ ，同時(shí)鎖存信號(hào)經(jīng)過反相器有用來產(chǎn)生清零信號(hào)④，鎖存信號(hào)的脈沖寬度由本身電路的時(shí)間常數(shù)決定。因此這兩個(gè)脈沖信號(hào)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(hào)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(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存，使顯示器獲得穩(wěn)定的測(cè)量值。因?yàn)橛?jì)數(shù)器在1s內(nèi)要計(jì)算成千上萬個(gè)

14、輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將隨計(jì)數(shù)器的輸出而變化，不便于讀數(shù)。如圖2所示，1s的計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)。邏輯控制電路發(fā)出的鎖存信號(hào)⑤，將計(jì)數(shù)器此時(shí)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(shí)鐘脈沖CP的上升沿到來時(shí)，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即個(gè)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(jì)數(shù)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。</p><p>　　清零信號(hào)是在計(jì)數(shù)器的計(jì)算值送鎖存后，為了下次計(jì)數(shù)而把計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，所以在鎖存信號(hào)發(fā)出后，利用反相器的功能得到一個(gè)對(duì)計(jì)數(shù)器清零的延時(shí)

16、信號(hào)。有計(jì)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(hào)是高電平有效，而鎖存信號(hào)也是高電平有效，而且計(jì)數(shù)器清零必須在單穩(wěn)觸發(fā)信號(hào)之后，故在延遲反相器的基礎(chǔ)上再加個(gè)反相器得到計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。</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(cè)信號(hào)（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(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，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(cè)信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)，因?yàn)?55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(hào)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(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(gè)正電壓。如果取+Ucc=+5V,回差△UT=1.67V。對(duì)

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(hào)幅度為 Uxm>1/2△UT=0.83V.為使Uxo=2.5V，對(duì)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(shí)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(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，決定了被測(cè)信號(hào)的脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，其精度很大程度上決定了頻率計(jì)的頻率測(cè)測(cè)量精度。當(dāng)要求頻率測(cè)量精度高時(shí)，應(yīng)使用晶體振蕩器通過分頻獲得。在此頻率計(jì)中，時(shí)基信號(hào)[4]采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（1s高電平）來到時(shí)，閘門開通，被測(cè)信號(hào)的脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖結(jié)束時(shí)（為低電平），閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器無時(shí)鐘脈沖輸

21、入。例如，時(shí)基信號(hào)的作用時(shí)間為1s，閘門電路將打開1s，若在這段時(shí)間內(nèi)通過閘門電路的脈沖數(shù)目為1000個(gè)，則被測(cè)信號(hào)的頻率就是1000Hz。由此可見閘門電路的邏輯功能可以有一個(gè)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(shí)基為1s的脈沖是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路產(chǎn)生的，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩氣的周期計(jì)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(fù)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(diǎn)</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(gè)點(diǎn)波形如圖6所示。</p><p>　?、?被測(cè)信號(hào)幅度擴(kuò)展電路</p><p>　　采用圖7所示電路，可以擴(kuò)展被測(cè)信號(hào)幅度范圍。輸入信號(hào)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(hào)的幅度較小時(shí)，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(kuò)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(dòng)復(fù)位開關(guān)S，計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒脈沖到來時(shí)，與非門構(gòu)成的閘門電路開通，4片74LS90組成的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，最大

25、計(jì)數(shù)N=9999HZ。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒脈沖結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)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(shí)鐘脈沖[5]，是鎖存器的輸出等于此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖經(jīng)過兩個(gè)與非門延時(shí)，用來對(duì)計(jì)數(shù)器清零，從而完成一次測(cè)量。</p><p>　　下一個(gè)秒脈沖來到時(shí)又按照計(jì)數(shù)→鎖存→復(fù)位的過程完成第二次測(cè)量，如此的周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)

26、測(cè)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(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必

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

28、中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)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(shí)際價(jià)值的東西。在這個(gè)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(xiàn)，這在以后的學(xué)習(xí)和生活中會(huì)有很大的用處，增強(qiáng)了我的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，但是我還有不足，我會(huì)在以后的學(xué)習(xí)中逐步提高，做一個(gè)動(dòng)手能力強(qiáng)的大學(xué)生。總體來看，我的動(dòng)手能力又有了進(jìn)一步的提高，我感到十分的高興。</p><p

29、><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]<<西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)>>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