电路CAD课程设计--频率计.doc

摘要在电子技术中，频率是最基本的参数，并且与许多电参量的测量方案，测量结果都有十分密切的关系，因此频率测量就显得更加重要。测量频率的方法有很多种，其中数字计数器测量频率具有精度高、使用方便，测量迅速，以便于是先测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。数字计数器测频有两种方式：意识直接测频法，即在一定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；而是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的测量，简介测频法适用于低频信号的测量，本文叙述了间接测频即周期测频法测量频率的过程。关键字：74ls160,555定时器，矩形波发生器。Abstract: In electronic technology, frequency is the most basic parameters, and with many electric parameter measurement, measurement results are very close relationship, so frequency measurement is more important. Method of measuring frequency there are a lot of kinds, including electronic technology companies measure frequency has high precision, easy to use, measurement quickly, so that the first measurement process automation, etc, is one of the important means of frequency measurement. Consciousness of electronic counter measure frequency has two ways: direct frequency measuring method, namely, in a certain gate time measurement of the measured signal pulse number; But indirect frequency measurement method, such as the cycle frequency measuring method. Direct frequency measurement method is suitable for high frequency signal measurement, the introduction of frequency measurement method is suitable for low frequency signal measurement, this paper describes the indirect frequency measuring the cycle frequency measuring method to measure the frequency of process.一、设计任务和要求4二、 方案选择与论证42.1 系统原理框图1：42.2 图1中各电路工作原理：5三、单元电路设计与计算说明53.1 25ms闸门时间控制电路5（1）方案论证5（2）闸门控制电路63.2 555定时器构成的施密特触发器电路8（1）555定时器电路组成及引脚图8(2)555的工作原理8（3）555构成施密特触发器的主要原理83.3 计数显示电路93.4：电路，元件，芯片选择10四、元器件选择及参数说明、总原理图104.1电路工作说明及元件清单104.3总原理图11五、 总原理框图125.1 总PCB图125.2：新建元器件封装13六、结论与心得14七：参考文献14一、设计任务和要求设计一个简易频率计，该频率计测量频率小于40kHz，要求测量数据显示3秒以上，被测信号为幅值小于10V的正弦波，输入信号可以为锯齿波，尖脉冲，三角波。2、 方案选择与论证所谓频率就是在单位时间1s内周期变化的次数，若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为f=N/T。2.1 系统原理框图1： 图1 简易频率计原理框图2.2 图1中各电路工作原理：（1） 整形电路：将各种形式的被测信号转换成矩形波，能更准确地触发计数器对其进行计数。（2） 时间控制电路：让被被测信号在一定时间内触发，让计数器在以固定时间内计数。（3） 显示电路：将固定时间内对被测信号周期数显示出来。（4） 测量电路：用计数器对周期数进行计数。三、单元电路设计与计算说明3.1 25ms闸门时间控制电路（1）方案论证方案一：利用矩形波发生器产生周期为25ms的矩形波作为闸门时间控制电路。 图2 矩形波发生器它由两部分组成 ，第一部分是RC构成的充放电回路，第二部分是放大器构成的滞回比较电路。滞回比较器的两种不同输出使RC电路进行充电或放电，电容上的电压将升高或降低，电容上的电压又作为滞回比较器的输入电压，从而使RC电路由充电过程变为放电过程或相反，如此反复，在滞回比较器的输出端即可得到矩形波。改变电路中电位器滑动端的位置即可调节占空比，而总的振荡周期不受影响。方案二：利用555定时器构成的多谐振荡器产生闸门信号。如图 5所示：5端接电容0.01uF电容，起滤波作用，将2与6端接在一起作为输入信号的输入端，就构成了施密特电路形式，将三极管输出端（7）通过电阻R接到电源，就构成集电极开路们反相器的形式；其输出再通过积分电路反馈至输入就构成自激多谐振荡器。主要通过电容C的充放电产生矩形波。计算公式：电容充电暂态稳定时间,放电稳定时间：，电路输出矩形波脉冲周期为,占空比为 ,输出波形如 图 6所示。从波形图可以看出，我们虽然可以改变电容C和两个电阻的大小来输出不同周期的矩形波，但是随着周期的增大，输出波形高电平持续时间更长，而低电平持续时间更短，最后会导致高低电平不明显，且产生不正常的矩形波，影响闸门控制计数器计数。而放大器构成的矩形波发生器就不会出现这种情况，因此我们选择了矩形波发生器作为闸门控制电路。（2）闸门控制电路其中,则T=25ms将25ms矩形波输出信号接入一片74ls160计数断，当计数端记到0001时触发总计数端对被测信号进行计数，当计数端记到0010时则停止计数，这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。图3 闸门信号控制电路图 4 闸门仿真波形图 5 555定时器构成的多谐振荡器图6 多谐振荡器输出波形3.2 555定时器构成的施密特触发器电路输入电路：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。（1）555定时器电路组成及引脚图图7 555外形尺寸及内部电路(2)555的工作原理 它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为Vcc32和Vcc31。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过Vcc32时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc31时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。DR是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接Vcc。Vco是控制电压端（5脚），平时输出Vcc32作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01Fm的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。（3）555构成施密特触发器的主要原理主要工作原理：如图3所示，当Vi=0时，由于V11=V12=Vi=0,电压比较器C1输出高电平，C2输出低电平；基本RS触发器被置“1”态；则Vi=1，当Vi继续上升，但在未达到2/3Vcc以前，VO=1不会变。当Vi升高到2/3Vcc时，电压比较器C1输出低电平，C2输出高电平；基本RS触发器被置“0”态；则VO=0，此后，Vi继续上升到Vcc，然后再降低，但在降低未达到1/3Vcc以前，VO=0的状态同样也不会改变。当Vi下降到1/3Vcc时，电压比较器C1输出高电平，C2输出低电平；基本RS触发器被置“1”态；则VO=1，此后，vi继续下降到0，然后再上升，但在未达到2/3Vcc以前，VO=1的状态不会改变图 8 3.3 计数显示电路74LS160为可预置的十进制同步计数器，其管脚图如图所示：RCO 进位输出端ENP计数控制端QA-QD 输出端ENT计数控制端CLK 时钟输入端CLR异步清零端（低电平有效）LOAD同步并行置入端（低电平有效）。这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，计数，预置，异步清零等功能，对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。图 9 74ls160功能表图 103.4：电路，元件，芯片选择在选择这些电路中的元件时参考了市场常见元器件条目，类似于电阻和电容，都是容易买到的阻值和容值。IC芯片也同样如此，有很多计数芯片，同步的和异步的，74系列有很多种计数器，如双时钟触发的同步加/减计数器74ls193，异步的75ls290，然后，74ls160是市场上最常见并且大家也都很熟悉的芯片，用起来也比较方便，根据这些原有考虑了各模块电路的方案选择。四、元器件选择及参数说明、总原理图4.1电路工作说明及元件清单首先矩形波发生电路产生25ms的矩形波，此输出波作为74ls160的输入信号触发计数器进行计数，当计数器记到0001时，触发总计数电路对输入信号进行计数，输入信号通过555定时器构成的施密特触发电路，不管是矩形波，正弦波，锯齿波还是方波豆浆转换成同周期的方波，通过方波触发总计数电路，当前计数芯片输出为0001且输入信号来了上升沿时则开始计数，当25ms时间到，即前计数芯片输出0010时停止计数，则数码显示模块则显示在25ms以内记到的输入信号总周期个数N,则输入信号频率f=N/25/1000;CommentFootprintDesignators0.01FRAD0.2C30.01uRAD0.2C402BZ2.2DIODE-0.4D402BZ2.2DIODE-0.4D315kAXIAL0.3R71BH62DIODE-0.4D21BH62DIODE-0.4D11kAXIAL0.3R8200kRPSR1020kAXIAL0.3R6555_VIRTUALDIP-8A17408JDIP-14U7741DIP-8U874LS160DDIP-16U474LS160DDIP-16U1374LS160DDIP-16U974LS160NDIP-16U574LS27DDIP-14U11953kAXIAL0.3R9CON2SIP-2J2CON2SIP-2J1DCD_HEX7SEG8DIP10AU1DCD_HEX7SEG8DIP10AU6DCD_HEX7SEG8DIP10AU3 4.3总原理图 5、 总原理框图5.1 总PCB图5.2：新建元器件封装带译码功能的数码管封装：本次课程设计选用了带译码功能的数码管，但是此类数码管市场上已不多见，可是为了仿真方便，依然选用了此种数码管，此次数码管封装依据淘宝网实物封装尺寸构成。 图 5.2.1 实物尺寸封装图5.2.2六、结论与心得此次课程设计学到了很多，每次设计电路都是一次自我学习的机会，也是考验自己的机会，以前学习数字电路知道了很多知识，比如此次用到的74ls160芯片，本来显示电路想用不带译码功能的数码管，想用74ls48进行译码显示的，但是由于连线太乱也就放弃了，但是自己还是更加熟悉了它的使用方法，理论只有在运用到实践中才检验出真知，只有自己亲自做了，想了才能更有体会，各部分的电路都是以前模电或者数字电路学来的，但是要想实现一个功能，得考虑很多东西，比如怎样将各部分联合起来，这些都是需要花时间思考的，最重要的是，通过此次课程