数字式频率基电路设计报告.doc

第18页 共17页电子线路课程设计 电子线路课程设计报告 姓名： 学号：专业： 日期： 1 引言本周我们电气班的同学一起完成这个课程设计，设计并制作一个具有选频特性的简易两位数字式频率计电路。测量频率的方法有很多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。11 简易数字式频率计原理1.1.1 电子计数器测频原理周期性信号在单位时间内重复出现的次数，称为电流/电压的频率。频率计又称为频率计数器，是一种专门对信号频率进行测量的电子测量仪器，不论频率计技术指标如何定义，其基本工作原理都类似，频率测量原理如图3。图3 频率测量基本原理图若在一定的时间间隔T内的计得这个周期性信号的重复次数个为No时，则被测信号的频率F为：F = No/T式中：F为频率，单位为Hz。 No为计数器计数值，计数器计数定时时间为T。 一般的数字式频率计主要由四个部分构成：输入电路、闸门电路，计数显示电路和控制电路，频率和周期测量原理框图如图4。图4 频率和周期测量原理方框图在一个频率测量的周期过程中，被测频率信号在输入电路中经过放大、滤波和整形、形成特定的被测脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲（定时计数信号）。在闸门脉冲开启主门的期间，特定的被测脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。1.1.2 周期测量原理周期测量原理框图如图4，脉冲宽度测量计算公式：T =No*To 式中：T为被测脉冲宽度，单位为s，To为时标，No为计数器计数值。1.1.3 简易数字式频率计方框图简易数字式频率计方框图如图5。译码显示被测信号计数器计数控制整形电路时基信号发生器清零电路计数定时电路图5 简易数字式频率计方框图2 主要技术指标和要求2.2.1 主要技术指标频率计电路的输入信号为正弦信号：频率：1Hz10KHz，幅度：峰-峰值300mV。输入信号整形电路：（1）设计一个电压放大器， 增益510倍可调。（2）设计一个电压比较器，参考端基准电压为1.0V左右。（3）设计一个中心频率为200Hz1KHz的有源带通滤波器，使计数器能够对频率通带内的信号进行正常计数，其余则不计数。计数器电路：（1）设计一个2位的十进计数器、译码驱动和显示电路。（2）要求频率计具有自动测频、自动清零、数据显示和数据保持功能。2.2.2 发挥部分（1）频率计电路要求具有较高的抗干扰性能（采用TLP521光耦隔离器）。.（2）频率计具有A、B双通道自动测频、数据显示和数据保持功能。（3）频率计实现A、B通道号的显示。2.2.3 实物要求根据频率计测频原理，结合模电和数电的基础理论知识，完成对简易数字式频率计方案和电路设计和仿真，并在面包板上完成连接、装配、调试和演示。2.2.4 实验仪器示波器：TDO2022A功率函数信号发生器： SP1631A三路稳压电源：MPS-3003L-3 万用表：UNI-T2.2.5 主要器件及典型电路形式（1）本次课程设计用器件介绍 ：74LS00 、74LS04、74LS20、74LS32、74LS160 、74LS47、74LS123 、74LS74 、74HCT573 、CD4020、LM339 、TLP521、OP07、LM324、七段LED数码管、发光二极管、开关二极管、三极管等。（2）典型数字电路形式：十进计数器、译器显示及驱动电路 、逻辑控制电路、比较器、分频器、光电隔离器、时基信号发生器、单稳态信号发生器。（3）典型模拟电路形式：放大器 、跟随器、二阶有源带通滤波器。集成运放电路均采用5V供电。2 电子线路课程设计内容2.1 简易数字式频率计电路设计简易数字式频率计电原理图如图6。图6 简易频率计电原理图2.1.2 电路工作原理如图6，本设计主要包括电压放大电路、有源带通滤波电路、整形电路、计数、译码驱动电路和逻辑控制电路等。（1）被测正弦波信号通过放大器放大，有源带通滤波器滤波，电压比较器整形后，如果被测信号频率落在滤波器通带内，频率计进行测频，否则频率计不测频。（2）由LM555产生周期约2s的时基信号，是频率计的主要工作时序，在该信号的一个周期的时间内，频率计可以完成清零，计数、显示和计数结果保持，在下一周期时重复上述过程。简易频率计工作波形示意图如图7.图7 简易频率计工作波形示意图（3）用LM555时基信号发生器产生的周期信号的上升沿，触发由74LS123电路构成的单稳态发生器1，产生对计数器清零的脉冲信号，使计数器在工作前归零，该脉冲信号的宽度一般约1ms左右，由该单稳态电路的RC参数值决定。（4）计数器清零后，需要一个定时脉冲信号控制计数器的计数，可用清零脉冲信号的下降沿，触发另一个单稳电路2，从而产生一个标准的1s定时计数脉冲。在该定时计数脉冲的持续时间内，计数器可以计数，频率计完成对输入被测信号的测频。定时计数脉冲的宽度为1s左右，由单稳态电路2的RC参数值决定。（5）二级十进计数器电路由两个74LS160组成，译码驱动与显示电路由74LS47和七段共阳数码管组成。3 单元电路设计、元件和参数选择3.1 单元电路设计 3.1.1放大器、有源带通滤波器和电压比较器设计（1）放大器设计该放大器可以把技术指标规定的输入信号放大到足够的电平，以驱动后面的电压比较器，放大器可采用OP07集成运放，如图8所示。图8 由OP07构成的放大器电路（2）带通滤波器设计带通滤波电路的设计中心频率为1KHz左右，通带宽度BW=100Hz左右。巴特沃斯滤波器： 特点是带内带外最佳平稳，但低阶的过度带比较宽。切比雪夫滤波器： 特点是过度带可以很窄，但带内带外幅频震荡比较严重。典型的有源带通滤波器电路如图9。带通滤波器中心频率和带宽的调整：带通滤波器的中心频率和带宽主要是由滤波器中RC元件参数确定，通常可先选定电容器C值，再调节电阻阻值，一般可采用电位器调节。带通滤波器采用集成运放OP07。图9 典型的有源带通滤波器电路（3）比较器设计比较器电路如图10，电压比较器的主要作用是把输入模拟信号转换成数字信号，使计数器可以对输入信号正确计数，电压比较器参考端的基准电压调整为1.0V左右，当输入端电压大于参考端电压时，该比较器电路实现翻转，完成对输入信号的整形。电压比较器可采用LM339，该芯片中含四个独立的比较器电路，由于其输出端为集电极开路，必须外接4K7上拉电阻才可正常工作。图10 电压比较器电路模电部分3.1.2 时基电路设计 时基信号电路主要采用NE555集成电路，时基信号周期不小于3秒左右，555时基信号电路及工作波形图如图11。图11 555时基信号产生电路及工作波形图3.1.3 计数器及译码驱动电路设计计数器、译码驱动和显示电路可分别采用74LS160、74LS47 和 LED七段共阳数码管。 74LS47译码驱动的输出是低电平有效，由74LS160组成的十进计数器电路如图12。图12 由74LS160组成的十进计数器电路3.1.4 计数器清零和计数定时信号发生器设计计数器清零和定时计数信号电路均采用74LS123单稳态电路构成，74LS123内部含两个独立的单稳态电路，图13为由74LS123单稳态电路构成的定时计数和计数器清零电路，在该电路中，通常是固定Ct，调整电路中的Rt值，可以得到不同脉宽的输出信号。图13 由74LS123单稳态电路构成的定时计数和计数器清零电路数电部分3.1.5电路设计参考布局图电路设计完毕，在面包板上搭接电路之前，首先要考虑本设计信号的基本走向和各元器件在面包板上的相应位置，合理的元器件布局可以方便联线和电路调试，面包板上频率计电路的元器件布局设计参考如图16。图16 电路设计参考布局图4 仿真结果数电部分模电部分5 功能与测试结果一个星期的电路实践，我们进行了电路的设计，软件的仿真，最后在面包板上撘接线路并检验结果。我设定的调试与测试放大器部分把初始波形放大6倍左右，由于高低通电路对信号有削弱作用，因此滤波器出来的正弦波缩小了3倍左右，经过比较器，通过设定合理的基准电压后，最后形成了方波。刚开始有些失真，经过调试就没问题了。经过555的周期为2秒，清零为2毫秒，定时为1秒，保持的时间差不多在一秒左右。整个电路实现了频率计的功能。6 安装与调试中发现的问题、故障排除方法及改进措施 为简化和方便整体电路的调试工作，可根据每一个单元电路的技术要求进行相对独立的调试，每部分电路工作正常后，再进行其它电路的调试工作。6.1 调试前注意事项在电路调试之前要注意以下事项：（1）检查芯片位置方向，检查芯片电源和地连线正确。（2）检查各芯片和器件的连接线是否正确。（3）检查LED数码管各个管脚连线是否正确。（4）放大器和滤波器电路采用5V供电，数字电路电压为+5V。6.2 出现的问题 在安装和调试过程中遇到了一些问题：第一：刚开始整个布局是根据老师的课件设计的，但是在搭线的过程中还是出现飞线情况。第二：在用电压时，要先调好再接入，否则电压过大会烧坏器件。第三：在测试时示波器上的方波出现了相移，最后将一个15K拿掉之后，相移消失了。调试过程也出现了失真，最后经过修改电阻大小得以解决。第四：在测试74LS123上的清零和定时时间时，定时时间太短，不足一秒，于是将电容换成了大电容，电阻也换了个大电阻解决了问题。第五：在老师的提醒下，两个数码管接了外接电阻。第六：在调试过程中，常不出现波形，主要是元器件的引脚要根据实际情况连接，注意接地和接高电压。结 论这次实践，我们设计并制作一个具有选频特性的简易两位数字式频率计电路。首先在Multisim软件中，利用一系列芯片仿真模拟，验证了频率计的工作特点。后半段时间，在安装和调试的过程中我通过实际的操作更加理解了数电模电，两者结合，也锻炼了我们的动手能力。因此让我更加坚信理论学习永远离不开实际的操作。本次电路设计不但让我知道了如何搭频率计，用面包板，也让我知道了它的工作原理以及里面各个芯片的工作特性，电子线路设计给我们上了生动的一课。 参 考 文 献1 谢自美. 电子线路综合设计. 武汉: 华中科技大学出版社. 20062 郭勇. 余小平. 电子系统综合设计. 北京: 北京大学出版社. 20073 蒋立平. 数字逻辑电路与系统设计. 北京: 北京电子工业出版社. 20084 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. (2版). 北京: 电子工业出版社. 20055 谢自美. 电子线路设计.实验测试（第二版）武汉：华中科技大学出版社. 20006 胡宴如. 耿苏燕. 模拟电子技术基础北京：高等教育出版社. 2003附录元器件引脚图，真值表OP07OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+LM339是四电压比较器集成电路。该电路的特点如下：工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 236V，双电源：118V；消耗电流小， Icc=1.3mA；输入失调电压小， VIO=2mV；共模输入电压范围宽， Vic=0Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；采用双列直插14 脚塑料封装（DIP14）和微形的双列14 脚塑料封装（SOP14）LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。NE555NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。 NE555引脚位功能配置说明下： 图1-2 NE555各脚功能-管脚图Pin 1 (接地) -地线(或共同接