简易数字频率计---201508资料.ppt

电子电路课程设计简易数字频率计 座位表 130009班 130008班 一 课程概况简介二 课题技术指标三 设计提示四 预习要求 主要授课内容 一 课程概况简介 课程名称电子电路课程设计48学时 两周课程性质必修 2学分 教材 电子系统设计与实践教程 薛梅等编教学目的 提高模拟电路 数字电路理论和实验的综合能力掌握综合型电子电路的设计 装配和调测方法掌握电子元器件资料和电路资料的检索方法提高设计报告的撰写能力全面培养学生科技工作素质 教学进程 设计要求和提示 在实验室教师授课 半天 查阅资料 设计电路 同学独立完成 1天半 讲述装配方法和调测要求 2学时 调测 第一周星期三至第二周星期三 验收 第一周星期三至第二周星期四 撰写报告 第二周星期五 讲评 收尾 教学方法 1 教法在实验室集中 分3次讲解 电路设计提示装配要求 调测方法实验报告撰写要求辅导实验 最后逐一验收2 学习方法认真自学 电子电路课程设计 相关章节独立完成设计独立装配 调测 撰写设计报告 3 课程纪律 缺少实验达三分之一以上无成绩 必须重修 设计报告必须手写 不得用打印机打印 预习报告和设计报告抄袭他人者 报告成绩按0分论处 迟到 早退3次成绩降档 4 成绩评定评分项目 预习报告 装配水平 调测水平 完成指标 报告 成绩分档 优秀 良好 中等 及格 不及格不及格必须重修 没有补考 二 课题技术指标 2 1设计课题名称简易数字频率计2 2技术指标 P110课题 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 其扩展功能是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要求如图6 1所示 图6 1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 用于选择测试项目 频率 周期或脉宽 若测量频率则进一步选择档位 2 3电气指标 1 被测信号波形 正弦波 三角波和矩形波 2 测量频率范围分三档 1Hz 999Hz0 01KHz 9 99KHz0 1KHz 99 9KHz 3 测量周期范围 1ms 1s 4 测量脉宽范围 1ms 1s 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 2 4扩展指标 要求测量频率时 1Hz 99 9KHz的精度为 1 2 5设计条件 电源条件 5V 逻辑电平符合TTL电平的要求 6 输入阻抗 大于100K 2 6可供选择的元器件范围如表所示 阻容件 发光二极管和转换开关等元件自定 整体方框图及原理 三 整体方案设计提示 根据算法并考虑到被测信号的幅度变化及人机界面的一些操作需要设计简易频率计的整体方案 1 被测信号频率范围选择 由于被测信号范围为1Hz 10KHz 如果只采用一种闸门脉冲信号 则只能是1S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档 图中K1 采用1S闸门脉宽 10HZ 1KHz档 图中K2 采用0 1S闸门脉宽 10KHZ档 图中K3 采用0 01S闸门脉宽 设置了这三档后 可使后面的计数器位数适中 测量时间只是在K1时较长 2 显示刷新 频率计工作时是每隔一段时间测量一次 测量后将上一次显示的测量结果消除掉 更新显示新的测量结果 刷新时间与闸门脉冲宽度有关 一般为1S 2S刷新1次 但是 如果闸门脉冲宽度为10S 则刷新时间必须大于10S 3 ZMJS 闸门计数 信号 ZMJS是表示闸门结束的信号 闸门脉冲结束后 这个信号通知 显示刷新 电路对 显示译码 进行刷新 4 KDKZ 宽度控制 信号 KDKZ是表示 闸门宽度控制 的输出信号 它用于控制 闸门信号 产生电路输出的闸门脉冲宽度 3 1测试频率设计提示 3 1 1算法设计提示算法一 已知频率的定义是 周期信号每秒钟内所含的周期数值 可根据这一定义采用下图所示的算法构建的方框图 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 该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的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 为保证测量误差在10 3量级 则要求闸门信号的精度为10 4量级 例如 当被测信号为1KHz时 在大于0 1ms 故由此造成的计数误差不会超过1 符合5 10 3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 10 3范围 但是 这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点 例如 当被测脉冲为0 5Hz时其周期为2s 这时闸门脉冲仍为1s 显然是不可行的 故应加宽闸门脉冲宽度 假如闸门脉冲宽度加至10s 则闸门导通期间可计数5次 由于计数值5是10s的计数结果 故在显示之间必须将计数值除以10 加宽脉冲宽度将带来三方面的问题 一是 计数结果要进行除以10的运算 二是 每次测量时间最少要10s 时间过长不符合人们的测量习惯 三是 由于闸门期间计数值过少 测量精度下降 实践中将计数结果除以10是容易做到的 只需将显示电路的小数点向前移一位即可 而后两个问题依照算法一是难以解决的 算法二 为了克服算法一测量低频信号时的不足 现提出算法二 其示意图如下图所示图 将被测信号送入被测信号闸门产生电路 该电路输出一个脉冲信号 脉宽与被测信号的周期相等 再用闸门产生电路输出的闸门信号控制电路的导通与开断 设置一个频率精度较高的周期信号 例如10KHz 称为时基信号 当闸门导通时 时基信号通过闸门到达计数电路计数 由于闸门导通时间与被测信号周期相同 则可根据计数器计数值和时基信号的周期算出被测信号周期值T T 时基信号周期 计数器计数值再根据频率域周期互为倒数的关系 算出被测信号的频率f 算法二较好地解决了被测信号较低时测量时间长和测量精度不高的问题 但它也存在两方面的问题 一是 要增加由周期求频率的电路 二是 被测信号频率较高时要求时基信号的频率也相应提高 例如 被测信号为1MHz 为保证测量精度 时间信号应为1000MHz 解决算法二的第二个问题要花较大代价 这是因为当时基信号频率较高时 如1000MHz 器件的成本将急剧上升 同时 在高频工作时 电子系统的电磁兼容性设计难度加大 工艺要求提高 这些都将使系统的总成本上升 算法三 算法一的优点是被测信号的频率高时测量精度高 频率低时测量精度低且测量用时长 算法二的优点是低频测量精度高 而高精度测量时或是精度低 或是精度合格而成本高 工艺难 在面对算法一和算法二的问题时有两种选择 一是 与用户 技术指标的执行者 协商 降低低频测量要求 允许测量时间加长和测量精度降低 二是 寻求新的算法 经过分析 在算法一和算法二的基础上拟定算法三 算法三的思路是以被测量周期信号1KHz为界 1KHz以上用算法一中的计数方法测量频率 而1KHz以下先采用测量周期的方法 再算出频率 以上给出了三种测量频率的算法 本课题基本指标中建议采用算法一 完成扩展指标时采用两种算法 原理框图如图所示 测频原理框图由整形电路 时基电路 闸门电路 计数电路 锁存电路 译码电路和控制电路组成 图中K1 K2 K3分别对应3个不同的频率测量档位 被测信号fx经整形电路转变为脉冲信号 矩形波或方波 送入闸门电路 等待时基信号的到来 时基信号可由74132的两个与非施密特触发器构成 由芯片74132来自激产生10KHz的标准的时基信号 作为闸门开通的基准时间 被测信号fx通过闸门 作为计数器的时钟信号 计数器即开始记录时钟个数 这样就达到了测量频率的目的 测量频率电路设计 测量频率电路由4017和7400构成 4017的CP接时基信号fs 与非门的一端接被测信号fx 分频电路设计 本实验被测信号范围为1Hz 99 9KHz 若只采用一种闸门脉冲信号 则只能是1S脉冲宽度的闸门信号 若测量高频信号时 计数电路的位数要很多 而且测量时间过长会带来不便 所以将频率范围分几档 1Hz 999Hz 0 01KHz 9 99KHz 0 1KHz 99 9KHz 时基信号频率分别为1Hz 10Hz 100Hz 由于f0为10KHz 所以要不断进行分频得到这三个频率信号 在实验器材中 4518为十进制同步计数器 根据需要可以随意组合 见下图 分频电路由4518双BCD同步加计数器构成 如图所示 若4518 I 的1端接入10KHz的频率 则6端输出1KHz的频率 14端输出100Hz的频率 4518 II 的1端接入100Hz的频率 则6端输出10Hz的频率 14端输出1Hz的频率 以上f 10KHz的方波信号经四级10分频电路后 可提取因测量档位变化所需的闸门时间1s 0 1s 0 01s 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 3 1 2测量周期电路设计提示 测量周期 即时间 的原理在前面算法二中已给出 如图所示 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 方波信号占空比为50 其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 在闸门导通的时间内 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为时基信号周期计数电路 锁存电路 译码显示和控制电路与测频方法相似 测量周期电路设计 测量周期与测量频率相反 电路由4017和7400构成 4017的CP接被测信号fx 与非门的一端接时基信号fs 3 1 3测量脉冲宽度的原理 测量脉冲的原理与测量周期的原理相似 所不同的是 它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间 在闸门导通的时间内 测量时基信号的重复周期 并由式tw NTs得出脉冲宽度值 测量脉宽电路设计 测量脉宽电路由4017和7400构成 4017的CP接时基信号fs 与非门的一端接被测信号fx 如图所示 当开关K7断开 K8闭合 可以用于测量频率和周期 而当开关K7闭合 K8断开 就可用于测量脉宽 振荡电路由施密特触发器 RC阻容元件构成 该振荡电路产生振荡信号f0 f0 1 2RC 所以根据R C的设定可以确定f0的大小 根据实验要求可以选用f0为10KHz 这样满足多功能的应用 通过公式f0 1 2RC计算 得到R 5000 取R 5K C 0 01uf 或R 10K C 0 01uf 为使频率计测量准确 电阻R的准确性需保证 把它换成可变电阻不断调节直到得到准确的f0 振荡电路如下图所示 3 1 4时基信号设计提示 时基信号由74132芯片 RC阻容件构成频率f 10KHz的方波信号 也可以用4093芯片 RC阻容件构成频率为f 10KHz的方波信号 振荡电路如下图所示 74132 振荡电路如下图所示 4093 3 1 5控制电路的设计提示 控制电路由4017 7400两块芯片构成 它们的作用可由下图说明 时基信号fs作为4017的CP 产生单稳态信号Y0 Y0送入4029的PE端作为清零信号 接着输出Y1 Y1作为闸门信号 与fx经过与非门接到4029的CP并开始计数 由于计数器是不断在计数 不能将结果固定以便观察 所以加入锁存电路 将4017的Y2输出端接非门后送入译码器的使能端LE 锁存端 将数据锁存 当新数据来时刷新显示 其功能可以用波形表达芯片的工作状态 见下图 选择电路设计提示 由于测量频率由3个不同档位 3个档位所使用的闸门脉宽是不一样的 在扩展指标中要求测量周期 脉宽也需要进行档位的选择 所以根据开关的开通与关闭来控制是测频 测周期还是脉宽 同样也根据开关选择测量频率的范围 K1 K2 K3对应着74151的地址端A2 A1 A0 通过开关高低电平的选择D0 D7中的不同状态 这样同时选定标准时基信号 测周还是测频 上图左边的74151进行时基信号的选择 右边的进行计数信号的选择 控制电路的整体设计提示 综合以上测频率 测周期和测脉宽的电路设计 控制器可以综合为下图 拨盘开关 拨盘开关在本次设计电路中具有以下特点 用K0 K1 K2开关通过电路来替代K7 K8开关的功能 锁存电路设计提示 锁存电路是在测量频率 脉宽 周期 的电路中 在4017的Y2输出端加一个非门 非门的输出接到4511的LE端 锁存电路能存入计数值后再发出另一个信号 将计数器清零 以便再次计数 如果电路不锁存 数码管显示的数字会改变 不会停留在一个数字上 3 1 6小数点的设计提示 根据测量档位的变化相应设置小数点的位置 小数点由数码管DP端控制 电路采用74153 双4选一数据选器 来实现 如下图所示 3 1 7计数电路的设计提示 计数电路采用3片4029 计数器 输入端A B C D CI B D都应接地 U D接Vcc 4029 I 片的CK信号来自74151 III 的Y端 CO端经反相器接4029 II 片的CK CO端经反相器接4029 II 片的CK 4029 III 片的CO端接一个发光二极管 当被测值不在测量范围内 发光二极管表示数据溢出 3 1 8译码显示电路的设计提示 译码电路采用三片4511 BCD 七段译码器 使能端BI LT都应接高电平 显示电路由三个数码管构成 数码管的3 8管脚内部都是相连的 不能同时接地 否则数码管就被短路了 3或8端应接一个100 500 的电阻 不然显示的数字会太亮 会烧坏数码管 小数点上也应接上电阻 否则小数点太亮 不会显示数字 3 1 7安装方法 面包板使用 课程设计采用4 5块面包板合理布局 布线 面包板结构图 断点 断点 断点 断点 导通 2009 7 1卢庆莉编写 安装方法 面包板使用 布局1 集成电路缺口方向一致2 元件疏密合理3 元件位置合理显示 上端 按键 下端 4 电路结构合理模拟 数字分开 大小信号分开 信号源独立 5 便于走线 布线1 颜色电源 红地线 黑排线 不同颜色 2 走向 横平竖直 不同于PCB设计 3 不架 天桥 不走 地沟 便于查找故障 更换导线 4 线尽可能短5 符合走线规则 参考有关PCB设计的书 3 1 8安装 调测 按单元 模块安装 调测 边安装边调测其它同实验 略 四 预习要求 4 1认真阅读教材认真阅读 电子系统设计与实践教程 第一 二 三章 4 2查阅资料查