數(shù)字頻率計課程設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進(jìn)行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測信號在特定時間段T內(nèi)的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率f=N/T。 </p><p>　　頻率計主要由四個部分構(gòu)成

2、：時基（T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進(jìn)入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設(shè)置。</p><

3、;p>　　在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進(jìn)行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率計能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。</p><p>　　在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用

4、戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。</p><p>　　在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設(shè)備的本地振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn)。</p><p>　　在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調(diào)制信號進(jìn)行分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：周期；頻率；數(shù)碼管；鎖存器；計數(shù)器；定時

5、器</p><p>　　目 錄</p><p>　　1.課程設(shè)計目的1</p><p>　　2.課程設(shè)計頻率技術(shù)要求1</p><p>　　3．課程設(shè)計報告內(nèi)容2</p><p>　　3.1 設(shè)計方案的選定與說明2</p><p>　　3.1.1方案設(shè)計與論證2</

6、p><p>　　3.2論述方案的各部分工作原理4</p><p>　　3.2.1時基電路4</p><p>　　3.2.3邏輯控制電路6</p><p>　　3.2.4計數(shù)器6</p><p>　　3.2.5鎖存器8</p><p>　　3.3設(shè)計方案的圖表9</p>&l

7、t;p>　　3.3.1設(shè)計原理圖9</p><p>　　3.3.2元件清單11</p><p>　　3.4編寫設(shè)計說明書12</p><p>　　3.4.1 設(shè)計說明12</p><p>　　3.4.2 性能技術(shù)指標(biāo)與分析13</p><p><b>　　4、總結(jié)15</b>&l

8、t;/p><p>　　5、參考書目：16</p><p><b>　　1.課程設(shè)計目的</b></p><p>　　(1)會運用電子技術(shù)課程所學(xué)到的理論知識，獨立完成設(shè)計課題。</p><p>　　(2)學(xué)會將單元電路組成系統(tǒng)電路的方法。</p><p>　　(3)熟悉中規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體顯示器件

9、的使用方法。</p><p>　　(4)通過查閱手冊和文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力。培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)發(fā)展。</p><p>　　2.課程設(shè)計頻率技術(shù)要求</p><p><b>　　頻率計技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　頻率測量范圍：0～20kHz</p><p&

10、gt;　　輸入電壓幅度：300mV～3V</p><p>　　輸入信號波形：任意周期信號</p><p>　　顯示位數(shù)： 5位</p><p>　　電源： 220V 50Hz</p><p>　　3．課程設(shè)計報告內(nèi)容</p><p>　　3.1 設(shè)計方案的選定與說明</p><p

11、>　　數(shù)字頻率計是一種用數(shù)字顯示的頻率測量儀表，它不僅可以測量正弦信號、方波信號和尖脈沖信號的頻率，而且還能對其他多種物理量的變化頻率進(jìn)行測量，諸如機械振動次數(shù)，物體轉(zhuǎn)動速度，明暗變化的閃光次數(shù)，單位時間里經(jīng)過傳送帶的產(chǎn)品數(shù)量等等，這些物理量的變化情況可以有關(guān)傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的信號，然后用數(shù)字頻率計測量單位時間內(nèi)變化次數(shù)，再用數(shù)碼顯示出來。</p><p>　　3.1.1方案設(shè)計與論證</p&g

12、t;<p>　　交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電振動的次數(shù)或脈沖個數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為：</p><p><b>　　f=</b></p><p>　　式中f——頻率。N——電振動次數(shù)或脈沖數(shù)。t——產(chǎn)生N次電振動或脈沖所需要的時間。</p><p>　　首先必須把各種被測信號通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字

13、信號，以便于計數(shù)器計數(shù)。實現(xiàn)頻率測量的另一必備環(huán)節(jié)是時基電路。所謂時基電路，就是產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)信號的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz或5MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時間信號發(fā)生器。一般計數(shù)器則采用十位計數(shù)器，N進(jìn)制的計數(shù)器也就是N分頻器，其N進(jìn)位信號也可作為N分頻信號。</p><p>　　如圖3.1.a所示為數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理總框圖，被測量信號經(jīng)過放大與整形電路傳入十進(jìn)制計數(shù)器，變成其所要求的信號，此

14、時數(shù)字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號，此時利用所獲得的基準(zhǔn)信號來觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門信號，當(dāng)1s信號傳入時，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)1s信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。根據(jù)公式得被測信號的頻率f=NHz。</p><p>　　圖3.1.a 數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　邏輯控制電路的一個重要的作用是在每

15、次采樣后還要封鎖主控門和時基信號輸入，使計數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時間，以便觀測和讀取數(shù)據(jù)。簡而言之，控制電路的任務(wù)就是打開主控門計數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然后清零，這個過程不斷重復(fù)進(jìn)行?？刂齐娐啡鐖D3.1.b所示：</p><p>　　圖3.1.b 邏輯控制電路</p><p>　　3.2論述方案的各部分工作原理</p><p><b>　　3.2.1時基電路

16、</b></p><p>　　為了獲得較為穩(wěn)定的時間基準(zhǔn)信號，以便準(zhǔn)確的控制主控門的開啟時間，其電路見圖3.2.1所示：</p><p>　　圖3.2.1 時基電路</p><p>　　本設(shè)計采取用555定時器組成的多諧振蕩器如圖3.2.1所示。接通電源后，電容被充電，當(dāng)上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降到時

17、，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為</p><p>　　當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時間為</p><p>　　當(dāng)上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為</p><p>　　3.2.2放大整形電路</p><p>　　為保證測量精度，在整形電路的

18、輸入端加一前置放大器。對幅值較低的被測信號經(jīng)放大后再送入整形器整形。如圖3.2.2為放大整形電路原理圖。</p><p>　　此電路采用晶體管3DG100與74LS00等組成，其中3DG100為放大器，可對周期信號進(jìn)行放大再傳入整形器中對信號進(jìn)行整形。</p><p>　　圖3.2.2 放大整形電路</p><p>　　3.2.3邏輯控制電路</p>

19、<p>　　邏輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關(guān)閉，同時也控制整機邏輯關(guān)系。</p><p>　　本設(shè)計采用74LS123組成邏輯控制電路，先啟動脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，然后時基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測信號通過閘門進(jìn)入計數(shù)電路，于是計數(shù)器譯碼器同時工作，從而記下所測信號頻率值。</p><p>　　當(dāng)控制電路轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作，數(shù)碼

20、管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到有一次循環(huán)，計數(shù)器清零，數(shù)碼管顯示消失，到此為止，頻率計完成一次測量。</p><p>　　脈沖信號可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。由74LS123的功能得出，當(dāng)1、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖3.1.b所示的波形Ⅳ和Ⅴ的要求，手動復(fù)位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清零。邏輯控制電路如圖3.

21、2.3所示：</p><p>　　3.2.3 邏輯控制電路圖 </p><p><b>　　3.2.4計數(shù)器</b></p><p>　　為了提高計數(shù)速度，可采用同步計數(shù)器。其特點是計數(shù)脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當(dāng)前計數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計數(shù)脈沖沿到來時，所有應(yīng)

22、翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時翻轉(zhuǎn)，同時也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。</p><p>　　由于頻率計的測量范圍0～20kHz，因此采用十進(jìn)制計數(shù)器74LS90，它不僅可用于對脈沖進(jìn)行計數(shù)，還可用于分頻；此電路則需分頻，N位進(jìn)制計數(shù)器就是N分頻器。</p><p>　　被測信號由閘門開通送入計數(shù)器，記錄所測信號頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作；電路則繼

23、續(xù)工作進(jìn)行下次循環(huán)，計數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計完成一次測量。數(shù)字頻率計測周期基本原理如圖3.2.4所示</p><p>　　圖3.2.4 數(shù)字頻率計測周期基本原理圖</p><p>　　當(dāng)被測信號的頻率較低時，采用直接測頻方法由量程誤差一起的測量誤差太大，為了提高測低頻時的準(zhǔn)確度，應(yīng)先測周期，然后計算。</p><p>　　被測信號經(jīng)過放大整形電路變成方波，

24、加到門控電路產(chǎn)生閘門信號，如，則閘門打開的時間也為10ms，在此期間內(nèi)，周期為的標(biāo)準(zhǔn)脈沖通過閘門進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)。若。則計數(shù)器記得的脈沖數(shù)=10000個。若以毫秒為單位，則顯示器上的讀數(shù)為10.000。</p><p>　　以上分析可見，頻率計測周期的基本原理正好與測頻相反，即被測信號用來控制閘門電路的開通與關(guān)閉，標(biāo)準(zhǔn)時基信號作為計數(shù)脈沖。</p><p><b>　　3.2.5鎖

25、存器</b></p><p>　　鎖存器是構(gòu)成各種時序電路的存儲單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。</p><p>　　在確定的時間內(nèi)計數(shù)器的技術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測量的數(shù)據(jù)寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采

26、用一般的8位并行輸入寄存器。</p><p>　　此電路采用74LS273鎖存器，其作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時鎖記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。當(dāng)1s計數(shù)結(jié)束時，通過邏輯電路產(chǎn)生信號送入鎖存器，將此時計數(shù)的值送入譯碼顯示器。</p><p>　　選用兩個8位鎖存器74LS273可以完成上計數(shù)功能。當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計

27、數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)的Q不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。</p><p>　　圖3.2.5 鎖存器芯片</p><p>　　3.3設(shè)計方案的圖表</p><p>　　3.3.1設(shè)計原理圖</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)框圖，方案論證，設(shè)計數(shù)字頻率計系統(tǒng)原

28、理圖如下圖3.3.1所示。</p><p>　　在多諧振蕩器中，電路從暫穩(wěn)態(tài)過渡帶另一個狀態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外部觸發(fā)脈沖。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時間是脈沖電路的主要參數(shù)，它與電路的阻容原件取值有關(guān)。電路中RC電路充、放電過程對相應(yīng)門輸入電平的影響是分析電路的關(guān)鍵。</p><p>　　圖中根據(jù)課題要求，電路采用555定時器組成的多諧振蕩器，為獲得較為穩(wěn)定的時

29、間基準(zhǔn)信號，用來準(zhǔn)確的控制主控門的開啟時間。被測信號首先通過放大整形電路進(jìn)行整形，使其得到所需的整形信號，晶體振蕩器的輸出信號經(jīng)整形和分頻器逐級分頻后，可獲得各種事件基準(zhǔn)。</p><p>　　計數(shù)器是最常用的時序電路之一，計數(shù)器的種類不勝枚舉，按觸發(fā)器動作分類，可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器；按計數(shù)數(shù)值增減分類，可分為加計數(shù)器、減計數(shù)器和可逆計數(shù)器；按編碼分類，又可分為二進(jìn)制碼計數(shù)器、BCD碼技術(shù)區(qū)、循環(huán)碼計數(shù)器

30、。此設(shè)計采用十進(jìn)制計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。</p><p>　　通過時基選擇開關(guān)，將所選用的時基信號作為控制電路的觸發(fā)信號（用8位寄存器，實際上就是觸發(fā)器構(gòu)成的計數(shù)器，它可以循環(huán)位移一個1電平，也可以循環(huán)位移一個0電平）,再將信號傳入邏輯控制電路中，控制電路輸出接往主控門，該輸出端僅在所選時間基準(zhǔn)內(nèi)維持高電平，使主控門開啟，被測信號在采樣時間內(nèi)通過主控門，進(jìn)入十進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器數(shù)值由數(shù)字顯示器在數(shù)字頻率計面板上顯示

31、出來。此即為所測信號之頻率值。</p><p>　　譯碼器是組合邏輯電路的一個重要的器件，其可以分為：變量譯碼和顯示譯碼兩類。它們的工作原理和分析設(shè)計方法大同小異，其中二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器是三種最典型，使用十分廣泛的譯碼電路。</p><p>　　顯示譯碼器，一般是將一種編碼譯成十進(jìn)制碼或特定的編碼，并通過顯示器件將譯碼器的狀態(tài)顯示出來。本設(shè)計譯碼顯示器則采用十進(jìn)制7

32、4LS48來實現(xiàn)，其作用是把BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。</p><p>　　圖3.3.1 數(shù)字頻率計原理圖</p><p><b>　　3.3.2元件清單</b></p><p>　　見下表3.3.1為元件清單列表</p><p>　　表3.3.2元件清單</p>

33、;<p>　　3.4編寫設(shè)計說明書</p><p>　　3.4.1 設(shè)計說明</p><p>　　（1）接通電源后，用雙蹤示波器（輸入耦合方式置DC檔）觀察時基電路的輸出波形，其中t1=1s,t2=0.25s，否則重新調(diào)節(jié)時基電路中的R1 和R2，使其滿足要求，然后，改變示波器的掃描速率旋鈕，觀察74LS123的腳和腳的波形。74LS123真值表如下表3.4.1所示</

34、p><p>　　表3.4.1 74LS123真值表</p><p>　?。?）將5片計數(shù)器74LS90的2引腳全部接低電平，鎖存器74LS123的引腳都接時鐘脈沖，有各位計數(shù)器的引腳加入計數(shù)脈沖，檢查5位鎖存，譯碼，顯示器的工作是否正常。</p><p>　?。?）有放大電路輸入端加入，的正弦信號，用示波器觀察放大電路和整形電路的輸出波形，應(yīng)為與被測信號同頻率的脈沖波，

35、顯示器上的讀書應(yīng)為1000。</p><p>　　3.4.2 性能技術(shù)指標(biāo)與分析</p><p><b>　?。?）頻率準(zhǔn)確度</b></p><p>　　一般用相對誤差來表示，即</p><p>　　式中為量化誤差（即±1個字誤差），是數(shù)字儀器所特有的誤差，當(dāng)閘門時間T選定后，越低，量化誤差越大；為閘門時間相

36、對誤差，主要由時基電路標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度決定，。</p><p>　　（2）頻率測量范圍及各電路的測試</p><p>　　在輸入電壓符合規(guī)定要求值時，能正常進(jìn)行測量的頻率區(qū)間稱為頻率測量范圍。頻率測量范圍主要由放大整形電路的頻率響應(yīng)決定。</p><p><b>　?、贂r基電路測試：</b></p><p>　　在通直流

37、時，用示波器測555電路引腳和輸出波形圖，引腳的波形應(yīng)如圖3.1.b所示波形II，調(diào)節(jié)電位器RP，使t1=1s,t2=0.25s，引腳的輸出波形應(yīng)為電容不斷充放電的過程。</p><p>　　②邏輯控制電路的測試：</p><p>　　在通直流時，用示波器測左邊一片74LS123的引腳輸出波形，可以觀察到不斷有脈沖產(chǎn)生：另外合上控制開關(guān)S。可以觀察到數(shù)碼管為置零狀態(tài)。</p>

38、<p>　?、鄯糯笈c整形電路的測試：</p><p>　　有放大電路的輸入端加正弦小信號，用示波器觀察輸出端，可以觀察到信號幅度被放大，經(jīng)整形電路后，在輸出端可以觀察到矩形波信號。</p><p>　?、軠y試譯碼顯示部分：</p><p>　　頻率計的數(shù)字顯示位數(shù)決定了頻率計的分辨率。位數(shù)越多，分辨率越高。</p><p>　　在

39、74LS48輸入端加入不同的高低電平組合，觀察數(shù)碼管能否顯示相應(yīng)的數(shù)字，判斷譯碼，顯示部分是否能工作正常。</p><p><b>　　⑤頻率測試：</b></p><p>　　測量時間是頻率計完成一次測量所需要的時間，包括準(zhǔn)備、計數(shù)、鎖存和復(fù)位時間。</p><p>　　先在放大整形電路輸出端加一大信號矩形波脈沖，調(diào)節(jié)頻率，觀察數(shù)碼管能否顯示

40、相應(yīng)的數(shù)值，若與實際成一定比例關(guān)系則說明時基電路的t1，t2沒有調(diào)到相應(yīng)的大小，應(yīng)小幅度調(diào)節(jié)電位器RP使得顯示正確。</p><p>　　若上述測試正常，說明整形放大電路以上的部分能夠正常工作，最后再加一小信號在放大電路的輸入端，觀察數(shù)碼管能否顯示相應(yīng)結(jié)果，從而判斷整個數(shù)字頻率計電路的工作情況。</p><p>　　（3）對電路進(jìn)行分部分測試，可以準(zhǔn)確定位出現(xiàn)問題的具體位置，從而保證能夠很

41、快地解決。</p><p><b>　　4、總結(jié)：</b></p><p>　　經(jīng)過四周的學(xué)習(xí)與設(shè)計，我對于書籍頻率計的組成與功用有了了解與掌握，并且對于數(shù)字頻率計的各部分電路設(shè)計的方案驚醒了論證與設(shè)計。在設(shè)計頻率計的電路過程中對于邏輯控制電路有了更深一步的認(rèn)識，了解并掌握了芯片74ls123的功能與連接，并且對于幾碼顯示器和計數(shù)器以及鎖存器的工作有了基本了解和認(rèn)識。

42、</p><p>　　對于被測信號的處理也比從前的理論掌握的更加準(zhǔn)確；在這幾周的設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)了自己許多的不足，在設(shè)計中遇到了一些困難，設(shè)計的電路經(jīng)過測試并不能達(dá)到要求的功能，導(dǎo)致設(shè)計失敗，又重新查找資料進(jìn)行設(shè)計與修改，而最終終于在為期四周的努力下設(shè)計出了符合要求的頻率計數(shù)器。</p><p>　　通過設(shè)計也達(dá)到了設(shè)計的目的，了解掌握了數(shù)字電子技術(shù)的知識并應(yīng)用于實踐。培養(yǎng)了自己獨立完成課題

43、的能力與動手能力，并加強了對待事物嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。</p><p><b>　　5、參考書目：</b></p><p>　　1、陳曉文主編，《電子線路課程設(shè)計》北京：電子工業(yè)出版社.2004</p><p>　　2、彭容修，《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，華中理工大學(xué)出版社，武漢.2000</p><p>　　3、李哲英，《電子技術(shù)及