數(shù)字頻率計(jì)課設(shè)報(bào)告下載(基于數(shù)字電路)

• 技術(shù)發(fā)展
  

頻率計(jì)是實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)中常用的一種測(cè)量設(shè)備。由于數(shù)字電路的飛速發(fā)展和數(shù)字集成電路的普及，利用電子技術(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)量的自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)，故數(shù)字式測(cè)頻測(cè)量?jī)x器已發(fā)展成為近代頻率測(cè)量的重要手段。頻率量是幾乎不經(jīng)轉(zhuǎn)換就得到的數(shù)字量，在數(shù)字頻率計(jì)中，被測(cè)信號(hào)是以脈沖信號(hào)方法來傳遞、控制和計(jì)數(shù)的。其基本原理是以適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐�，使電子�?jì)數(shù)器在預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)待測(cè)的輸入信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，這樣就實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量

目前國(guó)外市場(chǎng)上的頻率計(jì)功能更多樣化，甚至可以測(cè)量電壓，相位，功率等參數(shù)。國(guó)內(nèi)雖然在采用大規(guī)模集成電路，改進(jìn)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化多功能方面取得很大進(jìn)展，但其技術(shù)性能與國(guó)外同類先進(jìn)產(chǎn)品相比還有一定差距。

1.2 課題研究?jī)?nèi)容

數(shù)字頻率計(jì)是一種專門對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè) 量?jī)x器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T 內(nèi)的周 期個(gè)數(shù)為N 時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。 頻率計(jì)主要由四個(gè)部分 構(gòu)成：時(shí)基（T）電路、輸入電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路。在 一個(gè)測(cè)量周期過程中，被測(cè)周期信號(hào)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(gè)輸入端。主門 的另外一個(gè)輸入端為時(shí)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(jì)數(shù)器 進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測(cè)信號(hào)的頻率值，內(nèi)部控 制電路則用來完成各種測(cè)量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)置。

本課程設(shè)計(jì)是基于TTL系列芯片的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路和模擬電路的知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，所有電路仿真均基于Mulstisim仿真軟件。

電路由放大整形電路、時(shí)基電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)鎖存電路及譯碼顯示電路組成。能夠較精準(zhǔn)的測(cè)量正弦波、三角波、方波的頻率。

所謂頻率，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間(1s)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N則其頻率可表示為f=N/T

第二章  系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1任務(wù)分析

1）測(cè)頻范圍：1Hz—10MHz，為保證測(cè)量精度，分為三個(gè)頻段：

    1Hz---999Hz

1kHz---999kHz

    1MHz---10MHz

當(dāng)信號(hào)頻率超過規(guī)定的頻率上限時(shí)，設(shè)有超量程指示。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，量程顯示用二極管指示（Hz，kHz，MHz）。

2）輸入波形：函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波，信號(hào)幅度（峰值）10mV—3V

3)測(cè)量誤差小于±1%;

4)結(jié)果用三位共陰數(shù)碼管顯示，最高位顯示為有效數(shù)值，小數(shù)點(diǎn)可自動(dòng)移動(dòng)顯示

2.2三種方案比較

方案一：采用的是中小規(guī)模數(shù)字集成電路

實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，雖然其功能擴(kuò)展不易實(shí)現(xiàn)，智能化程度也不高，也不太符合目前數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展要求，但是對(duì)目前的我們來說，電路構(gòu)成的基本原理相對(duì)容易理解，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，是全硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路穩(wěn)定、精度高，大大的縮短了生產(chǎn)周期。不需要編程，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單。其主要元器件基本是我們所學(xué)習(xí)過的，就算沒有學(xué)過，查閱資料理解起來也相對(duì)容易 。

方案二：采用單片機(jī)

采用單片機(jī)則可以很容易地解決方案中的問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。也就是采用先測(cè)信號(hào)的周期，然后再通過單片機(jī)求周期的倒數(shù)的方法，從而得到我們所需要的低頻信號(hào)的測(cè)量精度。由于用到單片機(jī)，控制電路計(jì)數(shù)等功能通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)，減少了相關(guān)硬件的使用，降低了成本。而且利用C語(yǔ)言程序有很強(qiáng)的可修改性另外由于使用了功能較強(qiáng)的 AT89C51 芯片，使本系統(tǒng)可以通過對(duì)軟件改進(jìn)而擴(kuò)展功能，提高測(cè)量精度。但是單片機(jī)也不再本人目前的學(xué)習(xí)范圍內(nèi)，所以不予考慮次方案。

方案三：采用可編程器件的技術(shù)

在設(shè)計(jì)方法、硬件電路的實(shí)現(xiàn)上都要比方案一和方案二簡(jiǎn)潔、新穎，而且采 用可編程邏輯器件（PLD）的 EDA 技術(shù)也是現(xiàn)代電子產(chǎn)品開發(fā)的方向，應(yīng)用這種技術(shù)來 實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)是可行的。但從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求上看，要能實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率是 1HZ～ 10MHZ 的范圍，以頻率 1HZ 為例，要達(dá)到誤差小于1％的目的，必須顯示3位的有效數(shù)字，而使用直接測(cè)頻的方法，要達(dá)到達(dá)個(gè)測(cè)量精度，需要主門連續(xù)開啟 100 秒。再就是EDA技術(shù)也不再本人目前的認(rèn)知范圍內(nèi)，所以不予考慮次方案。

2.3方案選擇

采用方案一

根據(jù)任務(wù)書要求，精度要求采用晶體電路，選用CD4518做計(jì)數(shù)器，充分利用CD4511的鎖存，譯碼驅(qū)動(dòng)功能，選擇單穩(wěn)態(tài)電路74LS123提供鎖存信號(hào)。

整體電路原理圖：

第三章  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1總體框圖

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3.2單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇

時(shí)基電路：

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附：74LS74的功能表

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閘門電路：

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將標(biāo)準(zhǔn)脈沖和被測(cè)脈沖經(jīng)74LS00構(gòu)成的與非門電路輸出。

附：74LS00引腳圖

74LS真值表

控制電路：

    該電路實(shí)現(xiàn)的邏輯功能是：當(dāng)時(shí)基信號(hào)下降沿到來時(shí)產(chǎn)生鎖存信號(hào)，鎖存信號(hào)的Q端繼續(xù)給下一個(gè)觸發(fā)器下降沿而產(chǎn)生清零信號(hào)給計(jì)數(shù)器CD4518，而鎖存信號(hào)Q非端給譯碼器CD4511的LE 端讓其在短時(shí)間內(nèi)（10pf*10k歐姆即為10^-7s）工作。此邏輯功能可通過一片74LS123來實(shí)現(xiàn)。它包含兩個(gè)可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，分別產(chǎn)生鎖存和清零信號(hào)。

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附：74LS123的引腳圖和功能表

    由功能表可知，當(dāng)B端接高電平時(shí)只有A端有下降沿信號(hào)后Q非端才會(huì)有短暫的低電平而Q端才會(huì)繼續(xù)給下一個(gè)1A端下降沿信號(hào)進(jìn)而有清零作用。

鎖存，譯碼與顯示電路：

    為了自動(dòng)的計(jì)數(shù)更新，需要對(duì)計(jì)數(shù)器周期性清零，計(jì)數(shù)的結(jié)果需要鎖存顯示。

計(jì)數(shù)器用CD4518，高電平清零。鎖存-譯碼-顯示驅(qū)動(dòng)選用CD4511，高電平鎖存。

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CD4518引腳圖和功能表及時(shí)序圖

由CD4518功能表可知當(dāng)時(shí)鐘端接地時(shí)計(jì)數(shù)器只有在使能端接下降沿時(shí)才開始計(jì)數(shù)，再由時(shí)序圖可知只有當(dāng)Q4為9時(shí)才會(huì)有下降沿進(jìn)而給下一個(gè)時(shí)鐘端下降沿信號(hào)從而產(chǎn)生進(jìn)位，以此來產(chǎn)生計(jì)數(shù)功能；有CD4511功能表可以當(dāng)LE接低電平時(shí)譯碼器會(huì)工作而當(dāng)LE為高電平時(shí)譯碼器則不會(huì)變化，因此LE端接上長(zhǎng)時(shí)間的高電平信號(hào)后需要接上一個(gè)短暫的低電平信號(hào)以此來讓數(shù)碼管上的數(shù)字顯示出被測(cè)頻率來，這也與之前的控制電路74LS123的Q非端輸出短暫的低電平相聯(lián)系。

第四章  系統(tǒng)調(diào)試

4.1測(cè)試儀表

萬(wàn)用表、頻率發(fā)生器、示波器

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經(jīng)頻率發(fā)生器測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)測(cè)量值與實(shí)際值之間有些許誤差，但是相對(duì)誤差沒有很大。

4.4   指標(biāo)測(cè)試分析與改進(jìn)方法

總結(jié)

    剛開始對(duì)于這個(gè)數(shù)字頻率計(jì)的概念是不了解的，以為就是單純地拿老師的原理圖我們來連線但經(jīng)過兩周的持續(xù)時(shí)間中我了解到這個(gè)課程設(shè)計(jì)最重要是理解這個(gè)課程的真正含義，要我們自己去思考去設(shè)計(jì)并不是像電工電子實(shí)習(xí)一樣，經(jīng)過兩周的學(xué)習(xí)，讓我對(duì)學(xué)習(xí)更有自覺性和主動(dòng)性課程設(shè)計(jì)時(shí)間雖然短，但從中我的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐能力有較大提升。

這個(gè)頻率計(jì)的課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)數(shù)字頻率計(jì)有了較深的理解通過在實(shí)驗(yàn)中前期的設(shè)計(jì)我對(duì)頻率計(jì)的五個(gè)基本電路有了較為全面的理解（時(shí)基電路、邏輯控制電路、譯碼顯示電路和閘門電路）以及后期頻率計(jì)的調(diào)試讓我明白電路板的連線要非常細(xì)致，要了解每一塊芯片的功能比如CD4511譯碼鎖存作用、BD4518計(jì)數(shù)功能74LS123邏輯控制CD4060分頻等。這樣才能在連線調(diào)試過程中較為準(zhǔn)確以及有效率的操作。在這次試驗(yàn)中我們小組也遇到了不少的困難，比如因?yàn)殚_始老師給出的電路原理圖里面是有幾處錯(cuò)誤的，而我們也是丈二摸不著頭腦，不知如何下手，之后在老師的指導(dǎo)下才明白了錯(cuò)誤所在以及這樣設(shè)計(jì)的用意，讓我們不得不佩服設(shè)計(jì)者的智慧。真正明白了原理圖之后的連線就比之前輕松很多了，我們明白了該如何去修正錯(cuò)誤，例如因?yàn)橹�前的連線錯(cuò)誤導(dǎo)致計(jì)數(shù)器在8的時(shí)候就開始進(jìn)位，這肯定是錯(cuò)誤的，因此需要用CD4518芯片功能表的第二種計(jì)數(shù)功能：Q4接下一個(gè)使能端，時(shí)鐘端接低電平，這樣就可以實(shí)現(xiàn)凡是得10進(jìn)位了。

在這一周的設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)了自己許多的不足，在設(shè)計(jì)中遇到了一些困難，設(shè)計(jì)的電路經(jīng)過測(cè)試并不能達(dá)到要求的功能，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗，又重新查找資料進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改，發(fā)現(xiàn)自己最大的問題在對(duì)芯片的工作原理掌握不夠，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)時(shí)走了很多彎路。另外就是不太熟悉仿真軟件，不認(rèn)識(shí)器件的英文，導(dǎo)致在找函數(shù)發(fā)生器，示波器等器件時(shí)耗費(fèi)了一些時(shí)間。

設(shè)計(jì)結(jié)束后，我還特地去查閱了基于頻率計(jì)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)的應(yīng)用。在電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的微波爐和電視、先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過程中無(wú)一不用到數(shù)字技術(shù)。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。

課程設(shè)計(jì)中有汗水也有淚從中學(xué)到的不僅僅是如何設(shè)計(jì)頻率計(jì)，學(xué)到的是設(shè)計(jì)，調(diào)試，學(xué)到了自己如何主動(dòng)解決問題，增強(qiáng)了自己的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。感謝課程設(shè)計(jì)，感謝熊老師。

致謝

感謝熊俊俏老師對(duì)我們小組不厭其煩的指導(dǎo)讓我們對(duì)自身能力得到了明顯的提高！

參考文獻(xiàn)