吉首大学简易数字频率计设计报告
简易数字频率计设计报告 吉首高校 设计内容: 1、测量信号:方波 、正弦波、三角波; 2、测量频率范围: 1Hz~9999Hz; 3、显示方式:4位十进制数显示; 4、时基电路由 由555构成的多谐振荡器产生(当标准时间的精度要求较高时,应通过晶体振荡器分频获得); 5、当被测信号的频率超出测量范围时,报警。 设计报告书写格式: 1、选题介绍和设计系统实现的功能; 2、系统设计结构框图及原理; 3、采纳芯片简介; 4、设计的完整电路以及仿真结果; 5、Protel绘制的电路原理图; 6、制作的PCB; 7、课程设计过程心得体会(负责了哪些内容、学到了什么、遇到的难题及解决方法等)。 电子课程设计过程: 系统设计→在Multisim2001下仿真→应用Protel 99SE绘制电路原理图→制作PCB→撰写设计报告简易数字频率计课程设计报告 第一章 技术指标 1.1整体功能要求 1.2系统结构要求 1.3电气指标 1.4扩展指标 1.5设计条件 其次章 整体方案设计 2.1 算法设计 2.2 整体方框图及原理 第三章 单元电路设计 3.1 时基电路设计 3.2闸门电路设计 3.3限制电路设计 3.4 小数点显示电路设计 3.5整体电路图 3.6整机原件清单 第四章 测试与调整 4.1 时基电路的调测 4.2 显示电路的调测 4-3 计数电路的调测 4.4 限制电路的调测 4.5 整体指标测试 第五章 设计小结 5.1 设计任务完成状况 5.2 问题及改进 5.3心得体会 附录 参考文献 第一章 技术指标 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 数字频率计的整体结构要求如图所示。图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的项目------频率、周期或脉宽,若测量频率则进一步选择档位。 测量电路 被测信号 显示电路 档位转换 数字频率计整体方案结构方框图 3. 电气指标 3.1被测信号波形:正弦波、三角波和矩形波。 3.2 测量频率范围:分三档: 1Hz~999Hz 0.01kHz~9.99kHz 0.1kHz~99.9kHz 3.3 测量周期范围:1ms~1s。 3.4 测量脉宽范围:1ms~1s。 3.5 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)。 3.6当被测信号的频率超出测量范围时,报警. 4.扩展指标 要求测量频率值时,1Hz~99.9kHz的精度均为+1。 5.设计条件 5.1 电源条件:+5V。 5.2 可供选择的元器件范围如下表 型号 名称及功能 数量 NE555 定时器 1片 74151 8选1数据选择器 2片 74153 双4选1数据选择器 2片 7404 六反向器 1片 4518 十进制同步加/减计数器 2片 74132 四2输入与非门(有施密特触发器) 1片 74160 十进制同步计数器 3片 C392 数码管 3片 4017 十进制计数器/脉冲安排器 1片 4511 4线-七段所存译码器/驱动器 3片 TL084 1片 10K电位器 1片 电阻电容 拨盘开关 1个 门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。 其次章 整体方案设计 2.1 算法设计 频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可依据这肯定义采纳如图2-1所示的算法。图2-2是依据算法构建的方框图。 计数电路 闸门 输入电路 闸门产生 显示电路 被测信号 图2-2 频率测量算法对应的方框图 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。改闸门信号限制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路,当1s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干脆相关,因此,为保证在1s内被测信号的周期量误差在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1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次,由于闸门脉冲精度为10 ̄⁴,闸门信号的误差不大于0.1s,固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状况下,计数器误差的肯定值会增大,但是相对误差仍在5*10 ̄³范围内。 但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严峻的缺点,例如,当被测信号为0.5Hz时其周期是2s,这时闸门脉冲仍未1s明显是不行的,故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s,则闸门导通期间可以计数5次,由于数值5是10s的计数结果,故在显示之间必需将计数值除以10. 2.2 整体方框图及原理 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,所以须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。在整形之前由于不清晰被测信号的强弱的状况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时,通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时,前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路,则调整输入放大的增益,时被测信号得以放大。 频率测量:测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3个档位。被测信号经整形后变为脉冲信号(矩形波或者方波),送入闸门电路,等待时基信号的到来。时基信号有555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器,经整形分频后,产生一个标准的时基信号,作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门,作为计数器的时钟信号,计数器即起先记录时钟的个数,这样就达到了测量频率的目的。 周期测量:测量周期的原理框图2-4.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。方波信号中的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,在闸门导通的时间里,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。 时基电路:时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器,其两个暂态时间分别为 T1=0.7(Ra+Rb)C T2=0.7RbC 重