純模擬+數字電路頻率計電路設計與制作 1~9999Hz精度1Hz

ID:290305 · 發表于 2019-7-20 17:17

分享一個前幾天做的設計，制作一個簡易頻率計，下面是我的文檔和PPT，原理圖在文檔中，請自行參考

1.1設計任務分析

設計一個能夠測量正弦波信號頻率的電路。具體要求如下：

測頻范圍為1~9999Hz，精度為1Hz。

測量數字為四位數，需使用四個七段數碼管。

用數碼管顯示測頻結果。

使用74LS48進行譯碼顯示。

當信號頻率超過規定的頻段時，設有超量程顯示。

如使用LED燈提示超量程。

發揮部分：擴大頻率計的測頻范圍（超量程換檔）。

測試條件：在輸入信號峰值為100mV的情況下測試。
1.2設計方案選擇

方案一：采用的是中小規模數字集成電路

實現頻率的測量，雖然其功能擴展不易實現，智能化程度也不高，也不太符合目前數字頻率計的發展要求，但是對目前的我們來說，電路構成的基本原理相對容易理解，設計原理簡單，是全硬件電路實現，電路穩定、精度高，大大的縮短了生產周期。不需要編程，實現起來相對簡單。其主要元器件基本是我們所學習過的，就算沒有學過，查閱資料理解起來也相對容易。

方案二：采用單片機

采用單片機則可以很容易地解決方案中的問題，實現設計要求。也就是采用先測信號的周期，然后再通過單片機求周期的倒數的方法，從而得到我們所需要的低頻信號的測量精度。由于用到單片機，控制電路計數等功能通過編寫程序實現，減少了相關硬件的使用，降低了成本。而且利用C語言程序有很強的可修改性另外由于使用了功能較強的 AT89C51 芯片，使本系統可以通過對軟件改進而擴展功能，提高測量精度。但是單片機不能提高我的數模電知識，所以不予考慮此方案。

方案三：采用可編程器件的技術

在設計方法、硬件電路的實現上都要比方案一和方案二簡潔、新穎，而且采用可編程邏輯器件（PLD）的 EDA 技術也是現代電子產品開發的方向，應用這種技術來實現數字頻率計的設計是可行的。但從系統設計的要求上看，要能實現測量頻率是 1HZ～ 9999HZ 的范圍，以頻率1HZ 為例，使用直接測頻的方法，要達到測量精度，需要主門連續開啟 100 秒。再就是EDA技術也不再本人目前的認知范圍內，所以不予考慮此方案。

綜上，本設計最終考慮采用方案一。

第2章硬件電路設計2.1系統總體框圖

圖2.1.1 電路總體框圖

2.2 各模塊方案設計總體概述

2.2.1 放大整形電路

對被測信號進行預處理，先由三極管組成的放大電路經行放大再由施密特觸發器經行轉換成脈沖信號，如下圖2所示。

圖2.2.1 放大整形電路

放大電路設計原理：雙極結型三極管BJT是一種三端器件，是放大電路的最重要的組成部分之一。BJT有兩種類型：NPN型和PNP型。從三個雜質區域各自引出一個電極，分別為發射極e、集電極c、基極b。BJT的最重要的特性之一是具有電流控制（即電流放大）作用，利用這一特性可以組成各種放大電路。放大電路的功能是將微弱的信號不是真地放大到需要的數值。輸出信號的能量實際上是由直流電源提供的，經過三極管的控制，使之轉換成信號能量，提供給負載。在本設計中采用BJT的共射極連接方式的放大電路。并用小信號模型來分析該放大電路，電路圖及小信號模型圖如圖3所示。

圖2.2.2 基本共射極放大電路

估算rbe：

rbe=rbb’+(1+β)26(mV)/IEQ（mA）

IEQ≈βIBQ=β（VCC-VBEQ）/Rb

電壓增益AV：

Vi=ibRb+ibrbe

Vo= -ic(Rc‖Rl)=-βibRl

Av =Vo/Vi=(-βibRl)/(ibRb+ibrbe)

施密特觸發器：

施密特觸發器在電子電路中常用來完成波形變換、幅度鑒別等工作，電路具有以下工作特點：

電路的觸發方式屬于電平觸發，對于緩慢變化的信號仍然適用，當輸入電壓達到某一定值時，輸出電壓會發生跳變。由于電路內部正反饋的作用，輸出的電壓波形的邊沿很陡直。
在輸入信號增加和減少時，施密特觸發器有不同的閾值電壓，正向閾值電壓Vt+和負向閾值電壓Vt-。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓用△Vt表示（△Vt=Vt+ - Vt-）。它是一種閾值開關電路，具有突變輸入—輸出特性的門電路。根據輸入相位、輸出相位關系的不同，施密特觸發器有同相輸出和反相輸出兩種電路形式。其電壓傳輸特性曲線分別如圖4所示。

圖2.2.3 施密特電路的傳輸特性

施密特觸發器的應用：

波形變換，可將三角波、正弦波等變成矩形波。
脈沖波的整形，數字系統中，矩形脈沖在傳輸中經常發生波形畸變，出現上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發器整形后，獲得較理想的矩形脈沖，如圖5。
脈沖鑒幅，幅度不同、不規則的脈沖信號時加到施密特觸發器的輸入端時，能

選擇幅度大于欲設值的脈沖信號進行輸出。

圖2.2.4 用施密特觸發器實現波形變換圖

2.2.2 時基電路

方案一：由晶體振蕩器構成時鐘信號。優點是產生的信號非常穩定，但價格高。

方案二：由定時器555構成的多諧振蕩器產生1KHz的時鐘信號。優點是結構簡單，易于實現，但有一定的誤差存在。

最后選用方案二，由于方案一在Multisim13.0中沒有合適的晶體振蕩器，大多頻率過高，不好分頻，直接采用方案二，可以節省一定的電路，同時為了解決由555定時電路帶來的帶載不足的問題，即后接負載有限的問題，在時鐘輸出時進行適當的放大。

555定時器是一種將模擬電路和數字電路集成于一體的電子器件。用它可以構成單穩態觸發器、多諧振蕩器和施密特觸發器等多種電路。555定時器在工業控制、定時、檢測、報警等方面有廣泛應用。

555定時器的內部結構如下圖6所示：

圖2.2.5 555定時器內部結構

多諧振蕩器是一種無穩態觸發器，接通電源后，不需外加觸發信號，就能產生矩形波輸出。由于矩形波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發生器,觸發器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產生的。

由555定時器組成的多諧振蕩器產生方波圖如圖7所示：

圖2.2.6 方波圖

時基電路總體原理圖如圖8所示：

圖2.2.7 時基電路

對555定時電路組成的多諧振蕩器分析：

接通電源以后電容C被充電，當VTRI上升到2VS/3時，使VOUT為低電平，同時放電三極管導通，此時電容C通過R2和T放電，VTRI下降。當VTRI下降到VS/3時，VOUT翻轉為高電平。電容器C放電的時間為

T1=R2Cln2≈0.7R2C

當放電結束時，三極管截止，VS將通過R1、R2向電容C充電，VTRI由VS/3上升到2VS/3所需的時間為

T2=（R1+R2）Cln2≈0.7(R2+R1)C

當VTRI上升到2VS/3時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出就得到了一個周期性的矩形波。其振蕩的頻率為

f=1/(T1+T2) ≈1.43/(2R2+R1)C

分析原理圖如下，從圖中可以看出理論的輸出波形時按一定的周期循環出現的，從而形成一定頻率的矩形波如圖9所示。

圖2.2.8 555定時器分析

2.2.3 控制電路

此模塊使用CD4017和74LS160組成，其中CD4017是內部為除10的計數器及二進制對10的譯碼電路，而74LS160 是十進制計數器，也就是說它只能記十個數，從0000-1001（0-9）到9 之后再來時鐘就回到0首先時鐘CLK，之后是輸出RCO ，CLR是復位引腳，此為低電頻有效LOAD是置數信號，當它為低電平時，在時鐘作用下讀入D0到D3，為了使160正常工作ENP和ENT接1，另外D0到D3是置數端，Q0到Q3是輸出端。

其中74LS160輸出管腳Q0到Q3波形圖如圖10所示。

圖2.2.9 Q0~Q3輸出波形

控制模塊整體電路原理圖如圖11所示。

圖2.2.10 控制電路原理圖

2.2.4 計數顯示電路

采用十進制計數器（74LS160）連接成為4位十進制計數器，計數范圍為0至9999，將計數形成的BCD碼（頻率值的大小）進行譯碼，在譯碼前經行鎖存，鎖存后清零，給下一次測量做準備，并在數碼管中顯示出來。如圖12是顯示電路原理的一部分，負責顯示，由譯碼器譯碼，而譯碼器接鎖存器，鎖存器接計數電路，得到計數輸出。

圖2.2.11 計數顯示電路

第3章原理圖繪制3.1原理圖仿真總體圖

圖3.1.1原理仿真圖

第4章硬件實物焊接調試4.1硬件實物焊接

圖4.1.1 電路板反面

圖4.1.2 電路板側面

圖4.1.3 電路板正面

4.2硬件實物調試

使用的主要的儀器有：數字電源，示波器，函數發生器，臺式萬用表。

在電路的調試過程中，主要出現的問題有：

芯片易被燒毀；

解決辦法：對于含有芯片的電路，或者出問題的部分有芯片參與，首先分析芯片在電路中的作用，觀察芯片不工作時，電路會有什么故障，出現什么樣的現象，并與之前發現的問題相對比。

檢查的步驟如下：先檢查供電是否正常，其次檢查輸入的波形信號是否正常，最后檢查有沒有輸出信號及輸出信號與理想輸出信號的差距。如果正常，就可以開始檢查后續電路，看是否有問題，一般是電容易被損壞。

電路結構復雜，解決問題困難。

此時需要對電路進行分模塊測試，觀察每個模塊是否都能輸出正確波形，然后把每個模塊進行合并進行最終調試。

555定時電路組成的多諧振蕩器測試過程：

圖4.2.1 555振蕩器調試

圖4.2.2 555定時器產生的波形

總結

本次電子技術課程設計的核心是利用已學過的數模電及電路分析基礎知識，實現一些工程目的。在這個過程中，可以鍛煉自己的實際動手能力，對于一些電路規律、芯片的使用方法及運算放大器的應用有了進一步的理解。更為重要的一點是，作為本科生，沒有任何的工程經驗，經過這次課設，我們可以更好的了解到要解決實際工程需要問題考慮哪些問題，需要注意哪些地方，需要對自己設計的電路了如執掌。作為自動化專業的學生，分析問題、解決問題及動手的能力尤為重要，在課程設計的過程中，這些能力可以得到更好的培養。

本次課題主要設計了一款簡易頻率計，測試了頻率計的測量精度以及工作性能，技術指標達到的要求有測頻范圍達1~9999HZ，誤差為1HZ,并使用數碼管顯示測頻結果，當信號頻率超過規定的量程時，實現了超量程提示，比如實現了發光二極管的點亮。

主要完成工作：

（1）系統硬件設計包括降壓電路、放大整形電路、時基電路、控制電路、計數顯示電路組成的頻率測量電路。合理選擇二極管、BJT、電容電阻以及各種芯片設計頻率測量電路。

（2）系統硬件設計由查閱相關電源類文獻，在multisim13畫出電路圖，進行仿真驗證及調試，然后用洞洞板和各種元器件進行焊接調試。

本次設計尚有幾處地方需要完善：

電路設計復雜導致查詢問題困難。
頻率測量精度有待提高。

針對此次課設，我有如下建議：

（1）可以適當擴寬課設選題范圍，對于自動化這種偏向硬件設計的專業，可以在原有基礎上開設一些綜合能力需求更高的題目，可以參考電子設計大賽的選題，降低難度，作為課設的題目。

（2）可以適當提供更多的器件選擇，讓同學們可以更多的選擇設計方案，而不用因為器件選擇的原因限制了同學們的想法。

（3）可以加大課程設計的硬件焊接的驗收力度，對于一些已經驗收的成品可以收上去，減少作弊的概率。這樣一方面可以進一步提高課程設計的質量，也可以真正讓同學們學到更多的東西。

收獲與體會：

在本次課程設計當中，我制作了一個簡易頻率計，雖然結果并不像仿真那樣完美，但也大致實現了目的。在課程設計的整個過程中，從選題到參數計算，到修正電路焊接的問題，都是我一人完成。在此過程中，我收獲了不少知識。從555定時器輸出方波到放大整形電路輸出方波，到計數控制電路，再到譯碼顯示電路，我認識到了自己的數模電及電路的基礎知識仍然有待提高。

在此次課設中，我還學會了書本上或者老師沒有教過的東西，在拿到了種類繁多的芯片后，我開始毫無思緒，不知道該從那一步著手。經過對題目要求及仿真原理圖分析后，決定先把芯片的數據手冊仔細翻閱一遍，了解每個芯片的功能及引腳圖，在完場此項工作后，將芯片引腳圖及周邊元器件在紙上畫下來，再按照該圖紙進行焊接。這樣可以減少很多麻煩，比如，走線走著走著就不知道怎么走了，元器件沒地方放了等等。雖然這樣可以減少焊接出現的問題，但還是存在一些我無法解釋的玄學問題，對于這些問題，我積極在相關的電子技術論壇上找答案或思路，網站論壇包括：電子發燒友、電源網、51黑電子論壇、datasheet官網等。在這些前輩們的交流中，我吸取了不少硬件設計的經驗，不僅僅使本次課設，對于以后做競賽及硬件學習也有著很大的幫助。

當然也非常感謝我的指導老師胥老師，他一絲不茍，嚴謹認真的工作態度深深的影響著我，在我的課程設計中，每個環節都離不開老師的悉心指導，給予了我巨大的幫助。

附錄2：系統主要圖紙