數字頻率計課設報告下載(基于數字電路)

ID:216189 · 發表于 2017-6-30 19:27

第一章緒論

技術發展

頻率計是實驗室及生產中常用的一種測量設備。由于數字電路的飛速發展和數字集成電路的普及，利用電子技術器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速以及便于實現測量的自動化等一系列優點，故數字式測頻測量儀器已發展成為近代頻率測量的重要手段。頻率量是幾乎不經轉換就得到的數字量，在數字頻率計中，被測信號是以脈沖信號方法來傳遞、控制和計數的。其基本原理是以適當的邏輯電路，使電子計數器在預定的標準時間內累計待測的輸入信號的脈沖個數，這樣就實現頻率測量

目前國外市場上的頻率計功能更多樣化，甚至可以測量電壓，相位，功率等參數。國內雖然在采用大規模集成電路，改進設計，強化多功能方面取得很大進展，但其技術性能與國外同類先進產品相比還有一定差距。

1.2 課題研究內容

數字頻率計是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T 內的周期個數為N 時，則被測信號的頻率f=N/T。頻率計主要由四個部分構成：時基（T）電路、輸入電路、計數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生電路產生的閘門脈沖。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，從而進入計數器進行計數，計數器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現測量設置。

本課程設計是基于TTL系列芯片的簡易數字頻率計數字頻率計應用所學的數字電路和模擬電路的知識進行設計。在設計過程中，所有電路仿真均基于Mulstisim仿真軟件。

電路由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、計數鎖存電路及譯碼顯示電路組成。能夠較精準的測量正弦波、三角波、方波的頻率。

所謂頻率，就是周期性信號在單位時間(1s)內變化的次數。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數為N則其頻率可表示為f=N/T

第二章系統方案設計

2.1任務分析

1）測頻范圍：1Hz—10MHz，為保證測量精度，分為三個頻段：

1Hz---999Hz

1kHz---999kHz

1MHz---10MHz

當信號頻率超過規定的頻率上限時，設有超量程指示。量程自動轉換，量程顯示用二極管指示（Hz，kHz，MHz）。

2）輸入波形：函數發生器輸出正弦波，信號幅度（峰值）10mV—3V

3)測量誤差小于±1%;

4)結果用三位共陰數碼管顯示，最高位顯示為有效數值，小數點可自動移動顯示

2.2三種方案比較

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。但是單片機也不再本人目前的學習范圍內，所以不予考慮次方案。

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～ 10MHZ 的范圍，以頻率 1HZ 為例，要達到誤差小于1％的目的，必須顯示3位的有效數字，而使用直接測頻的方法，要達到達個測量精度，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，所以不予考慮次方案。

2.3方案選擇

采用方案一

根據任務書要求，精度要求采用晶體電路，選用CD4518做計數器，充分利用CD4511的鎖存，譯碼驅動功能，選擇單穩態電路74LS123提供鎖存信號。

整體電路原理圖：

第三章系統硬件設計

3.1總體框圖

3.2單元電路設計與參數選擇

時基電路：

使用32768Hz的晶振在經過CD4060芯片被14分頻然后經過一個74LS74又被4分頻最后得到0.5Hz的時鐘信號也就是周期為2秒的標準時鐘信號，高電平1秒低電平1秒，以此構成時基電路。

附：74LS74的功能表

閘門電路：

將標準脈沖和被測脈沖經74LS00構成的與非門電路輸出。

附：74LS00引腳圖

74LS真值表

控制電路：

該電路實現的邏輯功能是：當時基信號下降沿到來時產生鎖存信號，鎖存信號的Q端繼續給下一個觸發器下降沿而產生清零信號給計數器CD4518，而鎖存信號Q非端給譯碼器CD4511的LE 端讓其在短時間內（10pf*10k歐姆即為10^-7s）工作。此邏輯功能可通過一片74LS123來實現。它包含兩個可重復觸發的單穩態觸發器，分別產生鎖存和清零信號。

附：74LS123的引腳圖和功能表

由功能表可知，當B端接高電平時只有A端有下降沿信號后Q非端才會有短暫的低電平而Q端才會繼續給下一個1A端下降沿信號進而有清零作用。

鎖存，譯碼與顯示電路：

為了自動的計數更新，需要對計數器周期性清零，計數的結果需要鎖存顯示。

計數器用CD4518，高電平清零。鎖存-譯碼-顯示驅動選用CD4511，高電平鎖存。

附：

CD4511的引腳圖和功能表

CD4518引腳圖和功能表及時序圖

由CD4518功能表可知當時鐘端接地時計數器只有在使能端接下降沿時才開始計數，再由時序圖可知只有當Q4為9時才會有下降沿進而給下一個時鐘端下降沿信號從而產生進位，以此來產生計數功能；有CD4511功能表可以當LE接低電平時譯碼器會工作而當LE為高電平時譯碼器則不會變化，因此LE端接上長時間的高電平信號后需要接上一個短暫的低電平信號以此來讓數碼管上的數字顯示出被測頻率來，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系。

第四章系統調試

4.1測試儀表

萬用表、頻率發生器、示波器

4.2 單元電路測試

時基電路：

閘門電路：

經調試后得到周期為2秒的時基信號

鎖存信號：

4.3 系統總體測試

經頻率發生器測試之后發現測量值與實際值之間有些許誤差，但是相對誤差沒有很大。

4.4 指標測試分析與改進方法

測量值	實際值	絕對誤差	相對誤差
554	553.1	0.9	0.16%
524	522.9	1.1	0.21%
479	478.5	0.5	0.10%
467	465.8	1.2	0.26%
372	371.5	0.5	0.16%
218	217.0	1.0	0.46%
178	177.5	0.5	0.28%
314	313.1	0.9	0.29%
627	625.2	1.8	0.29%
725	723.4	1.6	0.22%
847	845.4	1.6	0.19%
1122	1120	2	0.18%
1241	1239	2	0.16%
1278	1276	2	0.16%
451	450.3	0.7	0.16%
723	725.6	2.6	0.36%
1155	1154	1	0.09%
947	945.7	1.3	0.14%
146	144.0	2.0	1.38%
250	248.9	1.1	0.44%

總結

剛開始對于這個數字頻率計的概念是不了解的，以為就是單純地拿老師的原理圖我們來連線但經過兩周的持續時間中我了解到這個課程設計最重要是理解這個課程的真正含義，要我們自己去思考去設計并不是像電工電子實習一樣，經過兩周的學習，讓我對學習更有自覺性和主動性課程設計時間雖然短，但從中我的學習興趣和實驗創新實踐能力有較大提升。

這個頻率計的課程設計讓我對數字頻率計有了較深的理解通過在實驗中前期的設計我對頻率計的五個基本電路有了較為全面的理解（時基電路、邏輯控制電路、譯碼顯示電路和閘門電路）以及后期頻率計的調試讓我明白電路板的連線要非常細致，要了解每一塊芯片的功能比如CD4511譯碼鎖存作用、BD4518計數功能74LS123邏輯控制CD4060分頻等。這樣才能在連線調試過程中較為準確以及有效率的操作。在這次試驗中我們小組也遇到了不少的困難，比如因為開始老師給出的電路原理圖里面是有幾處錯誤的，而我們也是丈二摸不著頭腦，不知如何下手，之后在老師的指導下才明白了錯誤所在以及這樣設計的用意，讓我們不得不佩服設計者的智慧。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誤，例如因為之前的連線錯誤導致計數器在8的時候就開始進位，這肯定是錯誤的，因此需要用CD4518芯片功能表的第二種計數功能：Q4接下一個使能端，時鐘端接低電平，這樣就可以實現凡是得10進位了。

在這一周的設計中，我發現了自己許多的不足，在設計中遇到了一些困難，設計的電路經過測試并不能達到要求的功能，導致設計失敗，又重新查找資料進行設計與修改，發現自己最大的問題在對芯片的工作原理掌握不夠，導致在設計時走了很多彎路。另外就是不太熟悉仿真軟件，不認識器件的英文，導致在找函數發生器，示波器等器件時耗費了一些時間。

設計結束后，我還特地去查閱了基于頻率計設計的數字系統的應用。在電子系統非常廣泛的應用領域內，到處可見到處理離散信息的數字電路。供消費用的微波爐和電視、先進的工業控制系統、空間通訊系統、交通控制雷達系統、醫院急救系統等在設計過程中無一不用到數字技術。數字電路制造工業的進步，使得系統設計人員能在更小的空間內實現更多的功能，從而提高系統可靠性和速度。

課程設計中有汗水也有淚從中學到的不僅僅是如何設計頻率計，學到的是設計，調試，學到了自己如何主動解決問題，增強了自己的實驗創新能力。感謝課程設計，感謝熊老師。

致謝

感謝熊俊俏老師對我們小組不厭其煩的指導讓我們對自身能力得到了明顯的提高！