簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

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簡(jiǎn)易頻率計(jì)

一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1．設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易頻率測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示。

2．測(cè)量范圍：10Hz~99.99KHz

3．測(cè)量精度： 10Hz。

4. 輸入信號(hào)幅值：20mV~5V。

5. 顯示方式：4位LED數(shù)碼。

二、方案設(shè)計(jì)與論證

頻率計(jì)是用來(lái)測(cè)量正弦信號(hào)、矩形信號(hào)、三角形信號(hào)等波形工作頻率的儀器，根據(jù)頻率的概念是單位時(shí)間里脈沖的個(gè)數(shù)，要測(cè)被測(cè)波形的頻率，則須測(cè)被測(cè)波形中1S里有多少個(gè)脈沖，所以，如果用一個(gè)定時(shí)時(shí)間1S控制一個(gè)閘門電路，在時(shí)間1S內(nèi)閘門打開(kāi)，讓被測(cè)信號(hào)通過(guò)而進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼器電路，即可得到被測(cè)信號(hào)的頻率fx。

任務(wù)要求分析：

頻率計(jì)的測(cè)量范圍要求為10Hz~99.99KHz，且精度為10Hz，所以有用4片10進(jìn)制的計(jì)數(shù)器構(gòu)成1000進(jìn)制對(duì)輸入的被測(cè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；要求輸入信號(hào)的幅值為20mV~5V，所以要經(jīng)過(guò)衰減與放大電路進(jìn)行檢查被測(cè)脈沖的幅值；由于被測(cè)的波形是各種不同的波，而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測(cè)的信號(hào)必須是矩形波，所以還需要波形整形電路；頻率計(jì)的輸出顯示要經(jīng)過(guò)鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定再通過(guò)4位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

經(jīng)過(guò)上述分析，頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊如下圖：

方案一：

根據(jù)上述分析，頻率計(jì)定時(shí)時(shí)間1s可以通過(guò)和電容、電阻構(gòu)成的產(chǎn)生1000Hz的脈沖，再進(jìn)行分頻成1Hz即周期為1s的脈沖，再通過(guò)把脈沖正常高電平為1s；放大整形電路通過(guò)與非門、非門和二極管組成；閘門電路用一個(gè)與門，只有在定時(shí)脈沖為高電平時(shí)輸入信號(hào)才能通過(guò)與門進(jìn)入計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)電路可以通過(guò)5個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器再將計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)通過(guò)鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定最后通過(guò)4個(gè)LED數(shù)碼顯像管顯示出來(lái)。

方案二：

頻率計(jì)定時(shí)時(shí)間1s可以直接通過(guò)和電容、電阻構(gòu)成的產(chǎn)生1Hz的脈沖，再通過(guò)把脈沖正常高電平為1s；放大整形電路可以直接用一個(gè)具有放大功能的施密特觸發(fā)器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行整形放大，其他模塊的電路和方案一的相同。

通過(guò)對(duì)兩種方案的分析，為了減少總的電路的延遲時(shí)間，提高測(cè)量精確度，所以選擇元件少的第二種方案。

三、單元與參數(shù)計(jì)算

：

用555_VIRTUAL定時(shí)器和電容、電阻組成產(chǎn)生1Hz的脈沖，根據(jù)書(shū)中的振蕩周期 ： T=（R1+R2）C*ln2 取C=10uF，R1=2KΩ，T=1s，計(jì)算得：R2=70.43KΩ，再通過(guò)T_FF把脈沖正常高電平為1s的脈沖，元件的連接如下：

經(jīng)示波器仿真，產(chǎn)生的脈沖的高電平約為1S。

放大整形電路：

用一個(gè)74HC14D_4V的含放大功能的施密特觸發(fā)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行放大整形，把輸入信號(hào)放大整形成4V的矩形脈沖，其放大整形效果如下圖：

閘門電路：

用一個(gè)與門74LS08作為脈沖能否通過(guò)的閘門，當(dāng)定時(shí)信號(hào)Q為高電平時(shí)，閘門打開(kāi)，輸入信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，否則，其不能通過(guò)閘門。

計(jì)數(shù)電路：

計(jì)數(shù)電路用5（4）片74192N計(jì)數(shù)器組成100000（10000）進(jìn)制的計(jì)數(shù)電路，74192N是上升沿有效的，來(lái)一個(gè)脈沖上升沿，電路記一次數(shù)，所以計(jì)數(shù)的范圍為0~99999（5000）。但計(jì)數(shù)1S后要對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零或置零，在這里用清零端，高電平有效，當(dāng)計(jì)數(shù)1S后，Q為低電平，Q’為高電平，所以用Q’作為清零信號(hào)，接線圖如下：

鎖存顯示電路：

當(dāng)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，要把計(jì)得脈沖數(shù)鎖存通過(guò)數(shù)碼顯示管穩(wěn)定顯示出來(lái)。鎖存器用2片74ls273，時(shí)鐘也是上升沿有效，當(dāng)Q為下降沿時(shí)，Q’恰好是上升沿，所以用Q’作為鎖存器的時(shí)鐘，恰能在計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)把脈沖數(shù)鎖存顯示，電路的接線圖如下：

四、總電路工作原理及元器件清單

1．總原理圖

2．電路完整工作過(guò)程描述（總體工作原理）

555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生1Hz的脈沖，經(jīng)過(guò)T觸發(fā)器整形成高電平時(shí)間為1S的脈沖，高電平脈沖打開(kāi)閘門74LS08N，讓經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14D放大整形的被測(cè)脈沖通過(guò)，進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行1S的計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，T觸發(fā)器的Q為下降沿，Q’剛好為上升沿，觸發(fā)鎖存器工作，讓計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)通過(guò)鎖存器鎖存顯示，同時(shí)，高電平的Q’信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行清零，此后，電路將循環(huán)上述過(guò)程，但對(duì)于同一個(gè)被測(cè)信號(hào)，在誤差的允許范圍內(nèi)，LED上所顯示的數(shù)字是穩(wěn)定的。

3．元件清單

元件序號(hào) 型號(hào) 主要參數(shù) 數(shù)量 備注

1 74192 5 加法計(jì)數(shù)器

2 74LS273 2 鎖存器

3 DCD_HEX 4 LED顯示器

4 555_VIRTUAL 1 定時(shí)器

5 T_FF 1 T觸發(fā)器

6 CAPACITOR_RATED 電容10Uf、額定電壓50V 1 電容

7 CAPACITOR_RATED 電容10Nf、額定電壓10V 1 電容

8 RES 阻值2KΩ 1

9 RES 阻值 1

10 74LS08 1 雙輸入與門

11 74HC14D_4V 1 施密特觸發(fā)器，放大電壓4V

12 AC_VOLTAGE 1 可調(diào)的正弦脈沖信號(hào)

五、仿真調(diào)試與分析

把各個(gè)模塊組合起來(lái)后，進(jìn)行仿真調(diào)試以達(dá)到任務(wù)要求。

① 在信號(hào)輸入端輸入10Hz的交流脈沖，仿真，結(jié)果如下：

說(shuō)明仿真的結(jié)果準(zhǔn)確

② 在信號(hào)輸入端輸入300Hz的交流脈沖，仿真，結(jié)果如下：

仿真結(jié)果準(zhǔn)確

③ 在信號(hào)輸入端輸入3KHz正弦脈沖，仿真，結(jié)果如下：

④輸入20KHz的正弦脈沖，仿真，結(jié)果如下：

仿真結(jié)果結(jié)果與實(shí)際的結(jié)果相差20Hz，這說(shuō)明頻率越高，誤差越大。經(jīng)分析，這是由于各個(gè)元器件存在著延遲時(shí)間，1S的脈沖，經(jīng)過(guò)各個(gè)元器件的延遲，計(jì)數(shù)時(shí)間會(huì)大于1s，頻率越高，誤差越大，所以計(jì)數(shù)的時(shí)間要稍微小于1S，調(diào)小時(shí)基電路的R3為70.23KΩ，仿真，結(jié)果如下：

還是存在誤差，經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)R3仿真，最后確定R3為70.06 KΩ時(shí)對(duì)于各個(gè)頻率的測(cè)試都比較準(zhǔn)確，20KHz時(shí)仿真結(jié)果如下：

所以R3為70.06KΩ是測(cè)得的各個(gè)頻率值都比較準(zhǔn)確，且電路設(shè)計(jì)都符合測(cè)任務(wù)要求。

六、結(jié)論與心得

在這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我收獲不少。首先，我學(xué)會(huì)了把一個(gè)電路分成模塊去設(shè)計(jì)，最后再整合，這樣可以把一個(gè)復(fù)雜的電路簡(jiǎn)單化了，并且這樣方便與調(diào)試與修改；其次，設(shè)計(jì)有助了我去自學(xué)一些元器件的功能，去運(yùn)用它；再次，我也初步會(huì)用multisim軟件設(shè)計(jì)電路；最后，這次課程設(shè)計(jì)也提高了我查找問(wèn)題、思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，還鍛煉了我的耐性。

在這次課程設(shè)計(jì)中也遇到了很多問(wèn)題，首先，是對(duì)元器件了解不多，對(duì)于要實(shí)現(xiàn)某種功能不知道用那一種元件，所以問(wèn)同學(xué)，上網(wǎng)收索，再了解這種元件的邏輯功能，學(xué)會(huì)去用它；其次，不大會(huì)用電路設(shè)計(jì)軟件，一開(kāi)始用EWB軟件設(shè)計(jì)，對(duì)模塊仿真可以，但整合整個(gè)原理圖仿真卻不行，通過(guò)示波器觀察輸出波形發(fā)現(xiàn)脈沖走了一小段卻停止了，以為是電路有問(wèn)題，就查找了很多遍才找出問(wèn)題，原來(lái)在那個(gè)軟件仿真時(shí)是不允許存在兩個(gè)信號(hào)，所以重新用multisim設(shè)計(jì)，才可以；最后，在用multisim仿真高頻率時(shí)仿真速度極慢，所以調(diào)整了軟件的仿真最大步長(zhǎng)，但問(wèn)題又出現(xiàn)了，信號(hào)紊亂，數(shù)碼管顯示數(shù)字不一，然后就猜想會(huì)不會(huì)是元件的問(wèn)題，太高頻率元件來(lái)不及反應(yīng)就輸出結(jié)果，但上網(wǎng)尋找答案，原來(lái)是軟件的仿真步長(zhǎng)會(huì)影響仿真的精確度，所以，某一范圍的頻率仿真，要用相應(yīng)的最大仿真步長(zhǎng)。

這個(gè)題目的設(shè)計(jì)花了自己不少心血，有時(shí)甚至一整天在弄，但是當(dāng)自己成功地設(shè)計(jì)出電路時(shí)所獲得的那一份成就感是無(wú)法表達(dá)的，所以整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程充滿著苦惱與樂(lè)趣。

七、參考文獻(xiàn)

[1] 閻石 《數(shù)字電子技術(shù)基本教程》第一版 ，清華大學(xué)出版社，2007.08。