数电课程设计报告2.docx
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数电课程设计报告2.docx
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数电课程设计报告2
数字电子技术课程设计报告
设计课题:
简单数字频率计的设计
专业班级:
电子信息工程0802
学生姓名:
指导教师:
设计时间:
2010年7月1日----7月5日
题目:
简单数字频率计的设计
设计者:
指导教师:
摘要:
数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。
通常情况下,利用示波器可以粗略测量被测信号的频率,精确测量就要用到数字频率计。
它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。
频率是在单位时间(1s)内信号周期性变化的次数。
如果能在给定的(1s)时间内对信号波形计数,并将计数结果显示出来,就能读取被测信号的。
关键词:
数字频率计计数测量信号的频率
引言:
频率计的基本原理是:
被测信号ux首先经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号,频率与被测信号的频率fx相同。
时钟电路产生时间基准信号,分频后控制计数和保持2种状态。
当其高电平时,计数器计数;低电平时,计数器处于保持状态,数据送入锁存器进行锁存显示。
然后对计数器清零,准备下一次计数。
频率的定义是单位时间(1s)内周期信号的变化次数。
若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N,则其频率为f=N/T
第一章系统概述
1.1设计任务与要求
(1)频率测量范围:
1~9999HZ
(2)被测信号幅度:
U≤100V
(3)输入信号波形:
任意周期信
(4)显示位数:
4位
1.2数字频率计方案设计与论证
(1).提出方案
任务要求测量输入信号的频率,为此可以采用不同的方法:
一种是间接测量法,例如先将输入信号变换成与频率成正比的电压,再利用A/D转换器形成数字信号,最后用数码显示器显示出来;另一种是直接测量法,即将输入信号放大整形后,通过控制门记录1秒钟内的脉冲数,再通过计数器、译码显示电路表示出来。
所以,完成该设计任务至少可以有两种方案,它们的方框图如图1.1.1和图1.1.2所示。
Ui放大整形脉冲信号电压信号
数字信号
图1.1.1数字频率计方案
被测信号
秒控制信号
图1.1.2数字频率计方案
(2).方案论证
图1.1.1所示方案从理论上是可行的,但它必须有频率检波电路和A/D转换电路,不仅电路比较复杂,而且信号经过两次变换会产生较大误差,因此测量结果不很准确,该电路调试也较困难,所以该方案不是最佳的。
图1.1.2所示方案中,只要将输入信号放大整形成为脉冲信号,即可直接测量出信号的频率。
这里关键问题是产生精确的秒控制信号,以保证测量的精度。
如果采用石英晶体振荡器产生脉冲振荡信号,然后通过分频便可获得稳定、精确的时基信号。
这一电路实现起来也不困难。
可见,比较两种方案可以得出结论,第二种方案比较合理、可行。
1.3工作原理
(1)信号放大、波形整形电路
为了能测量不同电平值与波形的周期频率,必须对被测信号进行放大与整形处理,使之成为能被计数器识别的脉冲信号。
信号放大可以采用一般的运算放大器,波形整形可以采用施密特触发器。
(2)控制门电路
用于控制输入脉冲是否送至计数器计数。
控制门电路可以用一只与非门电路和一只反相器组成。
(3)计数器
计数器的作用是对输入脉冲计数。
根据设计要求,最高测量频率为9999HZ,应采用4位十进制计数器,在这里可以选用现成的十进制集成计数器
(4)锁存器
在确定的时间(1s)内,计数器的计数结果(被测信号频率)必须经锁定后才能获得稳定的显示值。
锁存器通过触发脉冲的控制,将测得的数据寄存起来送显示译码器。
锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。
(5)显示译码器与数码管
显示译码器的作用是把BCD码表示的十进制数转化成能驱动数码管正常显示的段信号,以获得数字显示,显示译码器的输出方式必须与数码管匹配。
第二章单元电路设计与参数计算
2.1分析单元电路和选元器件
1、秒控制信号产生电路
(1)秒信号发生器
为了产生精确的秒信号,必须有信号发生器即振荡器。
从高频电路中可知,振荡器的频率和稳定度越高,形成的秒信号就越准确。
在LC振荡器中,尽管采取了各种稳频措施,但实践证明,它的频率稳定度一般很难突破10-5数量级。
采用石英谐振器作为选品网络构成振荡器就会有很高的Q值(品质因数)和很高的回路标准性,因而有很高的频率稳定度。
一般选电子表的石英晶体构成的频率为32768HZ=215振荡器,然后经过15次二分频就可以得到秒信号。
采用14位二进制串行分频器CC4060外接石英晶体JN即可直接实现振荡与分频功能,因其输出是2HZ信号,需再接一个二分频器就可以得到秒信号。
见图2.1.1
见图2.1.1
(2)秒控制信号产生电路
有了秒信号还需要形成秒控制信号,以便控制电路在一秒钟的采样时间内,记录输入信号的频率。
为了使记录的频率数值有一个稳定的显示时间,同时每次记录之前,计数器必须清零,所以要求秒控制脉冲间隔一定时间出现一次。
如果采样时间为1s,显示稳定的数字为5s,则可用6只D触发器组成环形振荡器,输入触发信号是秒信号,其并行输出Q1~Q6为顺序脉冲,其电路原理图和波形图如图2.1.2(a)和(b)所示。
图中Q1为秒控制信号,其高电平用来打开控制门电路,其低电平用来控制计数器的清零端和译码器的锁存端。
环形振荡器由双4位寄存器CC4015来实现,其连线图如图2.1.3所示。
(a)
(b)
图2.1.2秒控制脉冲产生电路及波形
(a)电路(b)波形
图2.1.3CC4015连线图
2、控制门电路
利用所获得的放大整形信号和秒控制信号去触发控制电路,进而得到一定宽度的闸门信号,用它去控制主控门的开门时间,在采样时间内,主控门允许被测信号通往计数器计数。
控制门电路的另一个作用是在每次采样后,封锁主控门和时基信号的输入,便于稳定数值以待观测和读取。
总之,控制门电路的任务就是起开关作用,打开主控门计数,关上主控门显示。
在选用元器件上用一两输入端的与非门(输入高电平有效)和一只反相器。
如图2.1.4所示
图2.1.4
3、计数、译码和显示电路
由于技术指标要求,最高测量频率为9999HZ。
在这里频率计数器选取为由两块双十进制计数器74HC4518组成。
由于计数器受控制门控制,每次计数只在D触发器组成的环行振荡器的顺序脉冲作用下进行跳变(当CP为低电平时,触发器被封锁,D输入的变化脉冲不能影响触发起的输出;当CP为高电平时,触发起状态与D输入状态相同),然后将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。
锁存器具有保持功能,计数脉冲信号通过锁存器将脉冲信号转变为电信号送入显示器显示结果。
计数结果被显示5秒后,计数器会自动清零。
另外,74HC4518的清零端Cr和c4511锁存端LE均为高电平有效。
因此选用Q1的低电平控制清零和锁存时,必须加一级反相器,再接到每个计数器和译码器的Cr和LE端。
为了能将数字系统的运行数据以十进制数码直观地显示出来,常采用74HC4511七段数码显示器。
其主要产品有半导体数码显示器LED、液晶数码显示器LED、等离子体显示板等。
在此选用半导体数码显示器。
在使用中,共阳极接法的数码显示器如其阳极接高电平,则阴极接低电平的发光二极管发光,这样通过控制7只发光二极管的阴极电压就可显示0~9中的任何一个数字。
由于每只二极管的开启电压为0.7V,所以显示器的7只二极管需4.9V,可以选用译码输出电压为5V。
如图2.1.5(a)和(b)所示
2.1.5(a)计数、译码和显示电路
2.1.5(b)74HC4511逻辑符号
5、信号放大、波形整形电路
一般情况下,输入的信号比较小,加一级放大器和触发器可提高信号的放大倍数,进行波形处理,从而可以获得测量的灵敏度和精度。
信号经放大后再送入整形电路整形是为了使放大电路与逻辑电路相容。
一般选单电源供电的运算放大器F158,电源电压5V。
整形电路选用施密特触发器CC4093。
如图2.1.6所示
图2.1.6放大整形电路
放大电路用微分电路除了在线性系统中作微分运算外,在控制系统中用于实现微分校正,在脉冲数字电路中,常用来做波形变换。
如将矩形波变为尖脉冲波,则下图的微分电路与基本微分器相比,在输入端串了电阻R2,加R2后,自然频率下降,阻尼比明显增大,其作用是消除自激,减小高频谐振峰。
2.2电路元器件参数的计算
由于整体电路多采用集成电路连接而成,所以需要设计计算的器件参数不多,其中只有以下元件要求进行估算和选取:
1.振荡器R1,C1和CT的选取
由CC4060中的反相器与R1,C1和CT、构成的晶体振荡器,R1为反馈电阻,以保证反相器工作在线性放大区,该阻值不宜太小,一般选在几兆欧到几十兆欧。
本电路选22MΩ的电阻。
反馈电压是由输出电容CT和输入电容C1决定,以构成电容式三点式振荡电路。
一般C1选取20pF的电容,CT选用35/4pF的可调电容。
2.放大电路的R2,R3和R4的选取
放大电路的R2和R3决定电路的放大倍数,即Af=
为了保证Ui<100mV时,能使输出电压驱动后级施密特电路正常工作,由于CC4093触发电平,要求输出电压Uo>2.2V。
可见,Af=≥
,如果选取比为10kΩ则R3应选用220kΩ。
R4是限流保护电阻,在放大器输出最大电压时不致损坏施密特内部保护二极管,一般选取几为200Ω。
C2为耦合电容,选47μF。
3.译码、显示电路Ra~Rg的选取
Ra~Rg是发光二极管的限流电阻。
要求:
Ra~Rg≥
。
其中UOH为译码输出的高电平,UDF为发光二极管正向压降,IDF为二极管正向电流。
由器件参数手册可以查到:
在VDD=5V条件下,UOH=4.1v,发光二极管IDF=10mA,UDF≈2.5V,故Ra~g≥
Ω
第三章总原理图及元器件清单
3.1总原理图如下:
3.2元件清单
CC4060(二进制串行分频器)-------------------------------------1个;
石英晶体JN--------------------------------------------------1个;
74HC393(二进制分频计)--------------------------------------1个;
D触发器------------------------------------------------------6个;
CC4015(寄存器)---------------------------------------------1个;
74HC4518(计数器)-------------------------------------------4个;
74HC4511(七段数码显示器)------------------------------------4个;
F158(运算放大器)--------------------------------------------1个;
二输入与非门------------------------------------------------4个;
反相器-----------------------------------------------------2个;
CC4093施密特触发器------------------------------------------1个;
电阻:
22MΩ--------------------------------------------------1个;
220KΩ-------------------------------------------------1个;
200Ω--------------------------------------------------1个;
160Ω---------------------------------------------------6个;
电容:
47uf----------------------------------------------------1个;
20pf----------------------------------------------------1个;
4—35pf-------------------------------------------------1个;
实验板一个;
万用表一个;
导线若干;
第四章结论与心得
本次课程设计在设计过程中得到李艳萍老师和侯桂成老师的细心指导,帮助我开拓研究思路,精心点拨,热忱鼓励。
老师们严谨求实的态度,踏踏实实的精神,虽仅一个星期,却终身受益。
对老师的感激之情无以言表。
感谢各位老师对我们的帮助,在此,我要向老师深深的鞠上一躬。
此次课程设计,我们设计的是简单数字频率计,这个课题涉及到模电与数电的相关知识。
总结课程设计论文,完成本次设计,从中我们获益良多。
在课程设计中,通过广泛查阅与课题有关的内容,使我掌握了许多与有关的东西,更重要的是使我对数字电路和模拟电路的功能和应用有了一定的了解。
为此,我对设计一套完整电路的步骤、方法及思路有了一个全新的认识。
这加深了我对电子设计的理解,同时也给我提供了一次为以后实际模拟锻炼的机会,我感到受益非浅。
此次设计是我们小组两个成员共同努力的结果,大家一起讨论,相互鼓励,期间也有过意见的不一致,有过挫折与失败,但我们一起努力,也形成了一定的默契,最终完成设计。
总之,本次课程设计我们体会到遇到困难并不可怕,关键是大家要齐心协力,找到突破口,不能浮躁,才能最终解决问题;不管什么时候自己的知识总是有局限性的,所以我们要掌握知识的某种素质,在以后工作和生活中都将受益匪浅!
第五章参考文献
序号·作者名·书刊名·出版社·出版时间(刊号)·
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机械工业出版社,2005年出版
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化学工业出版社,2008年出版
[3]姜岩峰主编.集成电路设计实例.第1版.北京:
化学工业出版社,2008年出版
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机械工业出版社,2008年出版
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电子工业出版社,2004年出版
[10]翟玉文、梁伟、艾学忠、施云贵编著.电子设计与实践.北京:
中国电力出版社,2005年出版
Title:
SimpleDigitalFrequencyMeter
Designer:
ZhangRanRan,WeiNiuJiao
Instructor:
Yan-PingLi,HouGuicheng
Abstract:
Thedigitalfrequencymeterisadecimalfiguresshowthenumberofmeasuredsignalfrequencymeasuringinstruments.Typically,useoftheoscilloscopecanberoughlymeasuredthefrequencyofthemeasuredsignal,accuratelymeasurenecessarytousedigitalfrequencymeter.Itsbasicfunctionistomeasurethesinusoidalsignal,squarewavesignal,sharppulsesignal,andvariousotherchangesinthephysicalquantityperunittime.Frequencyisinunittime(1s)signalswithinthefrequencychangesperiodically.Ifagiven(1s)signalwaveformwithinthetimecount,andcounttheresultsaredisplayed,youcanreadthemeasuredsignal.Keywords:
digitalfrequencycountercountingthefrequencyofmeasuringsignal.
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