南京邮电大学课程设计报告简易数字频率计步骤详细.docx
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南京邮电大学课程设计报告简易数字频率计步骤详细
第一章技术指标
整体功能要求
系统结构要求
电气指标
扩展指标
设计条件
第二章整体方案设计
算法设计
整体方框图及原理
第三章单元电路设计
时基电路设计
闸门电路设计
操纵电路设计
小数点显示电路设计
整体电路图
整机原件清单
第四章测试与调整
时基电路的调测
显示电路的调测
4-3计数电路的调测
操纵电路的调测
整体指标测试
第五章设计小结
设计任务完成情形
问题及改良
心得体会
第一章技术指标
1.整体功能要求
频率计要紧用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。
其扩展功能能够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下图。
图中被测信号为外部信号,送入测量电路进行处置、测量,档位转换用于选择测试的项目------频率、周期或脉宽,假设测量频率那么进一步选择档位。
数字频率计整体方案结构方框图
3.电气指标
被测信号波形:
正弦波、三角波和矩形波。
测量频率范围:
分三档:
1Hz~999Hz
~
~
测量周期范围:
1ms~1s。
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)。
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~的精度均为+1。
5.设计条件
电源条件:
+5V。
可供选择的元器件范围如下表
型号
名称及功能
数量
CD4093
具有施密特触发功能的四2输入与非门
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
7400
四2输入与非门
2片
CD4029
4位二进制/十进制加减计数器
3片
C392
数码管
3片
4017
十进制计数器/脉冲分配器
1片
4511
4线-七段所存译码器/驱动器
3片
74132
四2输入与非门(有施密特触发器
1片
10K电位器
1片
电阻电容
若干
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。
第二章整体方案设计
算法设计
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。
可依照这一概念采纳如图2-1所示的算法。
图2-2是依照算法构建的方框图。
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。
改闸门信号操纵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抵达后面的计数电路(计数电路用以计算被测输入信号的周期数),当1s闸门终止时,闸门再次关闭,现在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直接相关,因此,为保证在1s内被测信号的周期量误差在10̄³量级,那么要求闸门信号的精度为10̄⁴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10̄⁴,闸门信号的误差不大于,固由此造成的计数误差可不能超过1,符合5*10̄³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情形下,计数器误差的绝对值会增大,可是相对误差仍在5*10̄³范围内。
整体方框图及原理
输入电路:
由于输入的信号能够是正弦波,三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波,因此需要设计一个整形电路那么在测量的时候,第一通过整形电路将正弦波或三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情形。
因此在通过整形之前通过放大衰减处置。
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假设不能驱动后面的整形电路,那么调剂输入放大的增益,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成脉冲信号(矩形波或方波),送入闸门电路,等待时基信号的到来。
时基信号由RC振荡电路组成一个较稳固的多谐振荡器,经4093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刻。
被测信号通过闸门,作为计数器的时钟信号,计数器即开始记录时钟的个数,如此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.测量周期的方式与测量频率的方式相反,即将被测信号经整形、二分频电路后转变成方波信号。
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刻,在闸门导通的时刻里,计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。
计数器累计的结果能够换算出被测信号的周期。
历时刻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4093、RC组容件组成多谐振荡器,其两个暂态时刻别离为
T1=(Ra+Rb)CT2=
重复周期为T=T1+T2。
由于被测信号范围为1Hz~1MHz,若是只采纳一种闸门脉冲信号,那么只能是10s脉冲宽度的闸门信号,假设被测信号为较高频率,计数电路的位数要很多,而且测量时刻太长会给用户带来不便,因此可将频率范围设为几档:
1Hz~999Hz档采纳1s闸门脉宽;~档采纳闸门脉宽;~档采纳闸门脉宽。
多谐振荡器经二级10分频电路后,可提取因档位转变所需的闸门时刻1ms、、。
闸门时刻要求超级准确,它直接阻碍到测量精度,在要求高精度、高稳固度的场合,通经常使用晶体振荡器作为标准时基信号。
在实验中咱们采纳的确实是前一种方案。
在电路中引进电位器来调剂振荡器产生的频率。
使得能够产生10kHz的信号。
这对后面的测量精度起到决定性的作用。
计数显示电路:
在闸门电路导通的情形下,开始计数被测信号中有多少个上升沿。
在计数的时候数码管不显示数字。
当计数完成后,现在要使数码管显示计数完成后的数字。
操纵电路:
操纵电路里面要产生计数清零信号和锁存操纵信号。
操纵电路工作波形的示用意如图2-5.
第三章单元电路设计
时基电路设计
图3-1时基电路与分频电路
它由两部份组成:
如图3-1所示,第一部份为4093组成的振荡器(即脉冲产生电路),由于标准时基信号即1KHz在本电路设计中产生于4518的第一次分频,因此由RC振荡电路与4093需要产生10KHz的方波,咱们通过电位器调剂并用示波器观测能够大体产生10KHz的标准信号。
第二部份为分频电路,要紧由4518组成(4518的管脚图,功能表及波形图详见附录),因为标准时基信号
是1000Hz的脉冲,也确实是其周期是,而时基信号要求为、和1s。
4518为双BCD加计数器,由两个相同的同步4级计数器组成,计数器级为D型触发器,具有内部可互换CP和EN线,用于在时钟上升沿或下降沿加计数,在单个运算中,EN输入维持高电平,且在CP上升沿进位,CR线为高电平常清零。
计数器在脉动模式可级联,通过将Q³连接至下一计数器的EN输入端可实现级联,同时后者的CP输入维持低电平。
如图3-2所示,4093与RC振荡电路产生的10kHz的信号通过四次分频后取得4个频率别离为1KHz、100Hz、10Hz和1Hz的方波。
图3-210kHz的方波分频后波形图
闸门电路设计
如图3-3所示,通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。
74151的CBA接拨盘开关来对选频进行操纵。
当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz;当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz;当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz;那个地址咱们以输出100Hz的信号为例。
分析其通过4017后显现的波形图(4017的管脚图、功能表和波形图详见附录)。
4017是5位计数器,具有10个译码输出端,CP,CR,INH输入端,时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能,对输入时钟脉冲上升和下降时刻无穷制,INH为低电平常,计数器清零。
100Hz的方波作为4017的CP端,如图3-3,信号通过4017后,从Q1输出的信号高电平的脉宽恰好为100Hz信号的一个周期,相当于将原信号二分频。
也确实是Q1的输出信号高电平持续的时刻为10ms,那么那个信号能够用来导通闸门和关闭闸门。
图3-3闸门电路
图3-44017输入100Hz信号和Q一、Q2的信号波形
操纵电路设计
通过度析咱们明白操纵电路这部份是本实验的最为关键和难弄的模块。
其中操纵模块里面又有几个小的模块,通过操纵选择所要测量的东西。
比如频率,周期,脉宽。
同时操纵电路还要产生4029预置数信号(也能够称为清零信号,因为本设计预置数为零,能够达到清零的成效),4511的锁存信号。
图3-5操纵电路设计
操纵电路。
计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。
当74153的CBA接00一、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。
当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。
当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。
图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PE端输入波形、4511锁存端波形图。
其中第一个波形是PE的波形图、第二个是CP端输入信号的波形图、第三个是锁存信号。
PE是高电平的时候计数器预置数为零,能够达到清零的成效。
依照图得知在计数之前对计数器进行了预置数为零即起到清零作用。
依照4511(4511的管脚图和功能表详见附录)的功能表能够明白,当锁存信号为高电平的时候,4511不送数。
若是不让4511锁存的话,那么计数器输出的信号一直往数码管里送。
由于在计数,那么数码管上面一直显示数字,由于频率大,那么会发觉数字一直在闪动。
那么通过锁存信号能够实现计数的时候让数码管不显示,计完数后,让数码管显示计数器计到的数字的功能。
依照图能够看到,当CP输入的一个周期信号通过以后,现在4511的LE端的输入信号也恰好抵达下降沿。
图3-64029计数器PE信号波形、CP端输入波形、4511锁存端波形图
图3-6,是测量被测信号频率是500Hz的频率的图。
时基电路产图中电路10K的信号通过度频后选择的是100Hz的信号为基准信号。
那么那个电路实现测量频率的范围是~的信号的频率。
同时操纵电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。
当CBA的取必然的值,电路实现必然的测量功能。
小数点显示电路设计
在测量频率的时候,由于分3个档位,那么在不同的档的时候,小数点也要随着显示。
比如CBA接011测量频率的时候,它所测信号频率的范围是~,那么在显示的时候三个数码管的第二个数码管的小数点要显示。
CBA接010测量频率的时候,它所测信号频率的范围是~,那么显示的时候,最高位的数码管的小数点也要显示。
对照一下两个输入的高低电平能够发觉CA位不一样,显示的小数点就不一样。
咱们能够想到能够通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。
具体的实现方式见图3-7所示。
图3-7小数点显示电路(9端接最高位小数点,7端接次高位小数点)
整体电路图
图3-8整体电路图
整机原件清单
元件
数量
元件
数量
CD4093
一片
7404
一片
10KΩ
三个
4518
两片
7400
两个个
拨盘开关
一个
10K电位器
一个
4017
一片
74151
一片
CD4029
三片
74153
两片
4511
三片
LED灯
一个
数码管
三个
μF电容
两个
保护电阻
四个
导线
若干
5V直流电源
一个
第四章测试与调整
时基电路的调测
第一调测时基信号,通过4029、RC阻容件组成多谐振荡器,把振荡器产生的信号接到示波器中,调剂电位器使得输出的信号的频率为10KHz。
同时输出信号的频率也要稳固。
测完后,下面测试分频后的频率,别离接一级分频、二级分频、三级分频、四级分频的输出端,测试其信号。
测出来的信号频率和理论值很接近。
由于是将示波器的测量端别离测量每一个原件的输出端。
下面我在实验中把74151和拨盘开关接好,通过拨盘开关来操纵74151的输出信号,把示波器的测量端接74151的输出端。
在CBA取三个不同的高低电平常,取得三个不同频率的信号。
具体的波形图见图3-2所示。
那个地址就再也不重复了。
如此,时基电路这部份就测试完毕,没有问题了。
显示电路的调测
由于在设计进程中,操纵电路这部份比较难,要花时刻在上面设计电路。
为了节约时刻,我在课程设计的进程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
第一是对数码管(数码管的管脚图和功能表详见附录)的显示进行了调测。
图4-1显示电路调测连接图
如图4-1所示接好显示电路(那个地址就只给出一个数码管说明一下)。
然后将4511的5端接地。
然后给4511的6217端别离接高低电平,数码管就会显示对应的数字。
比如6217别离接1000,那么数码管就对应显示数字8.一样,还有两个数码管也按上图接好。
接好后的测试方式同上。
如此,显示电路也就弄好了。
4-3计数电路的调测
图4-2计数电路调测连接图
计数电路依照图4-2所示连接好,将4029的PE端接低电平,3个4029级联,组成异步十进制计数器。
同时4511的5端要接0,在调测的进程中,我忘记将其置零,致使在后面数码管一直不显示数字。
接好后,给最低位的4029一个CP信号。
让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。
如此,计数器就开始计数了。
数码管从000~999显示。
计数电路就如此弄好了。
在调测的进程中,4029的PE端,4511的5端都是用临时的线连接。
因为在后面这些端都是连接操纵电路产生预置数零、锁存信号的输出端。
操纵电路的调测
图4-3操纵部份电路
操纵电路的连接图如图4-3所示,其中两个74153的BA端别离接了01,4017的输入的CP的频率是100Hz,现在的功能是测量范围是~。
图4-4操纵电路的三路要紧信号(置数端、CP端、锁存端信号)
由调试波形能够明白电路设计是正确的。
这部份是测量频率的功能。
同时操纵电路还要实现测量周期和脉宽的功能,在前面已经说明的如何测量周期的算法,它的方式恰好和测量频率的相反,测频率的时候时基信号作为闸门信号,而测量周期是将被测信号作为
图4-5测量周期连接图(部份)
测量周期的时候只需将74153的CBA置100就能够够实现了。
当74153的CBA为100的时候,74153的1Y输出的信号为1KHz的标准时基信号与4017输出的信号相与的结果,它产生的是信号是被截取为一个闸门宽度的方波,那个信号作为4029的CP信号。
依照图4-5能够明白74151的输出的信号是被测信号fx,通过4017后的输出信号信号Q0、Q一、Q2的脉宽恰好为fx的周期,那个原理在前面测量频率部份已经介绍过,那个地址就再也不重复了。
其中Q0作为4029的PE的预置数端信号,在Q0为高电平常,4029的四个输入端预置数为零,表示计数器从零开始计数;Q2信号非一下,就能够够作为4511的锁存信号,时候计数器计数。
PT在闸门导通的时刻,即PT一直为高电平的时候,计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。
计数器累计的结果能够换算出被测信号的周期,历时刻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为时钟信号周期。
依照Ts=1ms,N=50.能够明白被测信号的周期为50ms,在电路中咱们给出被测信号的频率为20Hz。
那么测量的结果和理论值是一样的。
以上是对被测信号周期测量的部份。
调测进程中电路的输入输出波形图见图4-6,其中的操纵计数器计数的原理和测量频率所用的方式一样。
图4-7测量周期波形别离为被测信号、4029PE信号、4029CP信号、4511锁存信号
最后是测量脉宽部份的调测。
测量脉冲宽度的原理与测量周期的原理十分相似。
所不同的是,它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时刻。
在闸门导通的时刻内,测量时基信号的重复周期,并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。
如下图4-7所示,与图4-6对照一下,会发觉CP端信号的脉宽为4-6图中对应的波形脉宽的一半。
那么最终数码管显示的数字应该是25.实际的测量值也与理论值超级接近。
那么到此,整个操纵电路部份实现的操纵功能都已经实现了。
到那个地址,会发觉操纵电路那个模块在那个课程设计中占的分量。
也是整个设计进程的精华所在。
把操纵电路这部份弄定,那么本次的课程设计也就大体完成了。
图4-7测量脉宽波形别离为被测信号、4029PE信号、4029CP信号、4511锁存信号
整体指标测试
被测信号频率周期脉宽的测量
档位测量范围被测信号频率测量值
0011Hz~999Hz200Hz201Hz
011~
010~
100测量周期20Hz50ms
101测量脉宽20Hz25ms
第五章设计小结
设计任务完成情形
通过为期两周的课程设计,在教师的指点与帮忙下我顺利的完成了这次设计。
在开始设计之前,我依照资料提供的算法与芯片用途用proteus仿真软件专门快把计数部份与显示部份弄定,但操纵部份临时还不太清楚。
为了能够及时跟上进度,我先把计数与显示部份在面包板上硬件实现,确认这部份模块没有问题后,我用了两天时刻来研究设计的操纵部份,最后通过量次仿真与调试,确信了方案可行性,进而有条不紊的在硬件上实现操纵模块的各部份功能,在最后硬件调试的时候专门快就实现了整个设计的所有功能,而且很快乐测量的误差很小,尤其是在测量较小频率时,测量结果能够与函数发生器同步。
问题及改良
本次设计尽管比较顺利,但其中显现的许多小问题仍是能让自己值得反思。
最突出的是我的板面设计问题,整个板面压线太多,阻碍美观,是自己没有注重全局把握而造成,致使在后面连接操纵线的时候整个版面显得加倍凌乱,以后再做类似设计的时候必然要做一个全局的可能模型,如此才会达到完美成效;第二,产生基准信号的振荡电路也能够由555按时器设计,若是想要产生加倍精准稳固的信号能够用晶振电路来设计,本次设计用了学校提供的4093芯片,它由四个2输入端施密特触发器组成,关于本设计来讲4093也足够用了;还有在计数器部份,也能够利用咱们加倍熟悉的74160芯片,学校给咱们换成了4029芯片,他们两个最大的区别在于4029没有清零端,而那个清零端正是操纵部份需要的重要信号输入端,若是没有的话那么就无法测量出信号频率、周期、脉宽,可是别忘了4029一样有预置数端口,在4029的四个输入端接地同时在预置端口PE高电平的时候表示计数器从零开始,一样达到了清零的成效,个人以为这是整个设计的关键部份之一,不仅考察你是不是了解整个设计算法,还要把设计所给的芯片功能精通把握;在分频电路中,关于这部份模块咱们能够专门好的利用示波器进行检测,因为他的信号是一级接一级的,很有规律,在测试开关与4017芯片好坏时候咱们都能够利用其信号规律去排查线路缘故;最后在主控部份,我想了很长时刻外加参考资料才把其中原理摸清楚,那个部份是整个设计的核心,他就比如电脑的CPU,把送进来的信号处置以后再送出去,若是在那个部份模棱两可的话很容易致使通盘崩溃,而且各类问题大体都是在那个地址产生,在那个地址我要紧利用了一片4017与两片74153进行操纵,在测量频率的时候,通过4017的信号具有脉宽为基准信号的一个周期特点,选取其中Q1的输出信号与被测信号进行相与,能够取得具有闸门宽度的被测信号,然后当Q0通过4029,即对其进行预置数零后,具有一个闸门宽度的被测信号看成CP进入4029,4029在CP作用下进行上升沿计数,现在4511的锁存端为Q3的非,处于锁存状态,计数完成后,4511解除锁存,把信号送给译码器,同时数码管被点亮,同理,测量周期与脉宽也是大同小异,那个部份的设计方式不单单只有一个,咱们能够依照这几个主控信号的特点选用适合的芯片,令其产生咱们所需要的信号,也会专门好的取得咱们所需,由于个人能力有限,仅仅弄清楚这一个方式,但也一样收成很多。
本次设计没有设计被测信号的整形电路,降低了难度,若是要设计的话还需用到施密特触发器来进行整形,若是有足够的时刻的话,我想那个部份应该不算太难。
在最终验收的时候数码管显示与实际相差专门大,后来陈教师发觉我没有把被测信号调为方波,致使进入的信号脉宽不定,设置为方波后专门快就好了,这也暴露了我的理论知识不足,被测信号本来就应该被整形为方波,而我却天真的以为正弦波也能够。
心得体会
尽管课程设计仅仅只有两周的时刻,可是我在实验室的这十几天收成了课堂上所不能学到的知识,从原理电路的proteus进行仿真,再到硬件上进行面包板的设计,我真真切切的体会到了做一个完整设计的进程。
这两个礼拜中,有排查不出问题的困惑与急躁,也有柳暗花明时的喜悦与感慨,有与同窗们一路设计时的欢乐与新鲜,也有与教师讨论问题时的顿悟与兴奋、、、整个进程超级成心义,不仅加深了咱们对过去所学知识的明白得,也使同窗们之间成立了互帮合作的团结情感,这让咱们没有浪费在实验室的每一秒每一刻。
最后超级感激陈教师的悉心指导,每次有问题时陈教师都会详细解答缘故,这让我收成颇丰,超级感激。
附录
CC4518十进制同步加/减计数器
简要说明
CC4518为双BCD加计数器,该器件由两个相同的同步4级计数器组成。
计数器级为D型触发器。
具有内部可互换CP和EN线,用于在时钟上升沿或下降沿加计数。
在单个单元运算中,EN输入维持高电平,且在CP上升沿进位。
CR线为高电平常,计数器清零。
计数器在脉动模式可级联,通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联。
同时后者的CP输入维持低电平。
4518管脚图
4518功能表及波形图
CC4017------十进制计数器/脉冲分派器
简要说明:
CC4017是5位Johnson计数器,具有10个译码输出,CP,CR,INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能,对输入时钟脉冲上升和下降时刻无穷制,INH为低电平常,计数器在时钟上升沿计数;反之计数功能无效。
CR为高电平常,计数器清零。
Johnson计数器提供了快速操作,2输入译码选通和无毛刺译码输出,防锁选通,保证了正确的计数顺序。
译码输出一样为低电平,只有在对应时钟周期内维持高电平。
4017管脚图
4017功能表及波形图
CC45114线-七段所存译码器/驱动器
简要说明
CC4511是BCD-7段所存译码驱动器,在同一单片结构上由COS/MOS逻辑器件和n-p-n双极型晶体管组成。
这些器件的组合,使CC4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA的性能。
由此可直接驱动LED及其它器件。
LT、BI、LE输入端别离检测显示、亮度调剂、存储或选通一BCD码等功能。
当利用外部多路转换电路时,可多路转换和显示几种不同的信号。
4511管脚图
4511功能表
数码管的管脚图
数码码功能表
对应管脚
显示
7
C
4
E
6
小数点
5
D
1
G
10
A
2
F
9
B
0
0
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