电子技术课程设计 数字频率计.docx
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电子技术课程设计数字频率计
1选题背景
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波,方波或其它周期性变化的信号。
本课题要求设计一个测频范围为1~9999Hz,精度为1Hz,能够测量正弦波信号频率的电路,并用数码管显示测频结果,且有超量程显示。
1.1指导思想
所谓频率,就是周期性信号在单位时间(1秒)内变化的次数。
若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N,则其频率可表示为:
f=N/T
被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号,其频率与被测信号的频率相同。
时基电路提供标准时间基准信号,其高电平持续时间t=1s,当1秒信号来到时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门,计数器开始计数,直到1秒信号结束时闸门关闭,停止计数。
若在闸门时间1秒内计数器计得的脉冲个数为N,则被测信号频率为NHz。
1.2方案论证
1.2.1时基电路方案
方案一:
采用555时基电路产生脉冲
图中
=(
+
)Cln2
占空比q=
/T=(
+
)/(
+2
)
选用
=4.8KΩ,
=9.6KΩ可得到占空比为q=0.6,
=0.998s的振荡信号,即可作为持续约1秒高电平的闸门信号。
该方案的缺点是高电平的持续时间不够精确,且器件本身性能及温度等条件也对其有较大影响,故将产生较大误差。
图1-2-1555电路
方案二:
采用晶振产生精确的脉冲
选用32768Hz晶振经过CD4060的14次二分频产生精确的2Hz占空比50%的信号,再通过两次JK触发器进行2次二分频产生0.5Hz的占空比50%方波信号,即可作为持续1秒高电平的闸门信号。
并且每个JK触发器可获得一对电平反向的信号,可为后面置位与清零信号的组合逻辑提供更多的选择,使设计更为简单。
综合考虑,方案二不仅精度高,稳定性好,而且可提供更多信号作为为后面组合逻辑的输入信号,故采用方案二。
1.2.2测频单元方案
方案一:
测周期法
需要有标准的信号频率
,在待测信号的一个周期
内,记录标准频率的周期数
则被测信号的频率为
/
。
这种方法的计数值会产生
1个字的误差,并且测试精度与计数器中记录的数值
有关,为了保证测试精度,此方法仅适用于低频信号的测量,因此不适合作为频率记的测量方法。
方案二:
测频率法
由时基电路产生周期为2s的方波信号,使用其中的半个周期,即
秒的高电平作为闸门时间,记录被测信号的周期变化数
,则被测信号的频率为
,可以测量较高频率的信号,误差为
Hz。
方案三:
等精度测频法
等精度测频法是在直接测频的基础上,其闸门时间不是固定的值,而是被测信号周期的整数倍,即与被测信号同步,这就消除了对被测信号计数所产生的
个字的误差,而且达到了在整个频率段的等精度测量。
在一次预置门的闸门时间
内对被测信号计数,记录其变化的周期数是
,同时对标准信号的变化周期数计数,其计数值为
,又有
,那么可得所测信号的频率为
。
综合考虑,方案三虽然精度高,但是需要用到乘法器与除法器,用分立的数字芯片较难实现,而方案二完全满足本实验要求,故采用方案二。
1.3基本设计任务
基本要求:
(1)测频范围为1~9999Hz,精度为1Hz。
(2)用数码管显示测频结果。
(3)当信号频率超过规定的频段时,设有超量程显示。
测试条件:
在输入信号峰值为0.1V的情况下测试。
1.4发挥设计任务
扩大频率计的测频范围(超量程换档)。
1.5电路特点
本设计依据有限状态机的设计原理对内部信号进行分析后设计出能够自动切换量程的状态机控制器,且全部由基本的数字电路芯片实现,并达到相对智能效果。
2电路设计
2.1
总体方框图
图2-1总体方框图
2.2工作原理
待测信号输入到放大整形电路,变换成为数字电路可识别的数字信号,再经预分频电路分频成为合适频率的信号后由闸门信号控制其输出到计数器的时间。
闸门由0.5Hz占空比50%的方波信号的高电平控制,且产生周期的锁存和清零信号至计数器及相关电路。
计数及显示电路将计数值经译码、驱动器由数码管显示所测信号的频率值,并可对计数器清零和对显示值锁存。
状态机为mealy型状态机,根据计数器的进位信号和当前量程判断是否需要切换量程,从而控制预分频电路的分频比,实现量程的自动切换。
3各主要电路及部件工作原理
3.1时基电路
如图(3-1-1)所示,为CD4060的典型晶振电路,其中电阻、电容、和晶振参数如图(3-1-2)所示,经振荡整形后产生稳定的32768Hz占空比50%的方波信号,在经过CD4060内部的14次2分频即可得到2Hz的方波信号,然后经过2级JK触发器二分频最后得到标准的0.5Hz信号。
最后得到的时序图如图(3-1-3)。
图3-1-1CD4060典型晶振电路
图3-1-2时基电路
图3-1-3时序图
此频率计设计为2秒刷新一次,其中
高电平作为闸门持续1秒,此时允许计数器计数,闸门关闭后禁止计数;而此时LOAD信号触发CD40100锁存之前的计数值并使数码管显示计数值,即待测信号的频率;一个CLK0时钟后,
产生不同电平的清零信号供不同芯片的清零需要。
CLR和LOAD信号表达式:
3.2待测信号预分频电路
本设计要求基本测频范围为1~9999Hz,而且要具有量程切换的功能,而本设计为4种量程,最小为10KHz和最大10MHz(实际为9.999KHz~9.999MHz),使用常用芯片CD4017设计3级十分频的预分频电路,即可将频率减小为10~1000倍,4选一芯片74HC253通过A、B端选择需要送入计数器的信号送至CD40110增计数端,即可实现测频。
这样设计做不仅电路较为简单而且更加稳定,实测频率可达到10MHz以上。
电路如图(3-2)
图3-2待测信号预分频电路
3.3CD40110驱动数码管
为了使数字频率计所测频率值显示稳定,且显示正确,需要硬件有以下功能:
带计数使能端和清零端的十进制计数器、带锁存功能的数码管驱动芯片。
可以选择74HC160与CD4511的组合实现以上功能,但共需要8个芯片,而本设计选择CD40110,真值表如图(3-3-1),其功能有十进制加减计数器、图3-3-1CD40110真值表
7段
数码管驱动、锁存显示、异步清零、计数使能,可见完全满足本设计要求,并且只用4个芯片就可以实现前面所提到的8个芯片的功能。
如图(3-3-2)为CD40110计数与驱动数码管的电路。
如时基电路中图(3-1-2)所示的时序产生的
、CLR、LOAD分别作为CD40110的计数使能、清零、锁存信号,而Signal2作为经过预分频的待测信号输入端。
而其中有三个数码管的小数点位,即H起不同量程时的指示作用。
而CD40110的高2位进位信号CL和CH分别输出至量程转换状态机作为输入信号。
图3-3-2数码管驱动电路
3.4前级放大整形电路
设计任务的测试条件是输入信号峰值为0.1V的正弦波信号,如图(3-4)为放大整形电路,输入信号由接插件P2输入,经放大器放大50倍产生峰值为5V的正弦波信号,然后经过74HC04整形输出Signal信号至预分频电路。
图3-4前级放大整形电路
3.5四量程自动切换状态机
本设计的状态转换由如图(3-5-1)所示电路完成。
每2秒前级JK触发器经CLR信号清零,若高2位计数器CD40110有进位信号CL或CH,则会将相对应的JK触发器置1,其中L代表CL对应JK触发器置1,H代表CH对应JK触发器置1。
CLR2可以将状态清零,状态机输出Q1和Q0即为当前时刻的状态指示,用作预分频时的时钟选通,和量程指示灯的指示。
现在分析L和H所代表的意义。
L为高电平代表计数器第三位有进位信号,而H为高电平则代表计数器第四位有进位信号,则可知,当H=1时,相当于超过当前量程,需要频率计转换到更高一级的量程,而且此时L必定为1;当H=0且L=0时,说明当前量程较大,需要减小量程;而当H=0,L=1时,则说明当前量程合适不需要转换量程。
而当CLR2=0时则强迫状态机还原到初始状态。
图3-5-1四量程自动切换状态机
再进行状态分配,前面提到本设计为4种量程,分别是10KHz,100KHz,1000KHz,10MHz,设初始状态为10KHz,按格雷码分配各个状态,则各状态分别代表:
00:
10KHz,01:
100KHz,11:
1000KHz,10:
10MHz,预分频电路中信号分配和信号选通也按照上述状态进行分配。
而数码管小数点也对应频率计量程进行分配(如图(3-3-2)):
第4位小数点:
10KHz与10MHz,第3位小数点:
100KHz,第2位小数点:
1000KHz。
如图(3-5-2),而当DS1亮时所显示的数字单位为MHz,DS2亮时代表KHz,这样所有的量程就可以被数码管的小数点和两个单位指示LED所区别,且有较好的可读性。
状态信号Q0、Q1由74HC74进行保存,并且每2秒由LOAD信号产生的上升沿,将新的状态锁存到74HC74。
状态机状态转化图如图(3-5-3)。
输入信号为L、H和CLR2,输出信号为Q1,Q0。
对应卡诺图如图(3-5-4)所示。
图3-5-2单位指示灯
图3-5-3状态机状态转化图3-5-4卡诺图
经过化简可得:
可以看出Q1次态表达式较为简单,可以用门电路简单实现,而Q0次态比较复杂,有四种输入信号,在此采用74HC253实现4输入组合逻辑电路,而因74HC253不同于74HC153,其输出为三态输出,故两个输出端可以直接相连并作为输出信号。
观察电路图可以看到,用此方法不仅实现了较为复杂的组合逻辑,而且电路也较为简单。
4原理总图
图4-1数字频率计工作原理图
5元器件清单
元器件
数量
元器件
数量
CD4060
1
LM358
1
CD4027
2
一位数码管
共阴*4
CD4017
3
晶振
32.768K*1
CD40110
4
0805排阻
330R*8
74HC74
1
LED
3
74HC04
1
微动开关
2
74HC08
1
电阻
1K*3,2.2K*2,10K*1,5.1K*2,100K*1,10M*1
74HC14
1
30p电容
2
74HC20
1
9013
1
74HC32
1
9012
1
74HC253
2
6调试过程及仿真结果
6.1仿真测试
为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。
1.闸门信号及清零置位信号的仿真图,如图(6-1-1)、图(6-1-2)
图6-1-2清零置位信号仿真图图6-1-1闸门信号仿真图
2.整体功能测试,如图(6-2-1),波形
(1),
(2),(3),(4)设置的频率分别为1.111KHz、22.22KHz、333.3KHz、4.444MHz,当处于不同的档位时,频率计自动切换量程且数码管输出不同的数值表示当前的档位的频率值,如图(6-2-2),其中左边三个LED表示其对应左部的数值的小数点,右边两个LED表示当前频率的单位,仿真结果完全正确。
图6-2-1仿真输入信号
6-2-2全量程频率测试仿真图
6.2通电前检查
电路安装完毕后,经检查电路各部分接线正确,电源、元器件之间无短路,器件无接错现象。
6.3通电检查
将各个模块之间的线路断开,逐级检测各模块,没有问题后将输出信号连至下一级,进行下一级的调试,直到所有模块通过测试,调试完成。
6.3.1晶振的调试
用示波器观察晶振是否起振,接着观察两级JK触发器输出、清零和锁存输出是否与仿真结果相同。
调试成功后将闸门信号、清零信号、显示锁存信号与计数器相连进行下一步调试。
6.3.2数码管的调试
使用信号发生器产生10KHz以下,幅值为5V的方波信号使计数器计数,观察数码管显示是否显示正确、稳定,更改频率值观察数码管输出是否能跟随频率变化。
6.3.3预分频单元电路的调试
调试预分频电路,给定一较大的频率信号,用示波器观察各计数器输出端是否每级都为十分频,测试成功后将选择器输出接至频率计数器的计数输入端。
6.3.4放大电路的调试
给放大电路输入幅值为0.1V的正弦波信号,观察运算放大器输出信号幅值是否放大50倍,并测量整形后的输出信号是否为稳定的方波信号。
调试成功后输出接至预分频电路输入端。
6.3.5整机调试
将状态机的电路输入输出分别接到对应节点上,根据测量要求上电测试观察频率显示是否正确、稳定,频率计是否能够自动切换量程,复位按键能否复位。
若无问题则说明调试成功,否则说明状态机电路焊接有问题,需要重新检查电路,排查问题后再上电测试直到测试成功。
6.4结果分析
当接通电源输入不同频率的信号时,本电路能够准确显示待测信号的频率值,精度为0.1级,且能够稳定的转换频率计量程,完全符合设计要求。
7小结
在此次课程设计之前,虽然数模电的课程设置了较多的实验用于学生练习,但实验过程相对简单,只需连线即可,且对知识的掌握也不够透彻。
而此次课程设计不仅让我们巩固了书本上所学的知识,激发了我们的创新探索精神,增强了我们发现问题和解决问题的能力,更锻炼了我们的动手能力,使我们在各个方面都有进步。
1.总体电路的设计。
以往我们进行的电路实验设计通常都是简单的功能电路,很少完成过复杂的组合时序数字电路设计。
这次要完成这样一个稍大规模的电路,要理清各部分电路间的逻辑关系便是第一个问题。
在翻阅了一些参考资料之后思路逐渐清晰起来。
2.部分电路的设计。
电路排错的过程中,我们根据理论对各个部分的电路都进行了仿真验证无误,这保证了电路的正确。
3.调试过程极大地锻炼了我们的动手能力及分析问题的能力,相信会对我们以后的学习乃至工作都将有很大帮助。
最终,我们完成了此次课程设计。
感谢学校和老师给我们提供这个机会。
8设计体会及今后的改进意见
8.1体会
经过此次课程设计,自己动手参与实践的各个环节,我深刻地体会到理论知识是实践的基础,同时经过动手实践又会加深我们对理论知识的理解。
有了扎实的理论知识,才会拿出合适的方案,在后期调试的过程中也会得心应手,出现错误后也会很快分析出产生错误的可能原因,找到正确的解决办法。
而这个分析和解决过程又在无形中加深了我们对理论知识的认识。
总之,此次课程设计不仅让我们进一步巩固了所学的知识,也锻炼了我们的实践动手能力,对我们有很大帮助。
8.2本方案特点及存在的问题
方案特点:
本设计采用数字电路芯片实现自动切换量程的功能。
存在的问题:
复位信号设置不够全面,当频率大范围突变时会产生使触发器锁死,影响频率计功能
8.3改进意见
1.采用频带较宽的运算放大器。
2.将运算放大器放大倍数也通过状态机设计为程控型,即可大大提高本设计的使用范围。
参考文献
【1】阎石.数字电子技术基础(第五版).高等教育出版社.2006
【2】童诗白、华成英.模拟电子技术基础(第四版).高等教育出版社.2006
【3】王金刚.数字系统设计与VerilogHDL.电子工业出版社.2009
【4】李志健.数字电子技术基础实验任务书.陕西科技大学教务处.2007
【5】党宏社.电路、电子技术实验与电子实训.电子工业出版社.2008
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