自动换挡型1Hz-9.99KHz频率计(数电课设报告)Word下载.doc
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1、用555定时器产生1s的脉宽,然后通过十进制计数器在1s内对被测信号源实现计数功能,1s内的计数值即为对应的频率值,经计数器的输出端通过七段译码驱动管使数码管显示相应的频率值。
由于555定时器的微分电路可以由可调电阻构成,可以实现闸门时间的控制与调节,这样在测量更高频率范围时电路的改进就会很方便,但是由于微分电路的充放电时间不是很稳定,这样得到的闸门时间1s就不是很精确,
在1s内对频率的计数值与实际的频率值就有一定的误差。
2、由于只有三只数码管,当从999HZ上升到1KHZ以上时,三只数码管无法显示全部数值,因此要用相应的控制电路控制换挡,对被测信号源十分频,只显示千、百、十三位的数值而丢掉了个位的数值,同时将第三只数码管的小数点点亮,按KHZ读取数据。
方案二:
(也是完全采用数字电路芯片去完成)
1、为了得到1s的精确的闸门时间,我们可以采用石英晶体多谐振荡器,这样测量的频率值就比较接近实际值,但有一个缺憾就是如果要更换测量范围,就必须更换石英晶体多谐振荡电路,改进起来就会很麻烦。
2、译码器我们也可以采用74LS48,但由于74LS48内部有限流电阻而没有内部锁存器,结果显示时就不是那么稳定,产生1s闸门时间的555定时电路就要做相应的改进,闸门时间过后的低电平的时间就要延长,保证结果能稳定显示。
方案三:
(采用单片机方案)
1、我们采用定时/计数器T0工作于定时方式产生1s的精确的闸门时间,而采用定时/计数器T1工作于计数方式对外部被测频率信号实现计数。
将每次的计数结果分为高8位和低8位分别放入一个寄存器中。
2、对于自动换挡,我们需要一个比较转移指令
CJNERn,#date,NEXT
将每次的计数结果与999比较大小,分<
999、=999、>
999三种情况分别转向三个子程序执行相应的处理操作。
3、采用软件译码,用查表指令实现三个数码管的显示
最终给定的方案为方案一,下面我们将对方案一的原理作详细的说明
四、整体构思及系统框图
(1)基本原理
我们举一个很简单的例子:
若f=1Hz,则它的周期即为T=1s,那么在1s内就有1个脉冲
若f=2Hz,则它的周期即为T=1/2s,那么在1s内就有2个脉冲
……
若f=nHz,则它的周期即为T=1/ns,那么在1s内就有n个脉冲,若对这n个脉冲进行计数,计数值就是被测频率信号源的频率nHZ。
我们采用555定时器产生1s的脉宽,在这1s的脉宽内我们通过计数器对被测频率信号源计数。
由于要求只能用三位数字显示,当频率小于999HZ时,只需三个十进制的计数器就可以得到正确的计数结果;
当频率大于999HZ时,就需要四个十进制的计数器才能够得到正确的计数结果。
于是我们采用相应的控制电路,使被测频率经过四个计数器计数,只取高三位的数值,同时将第三位数码管的小数点点亮。
每次开始计数的时候,我们就用相应的控制电路让所有计数器的输出端全部清零,保证每一个闸门时间内计数器都是从0开始计数的。
被测信号
门控电路
自动换挡型频率计原理框图
分频器
计数、译码、驱动、显示
高位计数溢出
检测电路
分频、显示控制电路
(2)系统框图
五、设计中可能用到的芯片的使用说明
定时我们采用NE555定时器,计数我们采用十进制/二进制计数器DM74LS90,译码我们采用BCD—7段锁存译码器/驱动器CD4511,分频显示控制电路我们用到4与非门74LS00和双JK触发器74LS112。
(1)NE555定时器
NE555定时器芯片
将555的THR和TRI端两个输入端连在一起作为信号输入端即可得到施密特触发器。
施密特的输出端经电阻接到输入端,输入端经电容接地就可以得到多谐振荡器。
同样的道理,也可将555定时器接成如上右图所示的多谐振荡器。
振荡周期仅由C3和R2、R3所组成的充放电电路的充放电时间决定:
T=T1+T2=(R3+R2)Cln2+R2Cln2=(R3+2R2)Cln2(说明:
这里C=C3)
f=1/T=1/(R3+2R2)Cln2
(2)DM74LS90
74LS90芯片引脚图
74LS90的逻辑功能表
复位输入
输出
R01
R02
R91
R92
QD
QC
QB
QA
1
x
计数
由功能表可知:
当R01和R02都为1时,才具有清零功能,而当R01和R02中有一个为0时,清零都无效。
R91和R92的置9功能也是当R91和R92同时为1时置9才有效,而当R91和R92中只要有一个为0时置9都无效。
当置9和清零都无效时。
将输出端QA与B输入端相接,CLK从A输入端输入就实现十进制加计数功能。
(3)CD4511
4511芯片引脚图
4511的逻辑功能表
输入
输出
LE
BI’
LT’
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
8
消隐
2
3
4
5
6
7
8
9
锁存
锁存
LT——灯测试输入端,LT=“0”时,译码输出全为“1”,灯显示数字“8“
BI——消隐输入端,BI=“0”时,译码输出全为“0”,灯不显示任何数字。
LE——锁定端,LE=“1”时,译码器处于锁定(保持)状态,译码输出保持在
LE=“0”时的数值,LE=0时为正常译码。
A、B、C、D————BCD码输入端
a、b、c、d、e、f、g——译码输出端,输出“1”有效,用来驱动共阴极LED数码管。
(4)双JK触发器74LS112
JK触发器的逻辑功能表
输入
输出
SD’
RD’
CP
J
K
Qn+1
Q’n+1
⊕
↓
Qn
Q’n
↑
CLK端———为下降沿触发
SD’、RD’端——异步置数和异步清零端,当其中一个有效时,即为低电平0时,不管CLK脉冲是否到来,都执行相应的置数或清零操作。
J、K端——在SD’、RD’端均无效的情况下,CLK的下降沿到来时,若J=1、K=0则置1;
若J=0、K=1则清零;
若J=0、K=0则保持;
若J=1、K=1则翻转。
六、各部分定性说明以及定量计算:
(1)555定时电路01(用于产生被测频率信号源)
当THR和TRI端为低电平输入时,3脚Vo输出为高电平,Vo经R2、R1给电容C1充电。
T1=(R2+R1)C.·
ln2(说明:
这里C=C1=0.01uF)
当达到正向阈值电压时,Vo立刻跳变为低电平。
C1又经R2、R1给Vo放电。
T2=(R2+R1)C.·
ln2
于是T=T1+T2=2(R2+R1)C.·
ln2→→→f=1/T=1/2(R2+R1)C.·
由于R1已知,R2为可调电阻,调节R2即可以改变Vo输出的频率。
(2)555定时电路02(用于产生1S的闸门时间)
此电路是将DIS经R3//D1之后接到THR和TRI端,DIS的电平特性与3脚Vo完全相同。
THR和TRI端为低电平输入时,3脚Vo和7脚DIS均输出为高电平,DIS经R3、D1给电容C1充电。
T1=(R3//RD1正+R2+R1)C.·
当达到正向阈值电压时,DIS立刻跳变为低电平。
C1又经R3、D1给DIS放电,流经D1的为反向电流,D1可以视为开路。
T2=(R3)C.·
由于(R3//RD1正+R2+R1)>
>
(R3),故T1>
T2,即输出端Vo高电平持续时间1s远大于低电平持续的时间。
(3)微分电路
当与非门输入端有一个为0时,输出端为1,电容C1两端电压为0,而当输入端全为1时,输出端为0,由于电容C1两端的电压不能突变,故电容C1的右端与电阻相接的一端输出为0,但是这个低电平是不能长久的,电源Vcc经680欧的电阻R1给电容C1充电,一段时间之后,电容C1的右端又恢复高电平。
(4)计数电路
当1s的闸门时间开始的时候,输入的高电平经C2使计数器的清零端清零。
每次1s的闸门时间开始的时候都是这样实现清零。
由于1N4148的钳位作用,很快置零端又下降为低电平,置零信号很快就消失,允许计数器计数。
将QA接到CLKB的输入端,使74LS90构成十进制计数器。
当低位记到9时Q3=1,下一个计数脉冲到来的时候,计数器记满溢出,Q3由1→0,产生的下降沿正好可以作为高一位的CLK输入。
(5)自动换挡电路(分频切换和小数点控制)
起始的时刻,闸门时间内的高电平信号经3个与非门U7B、U6B、U2B后转化为低电平将JK触发器U4A置1,但很快5V电源又经680欧的电阻给电容C2充电,置一端很快又回到高电平,所以置一信号很快消失。
而在计数的过程中,若f>
100Hz,则最高位的Q0可能会为1,当Q0=1时经与非门U3B后为低电平,将JK触发器U4A清零,同理清零信号也很快消失。
即使Q0又变回0,JK触发器U4A的输出端Q也仍然为0,Q=0将与非门U5B封锁,使JK触发器U1A的清零端无效,同时也使译码器4511的消隐端无效,最高位的数码管正常显示。
(6)对整体电路的说明
本电路能测量1Hz—9.99KHz的方波信号,三位数字显示,1—999Hz显示单位为Hz、1KHz—9.99KHz显示单位为0.01KHz。
由U2及外围电路组成的门控电路,产生脉宽1秒的方波信号,控制U1A,让U12及外围电路组成的摸拟被测信号通过,单位时间的计数值即为被测信号频率。
由C2、R3组成的微分电路,在一个新的计数周期开始瞬间对上次计数结果清零
由U11B、U10C、U10D及两微分电路构成计数器高位“1”检测,即在一个计数周期,高位至少计一个数;
否则分频器U3没有必要接入。
每个计数周期开始后,U10C及微分电路首先通过U11B的SD端使U11BQ置“1”此时由于U10B的5脚为低电平,U11A的CD端不起作用。
在计数周期只要U6Q0端有一个“1”,U11BQ端就会清为“0”,U11A的CD端在计数周期都不起作用。
若在整个计数周期U6Q0端始终为零,U11BQ端保持为“1”,当计数周期结束时,U10B4、5脚均为高电平,U11A的CD端起作用,U11AQ端为“0”,U3输出“1”,即分频器U3不起作用(整个计数周期U6Q0端始终为零,说明分频器U3没有必要加入);
同时U10B使得U9的消隐端起作用,高位无效“0”不显示。
U11B本质是一个RS触发器。
为检测计数器高位是否溢出,将U6Q3作为U11A的时钟,当U6Q3由“1”→“0”时,U11AQ端的状态取决于当时J端状态,J=0,QN+1保持原状态,J=1,QN+1=1。
而J端的波形与U2Q相比延迟数微秒,其原因是:
每个计数周期开始时,都要对上一次计数清零,如果上一次计数周期高位计数值是8或者9(波形图上画出四个计数周期U6Q3可能的情况),就会产生虚假的溢出信号,J的波形保证清零时J=0,使清零时产生的假溢出信号得到抑制。
当U11AQ为“1”时U3作为十分频器接入电路,同时将高位数码管的小数点点亮。
列表说明如下:
情况说明
JK触发器U11B
与非门U10B
JK触发器U11A
备注
Q
4脚
5脚
6脚
Q’
f<
=999HZ时
闸门时间到来期间即555定时器U2输出端Q=1
若f<
100HZ,则Q=1
与非门U1B打开,计数器U3被置9。
若f>
=100HZ,则Q=0
闸门时间过去期间即555定时器U2输出端Q=0
最高位数码管消隐。
f>
999HZ时
当计数超过999HZ时,Q=0
当计数超过999HZ时被置1
与非门U1B被封锁,计数器U3开始计数。
闸门时间过去即555定时器U2输出端Q=0
与非门U1B被封锁。
七、组装调试中应该注意的问题
1检查印刷电路板有无断路、短路,若有,首先处理好。
2焊接顺序:
电阻、二极管、跳线、IC插座、电容器,逐一焊接。
先焊平面的,后焊立体的,原则是有利于焊接。
要求卧装水平、竖装垂直、相同元件等高。
要特别注意元器件的安装方向!
3焊接要点:
将元件整形后插入对应位置,电路板平放在台面上,一手握烙铁对焊盘和引脚同时接触预热,另一手持焊锡丝与焊盘处烙铁接触,使锡丝熔化,当锡丝熔化一定量时(多了不好少了不行),立即将锡丝离去,烙铁继续保持少许时间,让焊锡围绕焊盘自由流动,形成一个完全覆盖焊盘的钟形(忌讳球形)焊点。
切勿将焊锡先溶化在烙铁上再去焊接,这样锡丝里的助焊剂在未焊接前先挥发了,不利于焊接,而且焊点没有光泽。
4剪脚:
元件焊好后,将多余引脚剪掉,剪脚后的焊点应露出引脚0.5-1mm。
本课设要求引脚露出2mm,以利于元件重复使用。
5检查元件及IC插座有无错焊、漏焊,方向是否正确无误,将集成电路插入相应插座。
6将5V直流电源接入电路(TTL电路对电源要求很高,电压值和方向都不能接错!
)。
若发现元器件发热或者有异味,应立即切断电源检查。
7正常时数码管会显示所测信号频率,若不能则按以下步骤用示波器检查:
①被测信号输出是否正常;
②闸门控制电路是否正常;
③清零、锁存信号是否存在;
④计数器、译码器工作是否正常;
⑤当不能自动换挡时,应该重点检查计数溢出检测电路;
⑥调整闸门时间,使频率计正确测频。
八、设计心得体会
1、在焊电路板的时候一定要小心,因为PCB板内部有很多细小的连线,不小心的话就容易焊到一起去,最终就无法实现电路的功能。
2、对于CMOS电路,引脚不能悬空,原因有二:
其一,悬空输入端内部电流很大,容易使芯片发烫,容易烧坏芯片。
其二,悬空的引脚容易受到外界的干扰,本来该引脚可能是低电平执行灯测试操作,但悬空后可能该引脚就为低电平,数码管始终显示8而不随输入频率的变化而变。
3、对于f>
1KHZ的信号,我们通过对电路的理解发现,在一个闸门时间内无法得出正确的结果,只有在下一个1s闸门时间结束的时候,才能得到正确的显示结果。
还有一种情况就是上次测量的f>
1KHZ,而这次测量的f<
1KHZ的时候,也要经过两个闸门时间,在第二个闸门时间结束的时候,才能得到正确的显示结果。
但这些过程相对于我们的肉眼来说都很快,所以我们能够看到正确的结果。
九、参考文献
[1]张伟,张瑾,张明峰,李素双编,新编实用集成电路选型手册,
人民邮电出版社出版
[2]阎石主编,数字电子技术基础(第五版),高等教育出版社出版
[3]数字电子技术实验指导书武汉纺织大学电信学院编
附录1——对设计中可能会遇到的一些问题的思考
1、电路中有几处用到了微分电路D2的作用是什么?
不用可不可以,画出C2两端的波形图。
电路中共有7处用到微分电路,这些微分电路的功能分为2种。
第1种:
用于555定时电路,产生矩形波。
第2种:
用于产生瞬间的有用信号。
如下图所示:
2、分频器U3起作用的条件及被测信号流程(至U4)。
当f>
999HZ时且U11B的Q’为0时,分频器起作用。
被测信号流程如下:
f--→U1A--→U3的CLK0--→U3的Q3--→U1C--→U4的CLK0
3、U2、U12同为震荡器,在一个震荡周期中,调WR1、WR2改变了什么,周期T的表达式?
调WR1改变的是闸门时间和波形的占空比。
而调WR2改变的是信号源的频率,其占空比始终为50%。
U2的周期表达式为:
T=T1+T2=(R2//RD1正+WR1+R1)C.·
ln2+(R2)C.·
U12的周期表达式为:
T=T1+T2=2(WR2+R8)C.·
4、U10A及R4、C3的作用是什么?
画出U1D的输入及U10A的输出波形.
对U2所给信号的第二次反向。
5、若二极管D1接反,U2Q波形如何?
若D1接反,则电容的充电时间变长而放电时间变短,即U2Q输出的高电平时间变长,而低电平的时间变短。
T=T1+T2=(R2+WR1+R1)C.·
ln2+(R2//RD1正)C.·
6、当频率过KHZ后,小数点点亮,随后频率KHZ以下,但小数点不灭,问故障可能所在?
JK触发器U11A没有被清零。
7、译码驱动电路7448和4511管脚布置完全相同,分析两种芯片在本电路的应用,比较各自特点。
74LS48内部有限流电阻而没有内部锁存器,接数码管时不需外接限流电阻,但它的数码管数字显示不稳定,要相应延长闸门时间结束后的低电平的时间才能显示正确的结果。
它是TTL电路,引脚悬空相当于高电平。
4511内部有内部锁存器而没有限流电阻,接数码管时需外接限流电阻。
一般不存在数码管数字显示不稳定的问题,但有一点要注意,4511是CMOS电路,引脚不能悬空,未有接入电路的引脚要接使该引脚无效的电源或地。
8、电位器3296右旋时,②脚→③脚靠拢,要求电位器右旋时,门控制电路的输出正占空比↑、信号频率↑,Rw1、Rw2的①、③脚与电路如何连接?
根据前面的周期公式和频率公式即可得出正确解法。
9、U11A的功能(CD端为“1”)及作用是什么?
试画出U11AQ端波形(U11AQ端起始为“0”),若J端接U2Q,画出U11AQ端波形,并分析会产生什么不良后果?
U11A的主要功能就是在f>
=1KHZ时Q=1而Q‘=0。
Q=1将小数点点亮,Q‘=0封锁与非门U1B,计数器U3的置9端MS1、MS2无效,使信号经过计数器U3计数。
1KHZ时Q=0而Q‘=1,
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