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  嚴(yán)小華2009 2017-07-01 00:00:00

  簡易頻率計(jì) 一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1．設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡易頻率測量電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示。 2．測量范圍：10Hz~99.99KHz 3．測量精度： 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)是用來測量正弦信號(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)，要測被測波形的頻率，則須測被測波形中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，讓被測信號(hào)通過而進(jìn)入計(jì)數(shù)譯碼器電路，即可得到被測信號(hào)的頻率fx。 任務(wù)要求分析： 頻率計(jì)的測量范圍要求為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)制對輸入的被測脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；要求輸入信號(hào)的幅值為20mV~5V，所以要經(jīng)過衰減與放大電路進(jìn)行檢查被測脈沖的幅值；由于被測的波形是各種不同的波，而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測的信號(hào)必須是矩形波，所以還需要波形電路；頻率計(jì)的輸出顯示要經(jīng)過鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定再通過4位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 經(jīng)過上述分析，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555定時(shí)器和電容、電阻構(gòu)成的多諧振蕩器產(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T觸發(fā)器把脈沖正常高電平為1s；放大電路通過與非門、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)通過鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定Z后通過4個(gè)LED數(shù)碼顯像管顯示出來。 方案二： 頻率計(jì)定時(shí)時(shí)間1s可以直接通過555定時(shí)器和電容、電阻構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生1Hz的脈沖，再通過T觸發(fā)器把脈沖正常高電平為1s；放大電路可以直接用一個(gè)具有放大功能的施密特觸發(fā)器對輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，其他模塊的電路和方案一的相同。 通過對兩種方案的分析，為了減少總的電路的延遲時(shí)間，提高測量精確度，所以選擇元件少的第二種方案。 三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 時(shí)基電路： 用555_VIRTUAL定時(shí)器和電容、電阻組成多諧振蕩器產(chǎn)生1Hz的脈沖，根據(jù)書中的振蕩周期 ： T=（R1+R2）C*ln2 取C=10uF，R1=2KΩ，T=1s，計(jì)算得：R2=70.43KΩ，再通過T觸發(fā)器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。 放大電路： 用一個(gè)74HC14D_4V的含放大功能的施密特觸發(fā)器對輸入脈沖進(jìn)行放大，把輸入信號(hào)放大成4V的矩形脈沖，其放大效果如下圖： 閘門電路： 用一個(gè)與門74LS08作為脈沖能否通過的閘門，當(dāng)定時(shí)信號(hào)Q為高電平時(shí)，閘門打開，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（10000）進(jìn)制的計(jì)數(shù)電路，74192N是上升沿有效的，來一個(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)鎖存通過數(shù)碼顯示管穩(wěn)定顯示出來。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T觸發(fā)器成高電平時(shí)間為1S的脈沖，高電平脈沖打開閘門74LS08N，讓經(jīng)施密特觸發(fā)器74HC14D放大的被測脈沖通過，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)通過鎖存器鎖存顯示，同時(shí)，高電平’信號(hào)對計(jì)數(shù)電路進(jìn)行清零，此后，電路將循環(huán)上述過程，但對于同一個(gè)被測信號(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)過多次調(diào)節(jié)R3仿真，Z后確定R3為70.06 KΩ時(shí)對于各個(gè)頻率的測試都比較準(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)都符合測任務(wù)要求。 六、結(jié)論與心得 在這次課程設(shè)計(jì)的過程中，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)，Z后再整合，這樣可以把一個(gè)復(fù)雜的電路簡單化了，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設(shè)計(jì)電路；Z后，這次課程設(shè)計(jì)也提高了我查找問題、思考問題和解決問題的能力，還鍛煉了我的耐性。 在這次課程設(shè)計(jì)中也遇到了很多問題，首先，是對元器件了解不多，對于要實(shí)現(xiàn)某種功能不知道用那一種元件，所以問同學(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)，一開始用EWB設(shè)計(jì)，對模塊仿真可以，但整合整個(gè)原理圖仿真卻不行，通過示波器觀察輸出波形發(fā)現(xiàn)脈沖走了一小段卻停止了，以為是電路有問題，就查找了很多遍才找出問題，原來在那個(gè)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；Z后，在用multisim仿真高頻率時(shí)仿真速度極慢，所以調(diào)整了的仿真Z大步長，但問題又出現(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)是元件的問題，太高頻率元件來不及反應(yīng)就輸出結(jié)果，但上網(wǎng)尋找答案，原來是的仿真步長會(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Z大仿真步長。 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)

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