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簡易頻率計

一、設(shè)計任務(wù)與要求

1．設(shè)計制作一個簡易頻率測量電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示。

2．測量范圍：10Hz~99.99KHz

3．測量精度： 10Hz。

4. 輸入信號幅值：20mV~5V。

5. 顯示方式：4位LED數(shù)碼。

二、方案設(shè)計與論證

頻率計是用來測量正弦信號、矩形信號、三角形信號等波形工作頻率的儀器，根據(jù)頻率的概念是單位時間里脈沖的個數(shù)，要測被測波形的頻率，則須測被測波形中1S里有多少個脈沖，所以，如果用一個定時時間1S控制一個閘門電路，在時間1S內(nèi)閘門打開，讓被測信號通過而進(jìn)入計數(shù)譯碼器電路，即可得到被測信號的頻率fx。

任務(wù)要求分析：

頻率計的測量范圍要求為10Hz~99.99KHz，且精度為10Hz，所以有用4片10進(jìn)制的計數(shù)器構(gòu)成1000進(jìn)制對輸入的被測脈沖進(jìn)行計數(shù)；要求輸入信號的幅值為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，而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測的信號必須是矩形波，所以還需要波形整形電路；頻率計的輸出顯示要經(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，頻率計電路設(shè)計的各個模塊如下圖：

方案一：

根據(jù)上述分析，頻率計定時時間1s可以通過和電容、電阻構(gòu)成的產(chǎn)生1000Hz的脈沖，再進(jìn)行分頻成1Hz即周期為1s的脈沖，再通過把脈沖正常高電平為1s；放大整形電路通過與非門、非門和二極管組成；閘門電路用一個與門，只有在定時脈沖為高電平時輸入信號才能通過與門進(jìn)入計數(shù)電路計數(shù)；計數(shù)電路可以通過5個十進(jìn)制的計數(shù)器組成，計數(shù)器再將計的脈沖個數(shù)通過鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定最后通過4個LED數(shù)碼顯像管顯示出來。

方案二：

頻率計定時時間1s可以直接通過和電容、電阻構(gòu)成的產(chǎn)生1Hz的脈沖，再通過把脈沖正常高電平為1s；放大整形電路可以直接用一個具有放大功能的施密特觸發(fā)器對輸入的信號進(jìn)行整形放大，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間，提高測量精確度，所以選擇元件少的第二種方案。

三、單元與參數(shù)計算

：

用555_VIRTUAL定時器和電容、電阻組成產(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，計算得：R2=70.43KΩ，再通過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。

放大整形電路：

用一個74HC14D_4V的含放大功能的施密特觸發(fā)器對輸入脈沖進(jìn)行放大整形，把輸入信號放大整形成4V的矩形脈沖，其放大整形效果如下圖：

閘門電路：

用一個與門74LS08作為脈沖能否通過的閘門，當(dāng)定時信號Q為高電平時，閘門打開，輸入信號進(jìn)入計數(shù)電路進(jìn)行計數(shù)，否則，其不能通過閘門。

計數(shù)電路：

計數(shù)電路用5（4）片74192N計數(shù)器組成100000（10000）進(jìn)制的計數(shù)電路，74192N是上升沿有效的，來一個脈沖上升沿，電路記一次數(shù)，所以計數(shù)的范圍為0~99999（5000）。但計數(shù)1S后要對計數(shù)器進(jìn)行清零或置零，在這里用清零端，高電平有效，當(dāng)計數(shù)1S后，Q為低電平，Q’為高電平，所以用Q’作為清零信號，接線圖如下：

鎖存顯示電路：

當(dāng)計數(shù)電路計數(shù)結(jié)束時，要把計得脈沖數(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，時鐘也是上升沿有效，當(dāng)Q為下降沿時，Q’恰好是上升沿，所以用Q’作為鎖存器的時鐘，恰能在計數(shù)結(jié)束時把脈沖數(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)器整形成高電平時間為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放大整形的被測脈沖通過，進(jìn)入計數(shù)器進(jìn)行1S的計數(shù)。當(dāng)計數(shù)結(jié)束時，T觸發(fā)器的Q為下降沿，Q’剛好為上升沿，觸發(fā)鎖存器工作，讓計數(shù)器輸出的信號通過鎖存器鎖存顯示，同時，高電平的Q’信號對計數(shù)電路進(jìn)行清零，此后，電路將循環(huán)上述過程，但對于同一個被測信號，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 型號 主要參數(shù) 數(shù)量 備注

1 74192 5 加法計數(shù)器

2 74LS273 2 鎖存器

3 DCD_HEX 4 LED顯示器

4 555_VIRTUAL 1 定時器

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

五、仿真調(diào)試與分析

把各個模塊組合起來后，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，這是由于各個元器件存在著延遲時間，1S的脈沖，經(jīng)過各個元器件的延遲，計數(shù)時間會大于1s，頻率越高，誤差越大，所以計數(shù)的時間要稍微小于1S，調(diào)小時基電路的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，最后確定R3為70.06 KΩ時對于各個頻率的測試都比較準(zhǔn)確，20KHz時仿真結(jié)果如下：

所以R3為70.06KΩ是測得的各個頻率值都比較準(zhǔn)確，且電路設(shè)計都符合測任務(wù)要求。

六、結(jié)論與心得

在這次課程設(shè)計的過程中，我收獲不少。首先，我學(xué)會了把一個電路分成模塊去設(shè)計，最后再整合，這樣可以把一個復(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，我也初步會用multisim軟件設(shè)計電路；最后，這次課程設(shè)計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)會去用它；其次，不大會用電路設(shè)計軟件，一開始用EWB軟件設(shè)計，對模塊仿真可以，但整合整個原理圖仿真卻不行，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，原來在那個軟件仿真時是不允許存在兩個信號，所以重新用multisim設(shè)計，才可以；最后，在用multisim仿真高頻率時仿真速度極慢，所以調(diào)整了軟件的仿真最大步長，但問題又出現(xiàn)了，信號紊亂，數(shù)碼管顯示數(shù)字不一，然后就猜想會不會是元件的問題，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，原來是軟件的仿真步長會影響仿真的精確度，所以，某一范圍的頻率仿真，要用相應(yīng)的最大仿真步長。

這個題目的設(shè)計花了自己不少心血，有時甚至一整天在弄，但是當(dāng)自己成功地設(shè)計出電路時所獲得的那一份成就感是無法表達(dá)的，所以整個電路的設(shè)計過程充滿著苦惱與樂趣。

七、參考文獻(xiàn)

[1] 閻石 《數(shù)字電子技術(shù)基本教程》第一版 ，清華大學(xué)出版社，2007.08。