电子装备课程设计

.1.正弦波信号频率计设计一、设计目的在电子系统非常广泛应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路，在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点。频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置，它可以测量正弦波方波和三角波的频率，利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1S内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。二、设计要求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。4.要求电源部分也需要设计，并增加保护电路（过热、过流、过压）。测试条件：在输入信号峰值为0.1V的情况下测试。三、数字频率计电路设计原理脉冲信号的频率就是在单位时间(1s)里产生的脉冲个数，若在一定时间间隔tw内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为：f=N/T（1）数字频率计的总体框图如图1所示：图1数字频率计总体框图.2.数字频率计由四大基本电路组成：整形系统，单稳态触发器构成的闸门电路，可控的计数系统、锁存译码显示电路、超量程报警系统。经过放大衰减后的被测信号（包括正弦波，三角波，方波等周期信号）经过整形电路，变成峰值为3~5V(与TTL兼容)的方波信号Vx，送入计数器的时钟脉冲端。当门控信号到来后，闸门电路开启，时间为T1，计数器实现计数功能，T1时间过后闸门关闭，计数停止，锁存器使能端置零，计数结果被锁存，通过数码管可以方便读出被测信号频率。图2为数字频率计的波形图：图2控制电路波形图四、电路仿真设计1、整形电路设计由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。使用74LS14D将函数信号发生器产生的三角波或者正弦波变成方波。图3整形电路.3.74LS14D为有施密特触发器的六反相器，XFG1为函数信号发生器可以产生一定频率、占空比的三角波、正弦波和方波。计算过程：Vce=0.5Vcc，已知Vcc=0.5V，得Vce=0.25VVce=Vcc-IcRe,IcQ=0.5A,IBQ=（Vcc-VBEQ）/Rb=0.025A放大倍数=IcQ/IBQ=200把信号Vi加到整形放大电路的输入端时，得到该级的输入电压U01=AU1（UP-UN），其中AU1是输入级的电压增益。U01传送到中间级进行电压放大，从而在该级的输出端产生U02=AU1AU2（UP-UN）输出级输出电压。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输入电压波形的边沿变得很陡。利用施密特触发器的回差特性将它整形成规则的矩形波。当然电路中的74LS14D也可以使用74LS00代替。整形电路的输出波形：图4整形电路的输出波形2、时基电路设计图5时基电路.4.由LM555CM、103.74千欧、40千欧电阻、10uF电解电容、10nF电容构成单稳态触发器。表1LM555CM定时器功能表555定时器个引脚作用：GND——1脚，接地；TRI——2脚，触发输入；OUT——3脚，输出；RES——4脚，复位（低电平有效）；CON——5脚，控制电压（不用时一般通过一个的电容接地）；THR——6脚，阈值输入；DIS——7脚，放电端；VCC——8脚，+电源时基电路是555定时器构成的单稳态触发器，输入端为TRI端，闭合J1，单稳态触发器触发。输出端OUT（IO1）连入计数器的LOAD端，IO1输出高电平时，计数器计数。IO2连接到第二个数码管和第三个数码管之间的指示灯上，IO3连接到第三个数码管和第和个数码管之间的指示灯上。选择对应对应档位，该指示等亮，表示对应的小数点显示。单稳态触发器特点如下：1）.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。2）.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。3）.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。没有触发信号时，即J1为断开状态，Vi(TRI端)处于高电平，接通电源后，Vo=0,电路只有一种稳态，Vo保持低电平不变。图6时基电路输出波形.5.3、计数电路设计脉冲信号进入十进制计数器，在闸门时间T1=tw内,累计信号脉冲个数N=T×f，计数器通过对脉冲信号计数，可直接或间接测出周期信号的频率。计数电路我们使用74LS160N芯片，在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。只要将低位的进位端RCO与高位的CLK端相连接即可。这里我们将四个74LS160级联成4位同步十进制计数器。整个计数电路的输入端IO1（第一个74LS160的LOAD端）与闸门电路的输出端连接，闸门打开，计数器开始计数。闸门关闭，计数器停止计数。IO2为最高位的进位端，在之后的超量程报警中用到。图7计数电路计数电路按照图7所示连接好，将74160的PT端，~CLR端，~LD端都接高电平，4个74160级联，构成异步十进制计数器。在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面数码管一直不显示数字。接好后，给最低位的74160一个CP信号。让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。这样，计数器就开始计数了。数码管从000~999显示。计数电路就这样搞好了。在调测的过程中，74160的~CLR端，~LD端，4511的5端都是用临时的线连接。74LS160的清除端是异步的。当清除端CLR为低电平时，不管时钟端CLK状态如何，即可完成清除功能；74LS160的预置是同步的。当开关打开再闭合的时候即可完成清零功能。.6.图8计数电路中的清零电路4、锁存显示电路设计锁存显示电路功能：当计数完成，即闸门关闭时，通过锁存电路将计数结果锁存，计数结果（为十进制，读数方便）通过四个十六进制数码管显示，不需要通过译码，大大的简化了电路。图9锁存显示电路图中的锁存器X2是由四个D锁存器构成的图104个D锁存器构成的锁存电路.7.表2D锁存器真值表四个锁存器的输入端D分别与计数器的QA~QD相连，输出端Q分别与后面的显示电路相连。4个D锁存器的EN端都连接到闸门电路的输出端，当闸门打开时，输出端的信号随着输入信号发生变化，不起锁存作用，闸门关闭后，锁存信号起锁存作用，数据被锁住，输入信号不起作用。5、超量程报警显示电路设计超量程报警显示电路功能：在被测信号频率范围未知的情况下，如果选择了不合适的档位，特别是量程小于被测频率的档，此时不能正确测量信号频率。超量程报警显示电路在超量程测量时会进行报警，并且通过信号灯进行显示，提醒用户更换更高量程的档位。图11超量程报警电路原理：如图可知，5输入与门的5个输入端，其中四个分别与个十百千位计数器的进位端RCO连接，剩下的一个与闸门电路的输出端连接。输出端连接到一个指示灯以及蜂鸣ENDQ10011100锁存01锁存.8.器的一端。当闸门仍然处于开启状态，计数至9999，即四个计数器进位端都处于高电平时，与门输出高电平，指示灯亮，且蜂鸣器发出报警声音。图12正弦波频率计总体设计原理图五、PCB板绘制1、PCB原理图图13时基电路.9.图14锁存显示电路图15超量程报警电路图16总体PCB原理图.10.2、PCB印刷板图17PCB印刷板布线图六、正弦波频率计实验结果验证当函数信号发生器产生5HZ的正弦波的时候频率计读出的频率也是5HZ，显示计数停止的灯也亮起。图185HZ时的频率计.11.当函数信号发生器产生50HZ的正弦波的时候频率计读出的频率也是50HZ，显示计数停止的灯也亮起。图1950HZ时的频率计当函数信号发生器产生124HZ的正弦波的时候频率计读出的频率也是124HZ，显示计数停止的灯也亮起。图20124HZ时的频率计当函数信号发生器产生1874HZ的正弦波的时候频率计读出的频率也是1874HZ，显示计数停止的灯也亮起。.12.图211874HZ时的频率计综上所述本正弦波频率计可以实现：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。等要求，可以较为精确地检测出函数信号发生器发出的正弦波信号。本次实验可以说是较为成功的完成了。七、实验仿真电路元器件清单表3元器件清单元件数量元件数量LM555CM一片函数信号发生器一个103.74KΩ一个74LS14D一个40KΩ一个开关一个10uF电解电容一个500Ω电阻一个10nF电容一个7段数码显示管四个74LS160N四片非门一个D锁存器16片与门一个LED灯两个5V电源一个蜂鸣器一个示波器一个导线若干.13.八、实验总结经过了这次整整为期一周的课程设计后，我对multisim和AltiumDesigner这两个软件的使用更加纯熟，对模拟电路和数字电路的知识的理解也更加深刻，通过这次课程设计后，也唤醒了我对各个电子元器件各种作用的理解。在此次实验中我也遇到了很多问题，但是最终还是通过同学们的帮助、图书馆书籍的查阅、网络上资料的收集解决了这些问题例如：1、在最终测量频率很低的时候，那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。当被测信号为0.5Hz时，其周期为2s，这时闸门的脉冲仍为1s显然是不行的。故应该加宽闸门脉冲的宽度假设闸门脉冲宽度加至10S，则闸门导通期间可计数5次，由于计数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.加宽闸门信号也会带来一些问题：计数结果要进行除以10的运算，每次测量的时间最少要10s，时间过长不符合人们的测量习惯，由于闸门期间计数值过少，测量的精度也会下降。2、在设计的555构成多谐振荡器输出的方波信号，由于电路里面使用的电容元件，在实验的时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，把产生的方波信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使输出的信号非常接近1KHz，这样的话在后面的测量中会减小误差在这次实验中我还学习到了制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调准等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度，合理的分配时间。在设计控制电路的时候，我们可以连接译码显示和计数电路，这样就加快了完成的进度。最重要的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。虽然我设计的电路可能并不是最完美的但是我还是尽力解决了我所能够解决的问题，这次的课程设计实在是带给了我很多帮助，既培养了我的创新精神巩固了我对以前知识的理解，又丰富了我的眼界和熟练了我的动手能力。