自动量程数字频率计_精品文档.doc
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明德至善博学笃行
班级电科081班
姓名龚浪
学号080712110073
实验名称自动量程数字频率计
指导教师李良荣
理学院
时间:
2011年5月20日
自动量程数字频率计
一.实验目的:
数字系统的设计及调试
1.TTL数字集成电路的使用。
2.自动量程逻辑的设计。
二.实验内容及要求
设计一个自动量程数字频率计,其要求如下:
显示位数:
四位,最大显示数9999.
闸门时间:
三种:
10ms,100ms,1s,根据被测频率的大小自动切换。
量程:
第一种,100Hz-999.9Hz闸门时间10ms
第二种10Hz-99.99Hz闸门时间100ms
第三种1Hz-9.999Hz闸门时间1s
自动量程要求:
计数器大于9999时(溢出)量程自动升高一档(闸门时间缩短为十分之一),当计数小于0800时量程自动降低一档(闸门时间增大为十倍)。
输入被测电压:
10Hz-1MHz方波或正弦波,幅度为10mv-3v(有效值)。
三.实验原理:
简单的数字频率计的原理方框图如图3-1所示。
图3-1数字频率计的原理方框图
放大器将输入的交流电压放大、限幅、整形后变成方波或脉冲送进主闸门,晶体振荡器送出的标准脉冲经分频后得到时间不等的一组闸门信号,经开关选择后也送入主闸门,主闸门在闸门信号的控制下,打开、关闭主闸门,主闸门在打开的那那一段标准闸门时间T内,计数器对频率fx计数,待主闸门关闭后,计数器已计至一定的脉冲N,显然,fx=N/T,在主闸门关闭的瞬间,将产生一个下降沿,将此下降沿反相后作为锁存器的锁存信号便可将计的数锁存。
然后再利用下降沿之后的低电平作为清零信号将锁存器清零,然后准备下一次测量。
不同的量程可以通过分频器来实现,因为闸门时间为定值(1s高电平),当选择未分频的一路信号输入时,倍率为1。
当选择十分频的一路信号输出时,倍率为10。
同理,当选择十分频的一路信号输出时,倍率为100。
显然,闸门时间应该选择适当,闸门时间过短则因计数有效值有效位数少而降低了测量精度,过长则会导致计数器溢出而得不到正确的结果。
合适的量程可以用手动选择,但从使用方便考虑,闸门时间应能自动选择在最佳点上:
如被测频率太高,致使计数器溢出,此时应自动将闸门锁住的信号分频后再输入。
实现自动量程首先要解决的问题是计数值的检测,即如何知道计数值已大于该量程的上限,对于标准的4位BCD码来说。
在计数值大于9999时,最高片计数器的Qd将产生一个下降沿,如果计数值小于0800,则Qd未出现过上升沿。
利用此特性便可实现自动升、降量程。
其次要解决的问题是如何实现升降量程,本方案中是用数据选择器74LS153实现的。
自动切换量程的同时必须同时切换小数点,否则读数因无量程信息要很大程度上失去了意义。
下面将电路分部分讨进行论:
1.放大整形部分
放大整形电路如图3-2所示,它由运算放大器OP07连接成的反相比例放大电路与门电路构成的施密特触发器组成,放大倍数Au=Rf/R=5。
图3-2放大整形电路
放大电路仿真演示如下图3-3所示。
图3-3放大电路仿真演示
图3-4为放大并整形之后的仿真演示。
图3-4放大整形仿真演示
2.分频部分
分频部分电路由三片74LS90串联完成,并将未分频的信号、经10分频的信号、经100分频的信号。
分别连在数据选择器(74LS153)的三个输入端,如下图3-5所示。
100分频输出
10分频输出
未分频输出
1S高电平信号
待测信号
图3-5分频电路
3.自动量程控制部分
放大整形后的信号与1s高电平信号经与门(74LS08)和待测信号相与输出。
然后对闸门锁住的信号进行10分频和100分频,并将未分频的信号、经10分频的信号、经100分频的信号。
分别连在数据选择器(74LS153)的三个输入端,对应于数据选择器控制端A、B的不同值,将选择不同的信号输出。
计数器就会对所选择的一路输入进行计数,等到闸门脉冲的下降沿将其锁存,并送数码管显示,如图3-6所示。
输入信号
清零控制端
图3-6放大整形
4.数据锁存及译码显示部分
此部分功能由2片74LS273和4片七段数码管完成,74LS273在锁存脉冲的控制下将计数器的数据锁存并送至数码管显示,如图3-7所示。
接
计数器输出端
接小数点控制部分
图3-7数据锁存及译码电路
5.电路的整体结构如图3-8所示。
图3-8整体电路结构
部分仿真结果如下:
待测频率为11HZ时,得如图3-9所示的结果。
图3-9仿真结果1
待测频率为111HZ时,得如图3-10所示的结果。
图3-10仿真结果1
由于仿真软件时间步进较小,若要测量较大频率,则仿真时间会特别长,故不在此演示。
实测结果如下:
输入频率为0.205KHZ时,实测结果如图3-11所示。
图3-11实测结果1
输入频率为1.842KHZ时,实测结果如图3-12所示。
图3-12实测结果2
输入频率为20.43KHZ时,实测结果如图3-13所示。
图3-13实测结果3
输入频率为181.1KHZ时,实测结果如图3-13所示。
图3-14实测结果4
从上述测量结果可以看出,此电路已达到了较高的精度。
器件清单
器件名称
数量
器件名称
数量
74ls08
1个
74ls04
1个
74ls90
7个
74ls153
1个
74ls138
1个
74ls273
2个
74ls47
4个
NE555
1个
电阻及导线
若干
七段数码显示管
4个
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