数字电子技术数字频率计设计.docx
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数字电子技术数字频率计设计
目录....................................................................1
摘要…………………………………………………………………………2
综述…………………………………………………………………………2
课程设计目的与任务………………………………………………………3
任务分析与方案选择……………………………………………………..3
进度安排…………………………………………………………………...4
设计要求…………………………………………………………………...4
1.数字频率计原理………………………………………………………..5
1.1数字频率计的基本原理框图…………………………………………..5
1.2数字频率计的基本原理………………………………………………..5
2.数字频率的设计电路…………………………………………………….6
2.1放大整形电路………………………………………………………….6
2.2石英晶体振荡器和分频器…………………………………………….7
2.3计数译码显示电路……………………………………………………8
2.4控制电路………………………………………………………………8
2.5数字频率计的电路图…………………………………………………9
3.器件介绍…………………………………………………………………10
3.1CD4060介绍…………………………………………………………10
3.2CD4518介绍…………………………………………………………11
课程设计的总结与展望……………………………………………………12
参考文献……………………………………………………………………13
摘要
随着经济、科技的高速发展,人们对于对与自动控制的要求也迅速提高,自动控制可以帮助人们提高生产效率、节省生产资料等等,所以符合各种要求、各种类型的自动控制系统在人们的生活中广泛应用,数字频率计就是一个简单的实例。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波,方波或其它周期性变化的信号。
如配以适当的传感器,可以对多种物理量进行测试,比如机械振动的频率,转速,声音的频率以及产品的计件等等。
因此,数字频率计是一种应用很广泛的仪器。
本课程设计主要利用本学期所学数字电子基础相关知识以及模拟电子技术做成。
所用器件主要包括:
石英晶体振荡器,中规模集成电路,即:
用作分频的器件14级二进制分频器CD4060、双十进制分频器CD518和八进制分频器CD4022。
用作整形的施密特触发器,控制电路与非门,计数电路HCP4026。
本文讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成部分,记述了我在整个设计过程中对各部分电路设计方案的选择、对各个部分的设计思路、元器件的筛选、以及对它们的调试、对调试结果的分析,到最后得到比较满意的实验结果的过程。
综述
数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器,它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量,因此它的用途十分广泛:
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
数字频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。
这种方法免去了实测以前的预测,同时节省了划分频段的时间,克服了原来高频段采用测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数,此时我们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长,得到的频率值就越准确,但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短,测的频率值刷新就越快,但测得的频率精度就受影响。
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,是频率测量的重要手段之一。
电子计数器测频有两种方式:
一是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;二是间接测频法,如周期测频法。
直接测频法适用于高频信号的频率测量,间接测频法适用于低频信号的频率测量。
集成电路的类型很多,从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2大类。
数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统,以及其它电子设备中。
一般说来,数字系统中运行的电信号,其大小往往并不改变,但在实践分布上却有着严格的要求,这是数字电路的一个特点。
数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一,已广泛地深入到各个应用领域。
课程设计任务
一、设计目的与任务
数字电路课程设计是数字电子技术课程的实践性教学环节,是对学生学习数字电子技术的综合性的训练,这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试完成的。
通过数字电路课程设计要求学生:
1、综合运用电子技术课程中所学到的理论知识,独立完成一个设计问题。
2、通过查阅手册和文献资料,培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
3、了解常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用的原则。
4、学会电子电路的安装与调试技能,掌握电子电路的测试方法。
5、掌握电子仪器的使用方法。
6、学会撰写课程设计总结报告。
7、培养学生严肃认真的工作做风和严谨的科学态度。
二、任务分析与方案选择
(1)利用中小规模数字集成器件组成一个数字频率计,门控标准的时间为1s和10s两档。
(2)要求被测信号可以是正弦波、方波或其他周期性的变化信号,被测信号的频率:
1Hz~9999Hz,北侧信号幅度:
大于1.5V;
(3)测量显示方法分“手动”和“自动”状态;显示时间为0.5s~10s,并且连续可调,一次测量完成后立即自动复位,并自动进行下一次的测量,“手动”状态:
现实时间由“手动”开关控制;
(4)探讨用该频率计测试其他物理量(如机械振动、转速、声音等)频率的方法。
(5)选择器件并画出电路原理图和接线图。
(6)学出课程设计总结报告。
三、进度安排
(1)第一天上午
课程设计的目的与要求,课程设计的教学课程,课程设计的评分标准。
(2)第一天下午~~第三天上午
学生根据课题要求,查找资料并独立完成课题的设计方案。
(3)第三天下午
检查设计进度,以小组为单位检查设计方案、资料查找方法、器件选择方法。
(4)第四天~~第五天
学生根据课题设计方案,独立完成课题的具体设计(包括电气原理图以及器件的选择)。
四.设计要求
1.确定原理方框图
2.画出电路原理图;
3.对所设计的电路进行分析
1数字频率计的原理
1.1数字频率计的基本原理框图
数字频率计测频率时的原理框图如下图1-1示:
图1-1
电源部分:
为识字频率计的各部分提供+5V直流电源。
标准频率源部分:
由一个4MHz晶体振荡器和14级二进制分频器CD4060、双十进制分频器CD4518和八进制分频器CD4022构成。
输入门:
由两个集成运放和两个施密特触发器组成,实现了对输入信号的放大与整形。
控制门:
由四个与非门组成,实现控制功能。
计数、译码显示:
由五片HCP4026组成。
1.2数字频率计的基本原理
数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。
它不仅可以测量正弦波,方波,三角波和尖脉冲信号的频率,而且还可以测量他们的周期。
数字频率计在测量其他物理量如转速、振荡频率等方面获得广泛应用。
所谓频率,就是周期性信号在单位时间(1s)里变化的次数。
若在一定时间间隔T内测得的这个周期性信号的重复变化次数N,则其频率可表示为公式1-2:
f=N/T(1-2)
本文设计的数字频率计由四个基本单元组成:
放大整形电路、石英晶体振荡器和分频器、控制电路和译码显示。
由石英晶体和分频器产生固定频率的方波脉冲信号作为控制电路的门控信号。
被测信号经过放大整形电路后变成序列脉冲送到控制电路,它和标准的脉冲信号共同控制控制电路的工作。
只有被测信号与标准信号同时为高电平时,与非门控制电路才能输出高电平,这时计数器才能开始计数,一直到两信号回到低电平。
此时,译码显示器的读数为被测信号的频率。
2数字频率计的电路设计
2.1放大整形电路
放大整形系统包括放大器、施密特触发器。
它将正弦波输入信号整形为同方波,测试信号通过开关选择输入放大倍数,放大器由同向比例放大器U1、U3构成,以免波形失真。
由运算放大器构成的同向比例放大器起阻抗变换作用,使输入阻抗提高。
系统的整形电路由施密特触发器U4A、U4B组成,整形后的方波送到控制门以便计数。
电路原理如图2-1所示:
图2-1
2.2石英晶体振荡器和分频器
石英晶体振荡器的振荡频率为4MHz,经过14级二进制分频器CD4060、双十进制分频器CD4518和八进制分频器CD4022,输出频率的周期范围从1us-10s。
根据被测信号频率的大小,通过闸门时基选择开关选择时基。
时基信号经过门控制电路得到方波,其正脉宽时间控制控制门的开放时间。
电路原理如图2-2所示
图2-2
2.3计数、译码显示系统
本系统由五片七段显示十进制计数器HCP4026组成。
HCP4026不仅受输入信号的控制,而且受分频输出信号的控制,只有两者同时高电平时,五个计数器才开始工作,进行频率计数。
2.4控制电路
控制电路由与门组成,。
控制门是否开通受分频输出信号的控制,当输出信号为高电平“1”时,控制门开启;而输出信号为低电平“0”时,控制门关闭。
显然,只有在控制门开启的时间内,被测信号才能进入计数器,计数器计数时间就是控制门开启时间。
可见,控制信号宽度一定时,分频的输出值正比于被测信号的频率,通过计数显示系统把输出结果显示出就可以得到被测信号的频率。
控制电路与显示电路如图2-4所示:
图2-4
2.5数字频率计的电路图
数字频率计的电路图如图2-5所示:
图2-5
3、器件介绍
3.1CD4060
CD4060是14位二进制串行计数器,其引脚图如图3-1:
①由14级二进制计数器和非门组成的振荡器组成,外接振荡电路可以做时钟源。
②
:
时钟输入端,下降沿计数
CP0:
时钟输出端;
:
反向时钟输出端。
③RD清零端为异步清零。
图3-1
普通计数器作为分频时,从计数器输出引脚可以得到CP的2、4、8…分频的信号,用N进制计数器可以得到N分频信号。
3.2CD4518
双同步十进制计数器
图3-2
五、课程设计的总结与展望
经过两个星期的课程设计,通过对各种资料的查阅,我发现了自己动手的乐趣。
以前所学的知识都被局限于课本之中,这次通过课程设计我体会到了,只要勇于探索和吸收,知识是无边无境的。
在整个课程设计完后,总的感觉是:
有收获。
以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。
在这个过程中,我的确学得到很多在书本上学不到的东西。
在这个过程中遇到了很多问题,比如如何画图,如何组织那种专业语言,上网、到图书馆查找相关的资料。
虽然很费劲,但是其乐无穷。
通过此次的设计,我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非常高,我相信在今后的学习和工作中它也占据着非常重要的地位。
课堂中的学习是远远不够的,我们还需要自己吸收和再学习,不断的探索和研究。
这样在以后的学习工作中才能节节进步,不断创新。
不但如此,我想要完成一个任务,不能只局限于自己所学的知识中,要各个方面都有涉猎,提高自己的综合能力,这样才能取得长足的进步。
通过此次的设计,我也领略到了团队精神的可贵。
我的专业知识学习的不扎实,在设计的过程中,会遇到各种问题。
这时我就会向同组同学请教,共同完成这个设计。
所以在此感谢帮助过我的魏中乾同学。
尽管如此,设计中仍会有我们未发现的问题,感谢老师的悉心指正。
对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次设计将成为我学习旅途中一个美好的回忆!
参考文献
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(11)童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].第3版.高等教育出版社,2004
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