• 技術(shù)發(fā)展
  

頻率計是實驗室及生產(chǎn)中常用的一種測量設(shè)備。由于數(shù)字電路的飛速發(fā)展和數(shù)字集成電路的普及，利用電子技術(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速以及便于實現(xiàn)測量的自動化等一系列優(yōu)點，故數(shù)字式測頻測量儀器已發(fā)展成為近代頻率測量的重要手段。頻率量是幾乎不經(jīng)轉(zhuǎn)換就得到的數(shù)字量，在數(shù)字頻率計中，被測信號是以脈沖信號方法來傳遞、控制和計數(shù)的。其基本原理是以適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐罚�使電子計�?shù)器在預(yù)定的標準時間內(nèi)累計待測的輸入信號的脈沖個數(shù)，這樣就實現(xiàn)頻率測量

目前國外市場上的頻率計功能更多樣化，甚至可以測量電壓，相位，功率等參數(shù)。國內(nèi)雖然在采用大規(guī)模集成電路，改進設(shè)計，強化多功能方面取得很大進展，但其技術(shù)性能與國外同類先進產(chǎn)品相比還有一定差距。

1.2 課題研究內(nèi)容

數(shù)字頻率計是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測 量儀器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測信號在特定時間段T 內(nèi)的周 期個數(shù)為N 時，則被測信號的頻率f=N/T。 頻率計主要由四個部分 構(gòu)成：時基（T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。在 一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、 微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門 的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖 開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器 進行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)部控 制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設(shè)置。

本課程設(shè)計是基于TTL系列芯片的簡易數(shù)字頻率計數(shù)字頻率計應(yīng)用所學(xué)的數(shù)字電路和模擬電路的知識進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，所有電路仿真均基于Mulstisim仿真軟件。

電路由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、計數(shù)鎖存電路及譯碼顯示電路組成。能夠較精準的測量正弦波、三角波、方波的頻率。

所謂頻率，就是周期性信號在單位時間(1s)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N則其頻率可表示為f=N/T

第二章  系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1任務(wù)分析

1）測頻范圍：1Hz—10MHz，為保證測量精度，分為三個頻段：

    1Hz---999Hz

1kHz---999kHz

    1MHz---10MHz

當(dāng)信號頻率超過規(guī)定的頻率上限時，設(shè)有超量程指示。量程自動轉(zhuǎn)換，量程顯示用二極管指示（Hz，kHz，MHz）。

2）輸入波形：函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波，信號幅度（峰值）10mV—3V

3)測量誤差小于±1%;

4)結(jié)果用三位共陰數(shù)碼管顯示，最高位顯示為有效數(shù)值，小數(shù)點可自動移動顯示

2.2三種方案比較

方案一：采用的是中小規(guī)模數(shù)字集成電路

實現(xiàn)頻率的測量，雖然其功能擴展不易實現(xiàn)，智能化程度也不高，也不太符合目前數(shù)字頻率計的發(fā)展要求，但是對目前的我們來說，電路構(gòu)成的基本原理相對容易理解，設(shè)計原理簡單，是全硬件電路實現(xiàn)，電路穩(wěn)定、精度高，大大的縮短了生產(chǎn)周期。不需要編程，實現(xiàn)起來相對簡單。其主要元器件基本是我們所學(xué)習(xí)過的，就算沒有學(xué)過，查閱資料理解起來也相對容易 。

方案二：采用單片機

采用單片機則可以很容易地解決方案中的問題，實現(xiàn)設(shè)計要求。也就是采用先測信號的周期，然后再通過單片機求周期的倒數(shù)的方法，從而得到我們所需要的低頻信號的測量精度。由于用到單片機，控制電路計數(shù)等功能通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)，減少了相關(guān)硬件的使用，降低了成本。而且利用C語言程序有很強的可修改性另外由于使用了功能較強的 AT89C51 芯片，使本系統(tǒng)可以通過對軟件改進而擴展功能，提高測量精度。但是單片機也不再本人目前的學(xué)習(xí)范圍內(nèi)，所以不予考慮次方案。

方案三：采用可編程器件的技術(shù)

在設(shè)計方法、硬件電路的實現(xiàn)上都要比方案一和方案二簡潔、新穎，而且采 用可編程邏輯器件（PLD）的 EDA 技術(shù)也是現(xiàn)代電子產(chǎn)品開發(fā)的方向，應(yīng)用這種技術(shù)來 實現(xiàn)數(shù)字頻率計的設(shè)計是可行的。但從系統(tǒng)設(shè)計的要求上看，要能實現(xiàn)測量頻率是 1HZ～ 10MHZ 的范圍，以頻率 1HZ 為例，要達到誤差小于1％的目的，必須顯示3位的有效數(shù)字，而使用直接測頻的方法，要達到達個測量精度，需要主門連續(xù)開啟 100 秒。再就是EDA技術(shù)也不再本人目前的認知范圍內(nèi)，所以不予考慮次方案。

2.3方案選擇

采用方案一

根據(jù)任務(wù)書要求，精度要求采用晶體電路，選用CD4518做計數(shù)器，充分利用CD4511的鎖存，譯碼驅(qū)動功能，選擇單穩(wěn)態(tài)電路74LS123提供鎖存信號。

整體電路原理圖：

第三章  系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1總體框圖

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3.2單元電路設(shè)計與參數(shù)選擇

時基電路：

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附：74LS74的功能表

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閘門電路：

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將標準脈沖和被測脈沖經(jīng)74LS00構(gòu)成的與非門電路輸出。

附：74LS00引腳圖

74LS真值表

控制電路：

    該電路實現(xiàn)的邏輯功能是：當(dāng)時基信號下降沿到來時產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號的Q端繼續(xù)給下一個觸發(fā)器下降沿而產(chǎn)生清零信號給計數(shù)器CD4518，而鎖存信號Q非端給譯碼器CD4511的LE 端讓其在短時間內(nèi)（10pf*10k歐姆即為10^-7s）工作。此邏輯功能可通過一片74LS123來實現(xiàn)。它包含兩個可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，分別產(chǎn)生鎖存和清零信號。

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附：74LS123的引腳圖和功能表

    由功能表可知，當(dāng)B端接高電平時只有A端有下降沿信號后Q非端才會有短暫的低電平而Q端才會繼續(xù)給下一個1A端下降沿信號進而有清零作用。

鎖存，譯碼與顯示電路：

    為了自動的計數(shù)更新，需要對計數(shù)器周期性清零，計數(shù)的結(jié)果需要鎖存顯示。

計數(shù)器用CD4518，高電平清零。鎖存-譯碼-顯示驅(qū)動選用CD4511，高電平鎖存。

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CD4518引腳圖和功能表及時序圖

由CD4518功能表可知當(dāng)時鐘端接地時計數(shù)器只有在使能端接下降沿時才開始計數(shù)，再由時序圖可知只有當(dāng)Q4為9時才會有下降沿進而給下一個時鐘端下降沿信號從而產(chǎn)生進位，以此來產(chǎn)生計數(shù)功能；有CD4511功能表可以當(dāng)LE接低電平時譯碼器會工作而當(dāng)LE為高電平時譯碼器則不會變化，因此LE端接上長時間的高電平信號后需要接上一個短暫的低電平信號以此來讓數(shù)碼管上的數(shù)字顯示出被測頻率來，這也與之前的控制電路74LS123的Q非端輸出短暫的低電平相聯(lián)系。

第四章  系統(tǒng)調(diào)試

4.1測試儀表

萬用表、頻率發(fā)生器、示波器

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經(jīng)頻率發(fā)生器測試之后發(fā)現(xiàn)測量值與實際值之間有些許誤差，但是相對誤差沒有很大。

4.4   指標測試分析與改進方法

總結(jié)

    剛開始對于這個數(shù)字頻率計的概念是不了解的，以為就是單純地拿老師的原理圖我們來連線但經(jīng)過兩周的持續(xù)時間中我了解到這個課程設(shè)計最重要是理解這個課程的真正含義，要我們自己去思考去設(shè)計并不是像電工電子實習(xí)一樣，經(jīng)過兩周的學(xué)習(xí)，讓我對學(xué)習(xí)更有自覺性和主動性課程設(shè)計時間雖然短，但從中我的學(xué)習(xí)興趣和實驗創(chuàng)新實踐能力有較大提升。

這個頻率計的課程設(shè)計讓我對數(shù)字頻率計有了較深的理解通過在實驗中前期的設(shè)計我對頻率計的五個基本電路有了較為全面的理解（時基電路、邏輯控制電路、譯碼顯示電路和閘門電路）以及后期頻率計的調(diào)試讓我明白電路板的連線要非常細致，要了解每一塊芯片的功能比如CD4511譯碼鎖存作用、BD4518計數(shù)功能74LS123邏輯控制CD4060分頻等。這樣才能在連線調(diào)試過程中較為準確以及有效率的操作。在這次試驗中我們小組也遇到了不少的困難，比如因為開始老師給出的電路原理圖里面是有幾處錯誤的，而我們也是丈二摸不著頭腦，不知如何下手，之后在老師的指導(dǎo)下才明白了錯誤所在以及這樣設(shè)計的用意，讓我們不得不佩服設(shè)計者的智慧。真正明白了原理圖之后的連線就比之前輕松很多了，我們明白了該如何去修正錯誤，例如因為之前的連線錯誤導(dǎo)致計數(shù)器在8的時候就開始進位，這肯定是錯誤的，因此需要用CD4518芯片功能表的第二種計數(shù)功能：Q4接下一個使能端，時鐘端接低電平，這樣就可以實現(xiàn)凡是得10進位了。

在這一周的設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)了自己許多的不足，在設(shè)計中遇到了一些困難，設(shè)計的電路經(jīng)過測試并不能達到要求的功能，導(dǎo)致設(shè)計失敗，又重新查找資料進行設(shè)計與修改，發(fā)現(xiàn)自己最大的問題在對芯片的工作原理掌握不夠，導(dǎo)致在設(shè)計時走了很多彎路。另外就是不太熟悉仿真軟件，不認識器件的英文，導(dǎo)致在找函數(shù)發(fā)生器，示波器等器件時耗費了一些時間。

設(shè)計結(jié)束后，我還特地去查閱了基于頻率計設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)的應(yīng)用。在電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費用的微波爐和電視、先進的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計過程中無一不用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設(shè)計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。

課程設(shè)計中有汗水也有淚從中學(xué)到的不僅僅是如何設(shè)計頻率計，學(xué)到的是設(shè)計，調(diào)試，學(xué)到了自己如何主動解決問題，增強了自己的實驗創(chuàng)新能力。感謝課程設(shè)計，感謝熊老師。

致謝

感謝熊俊俏老師對我們小組不厭其煩的指導(dǎo)讓我們對自身能力得到了明顯的提高！

參考文獻