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頻率計(jì)報(bào)告原理部分
數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)
一、 設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)
1、可測(cè)頻率范圍為10Hz~1MHz。
2、采用數(shù)碼管顯示，顯示位數(shù)不少于6位。 3、顯示時(shí)間從2~7秒可調(diào)。 4、輸入阻抗大于10KΩ。
5、輸入信號(hào)峰峰電壓值在0.5~20V范圍內(nèi)可測(cè)。 二、 函數(shù)發(fā)生器的基本原理
一、測(cè)量原理
頻率為單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)的周期數(shù)。對(duì)脈沖信號(hào)而言，其頻率為一秒鐘內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)；計(jì)數(shù)器在一秒鐘內(nèi)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是該信號(hào)的頻率。只要計(jì)數(shù)結(jié)果以十進(jìn)制方式顯示出來(lái)，就是最簡(jiǎn)單的頻率計(jì)。如圖2.1.1所示，被測(cè)脈沖信號(hào)為X，在T1時(shí)刻出現(xiàn)一個(gè)脈沖寬度為一秒的閘門脈沖信號(hào)P，用閘門脈沖P取出一秒時(shí)間內(nèi)的輸入脈沖信號(hào)X形成計(jì)數(shù)脈沖Y，計(jì)數(shù)器對(duì)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)Y進(jìn)行計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)的結(jié)果（頻率值）在T2時(shí)刻被鎖存信號(hào)S控制，鎖存到寄存器，并通過(guò)譯碼器、顯示器把并率顯示出來(lái)。在T3時(shí)刻計(jì)數(shù)器被清除信號(hào)R清零，準(zhǔn)備下一次的計(jì)數(shù)，一次測(cè)量結(jié)束。
圖2.1.1 頻率器的測(cè)量原理
顯示數(shù)值在T2時(shí)刻更換，S脈沖信號(hào)的周期為顯示時(shí)間，其大小反映顯示值的變化快慢。 顯示時(shí)間Tx為：
Tx=T3-T2+（0~2） （秒）
可見，改變T3-T2的值可調(diào)節(jié)顯示時(shí)間，通常T3是通過(guò)T2的延時(shí)而得，通過(guò)調(diào)節(jié)延www.oriental01.com時(shí)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)顯示時(shí)間。
二、方案框圖
頻率計(jì)的框圖如圖2.1.2，由六部分組成，以計(jì)數(shù)器為核心，各部分的功能如下：
圖2.1.2 頻率計(jì)總體框圖
1、計(jì)數(shù)器：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)被測(cè)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)。由輸入電路提供計(jì)數(shù)脈沖輸入，對(duì)脈
沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（在規(guī)定的測(cè)量頻率范圍內(nèi)計(jì)數(shù)無(wú)益出）。計(jì)數(shù)結(jié)果一般為十進(jìn)制，并將計(jì)數(shù)結(jié)果輸出送往寄存器，再由控制電路提供的清除信號(hào)R清零。等待下一次計(jì)數(shù)的開始。該部分主要考慮計(jì)數(shù)器的工作頻率和計(jì)數(shù)容量問題。
2、鎖存器：暫存每次測(cè)量的計(jì)數(shù)值。為顯示電路提供顯示數(shù)據(jù)。鎖存器由控制電路提供的瑣存信號(hào)S控制更換數(shù)值。以正確地顯示每一次的測(cè)量結(jié)果。
3、譯碼顯示電路：對(duì)鎖存器的輸出數(shù)據(jù)譯碼，變?yōu)槠叨螖?shù)碼顯示碼，并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器顯示出十進(jìn)制的測(cè)量結(jié)果。包括譯碼電路和驅(qū)動(dòng)顯示電路。
4、時(shí)基電路：提供電路所需的各種工作脈沖信號(hào)。主要由控制電路形成各種控制時(shí)序脈沖。頻率的穩(wěn)定和精確是重要考慮的問題，它決定了頻率測(cè)量的準(zhǔn)確程度。
5、輸入電路：對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。該部分要適應(yīng)各種輸入信號(hào)，如對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)大信號(hào)進(jìn)行限幅，對(duì)高頻信號(hào)和低頻信號(hào)都能形成計(jì)數(shù)脈沖輸出，以激勵(lì)門電路。
6、控制電路：產(chǎn)生有一定的時(shí)序要求的鎖存信號(hào)S、清除信號(hào)R等控制信號(hào)。給基準(zhǔn)脈沖控制的閘門脈沖信號(hào)給輸入電路取出計(jì)數(shù)脈沖。 三、 單元電路設(shè)計(jì)
1、輸入電路 1）原理設(shè)計(jì)
輸入電路是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大或衰減，變成合適的電壓范圍，同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔直、比較、整形，處理成脈沖信號(hào)，再通過(guò)閘門電路，由基準(zhǔn)脈沖選出計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器。
輸入電路首先要隔離直流，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅和放大處理。放大電路可采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于輸出脈沖要求的幅度較大，要求能夠驅(qū)動(dòng)門電路，對(duì)運(yùn)算放大器要求速度較高。圖1是采用高速CMOS反相器74HC04構(gòu)成放大電路的輸入電路。該集成電路的平均傳輸延遲時(shí)間約9nS。采用三級(jí)串接，形成足夠的放大倍數(shù)，放大電路的輸出幅度大。輸入端通過(guò)電容C隔離直流。二極管對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅，使輸入信號(hào)的電壓范圍變寬，滿足設(shè)計(jì)要求。二極管最好選用結(jié)電容較小、開關(guān)速度較高的高頻二極管，以免對(duì)高頻信號(hào)造成損失。后兩級(jí)形成施蜜特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，同時(shí)也有一定的放大作用。調(diào)節(jié)RW可改變施密特觸發(fā)器的閥值電壓。
4HC04
圖1 是采用74HC04構(gòu)成的輸入電路
2）電路調(diào)試
在電流板上焊接好元器件，對(duì)連接好的電路先不加輸入信號(hào)，測(cè)量各級(jí)直流工作電壓和電流是否正常。直流電壓的測(cè)試非常方便，可直接測(cè)量。進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試的目的主要是檢測(cè)電路板中是否出現(xiàn)短路和斷路的情況，防止在焊接電路的過(guò)程中出現(xiàn)的焊接問題給后面的電路檢測(cè)帶來(lái)問題。
在實(shí)驗(yàn)箱上調(diào)+5v的電源，給電路通上電，輸入檢測(cè)信號(hào)，從被檢測(cè)的信號(hào)輸入端輸入幅值在1V左右，頻率在1kHz，打開示波器，自檢，把示波器的第一通道的接地端接地，探針放到輸出端，用示波器觀察電路的輸出波形，理論上正常情況下，可以觀測(cè)到與輸入頻率一致、信號(hào)幅值在5V的矩形波，在示波器上我們可以觀察頻率一致的波形但是波形有一點(diǎn)失真，通過(guò)請(qǐng)教老師可知，只是因?yàn)槠骷男阅荜P(guān)系，才帶來(lái)的失真誤差。
2、時(shí)基電路
圖2 用CD4060集成電路的時(shí)基產(chǎn)生電路 圖3 CD4060的引腳圖 如圖2，采用CD4060集成電路，它集振蕩器和分頻器于一體，用32.768KHz的石英晶體構(gòu)成振蕩器，經(jīng)內(nèi)部14級(jí)二進(jìn)制分頻獲得2Hz的脈沖信號(hào)，再經(jīng)一個(gè)由D觸發(fā)器組成的2分頻電路分
頻得1S的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)，該電路結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但只有一個(gè)1S的基準(zhǔn)脈沖輸出。
CD4060的引腳圖如圖3所示。
2）電路調(diào)試
時(shí)基電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，即高電平的持續(xù)時(shí)間為1S，該電路的靜態(tài)調(diào)試已經(jīng)在之前進(jìn)行過(guò)，連接好電源和電路，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器上產(chǎn)生一個(gè)2V頻率為100Hz的信號(hào)，連入到電路，在示波器上觀察波形，可是這次我們沒有在示波器上發(fā)現(xiàn)波形，于是斷開電源，對(duì)集成塊的管腳進(jìn)行檢測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)管腳子焊接時(shí)出錯(cuò)，排除了故障，最終可以再示波器上顯示預(yù)期的波形，斷開電源，整理好試驗(yàn)箱和導(dǎo)線。
3、計(jì)數(shù)器 1）原理設(shè)計(jì)
圖4是采用三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4553的方案。CD4553為三位BCD碼計(jì)數(shù)器，該電路的特點(diǎn)是只有一組BCD碼輸出端，但通過(guò)分時(shí)控制可形成三位BCD碼輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描，可節(jié)省譯碼
圖5 CD4553內(nèi)部邏輯框圖
表1 CD4553的真值表
圖6 CD4553功能引腳圖
CD4553內(nèi)部邏輯框圖如圖5所示。CD4553的真值表見表1。功能引出見圖6。三個(gè)用負(fù)沿觸發(fā)的BCD碼計(jì)數(shù)器以同步工作方式級(jí)聯(lián)。每個(gè)BCD碼計(jì)數(shù)器輸出端都有一個(gè)四位鎖存器，通過(guò)門鎖端LE控制。對(duì)計(jì)數(shù)器結(jié)果加以存儲(chǔ)或傳送。LE為高電平時(shí)執(zhí)行鎖存，LE為低電平時(shí)執(zhí)行傳數(shù)。鎖存器與多路轉(zhuǎn)換器配合，完成三組BCD碼計(jì)數(shù)值的分時(shí)輸出。數(shù)字選擇輸出端為分時(shí)輸出同步控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的動(dòng)態(tài)顯示，輸出低電平有效。芯片內(nèi)設(shè)置了一個(gè)掃描振蕩器，用來(lái)產(chǎn)生掃描時(shí)鐘脈沖，通過(guò)掃描器驅(qū)動(dòng)多路轉(zhuǎn)換器，完成分時(shí)輸出。掃描頻率由芯片3、4腳外接的電容器C值來(lái)設(shè)定，作為內(nèi)部時(shí)鐘；或由4腳直接輸入外部時(shí)鐘。使用內(nèi)時(shí)鐘時(shí)，電容器C的數(shù)值可按下式選�。簰呙桀l率f (Hz)=1.2/C（uF）。
在時(shí)鐘輸入端設(shè)置了脈沖整形電路，因此對(duì)輸入計(jì)數(shù)脈沖的沿口無(wú)特殊要求。13腳為復(fù)位端（MR），在高電平時(shí)，掃描振蕩被禁止，掃描器被復(fù)位，數(shù)字選擇輸出端DS1、DS2、DS3均輸出高電平，使顯示消隱；同時(shí)還將3位BCD碼計(jì)數(shù)器全部清零，14腳（OVF）為進(jìn)位端，當(dāng)本級(jí)輸入第1000個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，OF端輸出一正脈沖。
2）電路調(diào)試
連接好電路，通上+5V的電壓，連接好示波器，觀察示波器上的波形，我們可以觀察到相鄰計(jì)數(shù)器始終端的波形頻率一次大約相差十倍，各電平值或波形與電路給出的狀態(tài)大約一致其實(shí)對(duì)于這個(gè)電路的檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)在示波器上顯示的波形的頻率關(guān)系并不一致，而且波形也不正常，于是在老師的指導(dǎo)下對(duì)計(jì)數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)了原因，原來(lái)我們的導(dǎo)線有問題，排除了故障。
4、譯碼顯示電路 1）原理設(shè)計(jì)
圖7為配合CD4553的譯碼顯示方案，其中三極管Q1、Q2、Q3由CD4553控制循環(huán)選擇動(dòng)態(tài)的三位數(shù)碼顯示器。R1~R7為限流電阻。CD4543為七段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器，其特點(diǎn)是既可驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)或共陰的LED，也可驅(qū)動(dòng)LCD，使用比較方便。
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圖7 配合CD4553的譯碼顯示電路
譯碼顯示器也可選用CD4544，它和CD4543功能相同，只是多了RBI、RBO兩個(gè)滅零輸入和滅零輸出端口。它們的引腳圖如圖8，功能表如表2。
對(duì)于該電路的調(diào)試，在焊接前要對(duì)七段數(shù)碼管進(jìn)行一個(gè)管腳檢測(cè)步驟，檢測(cè)掐斷數(shù)碼管同測(cè)試普通半導(dǎo)體二極管一樣。注意!萬(wàn)用表應(yīng)放在R×10K檔，因?yàn)镽×1K檔測(cè)不出數(shù)碼管的正反向電阻值。對(duì)于共陰極的數(shù)碼管，紅表筆接數(shù)碼管的“-”，黑表筆分別接其他各腳。測(cè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管時(shí)，黑表筆接數(shù)碼管的接地端，紅表筆接其他各腳。另一種測(cè)試法，用兩節(jié)一號(hào)電池串聯(lián)，對(duì)于共陰極的數(shù)碼管，電池的負(fù)極接數(shù)碼管的“-”，電池的正極分別接其他各腳。對(duì)于共陽(yáng)極的數(shù)碼管，電池的正極接數(shù)碼管的接地端，電池的負(fù)極分別接其他各腳，看各段是否點(diǎn)亮。對(duì)于不明型號(hào)不知管腳排列的數(shù)碼管，用第一種方法找到共用點(diǎn)，用第二種方法測(cè)試出各筆段a-g、接地端、H等。通過(guò)觀察數(shù)碼管的電量情況就可以該段電路的好壞。
5、控制電路
控制電路主要產(chǎn)生閘門信號(hào)、計(jì)數(shù)器清零信號(hào)、鎖存器的鎖存信號(hào)等控制信號(hào)，主要由閘門電路、延時(shí)電路、整形電路組成。
閘門電路主要產(chǎn)生閘門脈沖，它的脈沖寬度控制每一次的測(cè)量時(shí)間，如1S，0.1S等，由時(shí)基電路提供。圖9為使用雙D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成的方案。清零信號(hào)脈沖對(duì)觸發(fā)器UB清零，UB輸出端Q為“0”使得 UA清零信號(hào)無(wú)效。基準(zhǔn)脈沖上升沿到來(lái)使觸發(fā)器UA翻轉(zhuǎn)，Q端輸出為“1”，第二個(gè)基準(zhǔn)脈沖到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器UA翻轉(zhuǎn)，Q端輸出為“0”；同時(shí)輸出端Q上升沿使得UB翻轉(zhuǎn)，UB的，輸出一個(gè)下降沿觸發(fā)延時(shí)電路，UB的Q端變?yōu)椤?”，對(duì)UA置零，使UA的Q
Q輸出變?yōu)椤?”
圖9 控制電路
圖11為采用三雙精密可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538構(gòu)成的延時(shí)電路，可輸出鎖存脈沖和清零脈沖信號(hào)。電路中利用一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)閘門脈沖的后沿作延遲，延遲時(shí)間由定時(shí)電路參數(shù)決定約為R1C1，通過(guò)微分電路整形成一定寬度的脈沖，脈沖寬度約為0.7R2C2，從而形成鎖存脈沖。注意脈沖寬度的不要選得太大。另一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路是對(duì)鎖存脈沖的延遲得到清零脈沖，其工作原理和鎖存脈沖的延遲電路原理一樣。CD4538的引腳圖見圖10，功能表見表3。
表3 CD4538的功能表
圖10 CD4538引腳圖
圖11 由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538構(gòu)成的延時(shí)電路
6、整機(jī)電路調(diào)試
用導(dǎo)線接通所有的電路模塊，再用萬(wàn)用表檢測(cè)各模塊之間是否連通，檢測(cè)好后，從函數(shù)信號(hào)發(fā)生器上產(chǎn)生一個(gè)電壓為2V頻率為100Hz的信號(hào)，連接到電路的輸入端，給電路上電，觀察七段數(shù)碼管是否正確顯示頻率的大小，這次為了節(jié)約成本，我們只用兩塊七段數(shù)碼管來(lái)顯示有三位數(shù)的顯示，我們只顯示十位和百位的數(shù)字，不斷的檢測(cè)與該進(jìn)，最終我們成功的讓其顯示了正確的頻率。再次在函數(shù)型號(hào)發(fā)生器上產(chǎn)生一個(gè)電壓為2V頻率為90Hz的信號(hào)。連接到電路，我們發(fā)現(xiàn)顯示電路的百位七段數(shù)碼顯示0，十位七段數(shù)碼顯示9，這說(shuō)明顯示成功。最后斷開電源，整理好實(shí)驗(yàn)箱和導(dǎo)線，調(diào)試結(jié)束。
四、 設(shè)計(jì)心得
經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的努力，我們小組的數(shù)字頻率計(jì)制作和調(diào)試都圓滿成功，我很高興也很激動(dòng)。因?yàn)樽约焊冻龅玫搅嘶貓?bào)。在這過(guò)程中，我們小組很努力的去做比其他同學(xué)都認(rèn)真，每一個(gè)孔的焊接，每一條線路的連接我們都很細(xì)心去做也有認(rèn)真的去思考老師給我們的電路原理，，我們小組分工合作，我負(fù)責(zé)電路原理圖和電路元件參數(shù)的計(jì)算與選取，黎德強(qiáng)同學(xué)則負(fù)責(zé)電子元器件的購(gòu)買，黎德強(qiáng)是電子協(xié)會(huì)的，在這個(gè)制作過(guò)程中我向他學(xué)習(xí)了不少的知識(shí)，關(guān)鵬毅同學(xué)主要負(fù)責(zé)電路板的焊機(jī)工作，對(duì)于焊接我一直覺得是一件比較麻煩的事，這兩位同學(xué)所辛苦的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我了，在這里衷心謝謝這兩位同學(xué)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們也是相互學(xué)習(xí)的一個(gè)過(guò)程，每個(gè)人都有自己擅長(zhǎng)的，我們通過(guò)實(shí)踐相互交流，這是一種很好的學(xué)習(xí)過(guò)程。
調(diào)試過(guò)程中，我們也面臨著很多問題，有時(shí)候電路板得不到預(yù)期的效果要求，通過(guò)檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)問題，有時(shí)是電路的焊接問題，有時(shí)是電路元器件參數(shù)不正確，有時(shí)電阻的誤用等。有時(shí)候我們也不得不請(qǐng)教老師，跟老師討論出現(xiàn)什么問題，，老師告訴我可能什么原因，在通過(guò)檢查后發(fā)現(xiàn)問題，再解決這問題，我們的數(shù)字頻率計(jì)就是這樣完成的。再此我還要感謝我們的指導(dǎo)老師。
電子綜合技能實(shí)訓(xùn)課程，是針對(duì)專業(yè)理論和實(shí)踐相結(jié)合的一門過(guò)程，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不但可以對(duì)以前所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)作系統(tǒng)性的回顧，還可以學(xué)到不少的新知識(shí)，我想只有這樣的課程才能更大程度的讓我們的學(xué)習(xí)得到進(jìn)步。
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