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频率计的设计
内容介绍:
数字频率计是用来测量信号频率的装置。它可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试的过程中,经常要用到频率计。
由于其用十进制数显示,测量速度快、精度高、显示直观,因此频率计得到广泛的应用。
设计内容及技术指标
设计内容:
设计用四只数码管显示结果的数字频率计。
技术指标:
测量信号:正弦波、方波、三角波
被测量信号频率范围:1HZ—9999HZ
显示方式:4位十进制数显示
时基电路由555定时器组成多谐振荡器产生的时基信号,其脉冲宽度分别为:正脉冲 1S,
电路原理及框图
数字频率计测频率的基本原理:
所谓频率,就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为N,则其频率可表示为:f=N/T (1)
图1(a)是数字频率计的组成框图。被测信号vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I,其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号II,其高电平持续时间t1=1s,当l秒信号来到时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门,计数器开始计数,直到l秒信号结束时闸门关闭,停止计数。
若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N,则被测信号频率fx=NHz。逻辑控制电路的作用有两个:一是产生锁存脉冲IV,使显示器上的数字稳定;二是产生清“0”脉冲V,使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图1(b)所示。
锁存电路
闸门电路
计数电路
译码显示电路
时基信号
放大整形电路
图1(a) 频率计系统框图
逻
辑
控
制
电
路
I←{那IIを
II
III
IV
V
数字频率计的框图:如图1(a)所示
所谓频率,就是周期性信号的在单位时间(1s)内变化的次数,若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N,则其频率可表示为:
()
上图是数字频率计的结构框图。被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号,其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号,其高电平持续的时间,当信号来到时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门,计数器开始计数,直到信号结束时闸门关闭,停止计数。若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为,则被测信号频率。逻辑控制电路的作用有两个:一是产生锁存脉冲,使显示器上的数字稳定;二是产生清“0”脉冲,使技术器每次测量从零开始计数。各信号之见的时序关系如图所示。数字频率计广泛的用来测量交流电信号的频率、周期、频率比、时间间隔、累积计数等。它由输入通道、计数显示、时间基准和逻辑控制电路等四部分组成。输入通道:对输入信号的波形进行整形放大,使波形与幅值“标准化”,以适合于计数器的工作。
三、单元电路设计
时基电路:
时基电路的作用是产生一个标准时间信号(高电平持续时间为1s),由定时器 555构成的多谐振荡器产生(当标准时间的精度要求较高时,应通过晶体振荡器分频获得)。若振荡器的频率fo=1/(t1+t2)=,则振荡器的输出波形如图中的波形Ⅱ所示,其中t=1S,t2=。
由公式t1=(R1+R2)
和t2=,
可计算出电阻R1、R2及
电容C的值。
若取电容C=10uF,则:
R2=t2/=
取标称值36KΩ
R1=(t/)-R2=107KΩ
取R1=47 KΩ,
RP=100 KΩ
时基电路图如图所示:
其仿真电路如图所示:
2、放大整形电路:
放大整形电路由晶体管9013与74LS00;或集成运算放大器等组成,将输入期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器,它对放大器的输出信号进行整形,使之成为矩形脉冲。
放大整形电路如图所示:
放大器采用三级CMOS反向器串联而成放大倍数为200倍,足以将30mV以上的信号电压放大至限幅状态。采用CMOS反向器组成的放大器具有输入阻抗高、功耗低、简单可靠,无须调试等特点。整形电路采用CMOS反向器D8、D9等构成施密特触发器,将模拟信号整形为边沿陡直的方波脉冲送入计数器。
接通电源后,用直流数字电压表测1V0端输出电压,如果IV0>,则放大电路和设计满足要求。否则,则需调节R2的阻值,直到其满足要求。
高速整形电路是高速计数电路的重要组成部分,它的性能对计数电路的最高计数频率影响很大。常用的高速整形电路有电流型施密特触发器和隧道二极管整形器两种,而我在这所用到的是施密特触发器作为整形电路。它对放大器的输出信号进行整形使之成为矩形脉冲。
其结果仿真图为:
3、逻辑控制电路:
根据图1