如果忽略T的饱和压降,则Vc从0电平升到2Vcc/3的时间,即为输出电压Vo的脉宽tw
tw=RC1In3≈1.1RC
(2)
在电路暂稳态持续时间内,加入新的触发脉冲,该脉冲不起作用,电路为不可重复触发单稳态触发器。
令C1=10nF,由公式
(2)可知,R取不同的值时,数字频率计所测信号频率范围不同,分辨率也不同。
当只有J2闭合,选择R5=91.2MOhm的档,tw=R5C1In3≈1s,f=N/1,显示数值为所测信号频率,单位为HZ,可测频率范围1HZ~9999HZ,分辨率1HZ;
当只有J3闭合,选择R4=9.12MOhm的档,tw=R4C1In3≈0.1s,fN/0.1=10N,IO2连入的指示灯亮,显示数值(带小数点)为所测信号频率,单位为KHZ,可测频率范围10HZ~99.99KHZ,分辨率10HZ;
当只有J4闭合,选择R3=912kOhm的档,tw=R3C1In3≈0.01s,f=N/0.01=100N,IO3连入的指示灯亮,显示数值(带小数点)为所测信号频率,单位为KHZ,可测频率范围100HZ~999.9KHZ,分辨率100HZ;
当只有J5闭合,选择R1=9.12kOhm的档,tw=R1C1In3≈1ms,fN/0.001=1000N,显示数值为所测信号频率的,单位为KHZ,可测频率范围1KHZ~9999KHZ,分辨率1KHZ;
总结:
闸门时间选择将得到不同的分辨力,闸门时间越长,分辨力越高,但速度降低,为达到测量迅速的目的,在设计中我们选择设定闸门时间都在1s及以下的档。
4)闸门电路输入输出波形:
下图为分别选择分辨率为1HZ(图3.21)、10HZ(图3.22)、100HZ(图3.23)、1KHZ(图3.24)的档位,闸门电路输入输出的波形图,其中tw=T2-T1.由图可知,当施密特触发器触发输入端输入一个触发信号(下降沿)时,其输出端输出一个时间为tw的高电平,tw分别约等于1s,100ms,10ms,1ms.
图3.21图3.22
图3.23图3.24
3.3计数电路
1)计数电路的功能:
脉冲信号进入十进制计数器,在闸门时间T1=tw内,累计信号脉冲个数N=T×f,计数器通过对脉冲信号计数,可直接或间接测出周期信号的频率。
2)计数电路如图3.3所示:
图3.3
3)计数电路原理及功能实现:
计数电路所选芯片为74LS160,该芯片为可预置的十进制同步计数器。
其真值表如表2所示:
表2
74LS160的清除端是异步的。
当清除端CLR为低电平时,不管时钟端CLK状态如何,即可完成清除功能;74LS160的预置是同步的。
当置入控制器LOAD为低电平时,在CP上升沿作用下,输出端QA-QD与数据输入端A-D一致;160的计数是同步的,靠CLK同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET均为高电平时,在CP上升沿作用下QA-QD同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
74LS160有超前进位功能。
当计数溢出时,进位输出端RCO输出一个高电平脉冲,其宽度为Q0的高电平部分。
在不外加门电路的情况下,可级联成N位同步计数器。
只要将低位的进位端RCO与高位的CLK端相连接即可。
这里我们将四个74LS160级联成4位同步十进制计数器。
整个计数电路的输入端IO1(第一个74LS160的LOAD端)与闸门电路的输出端连接,闸门打开,计数器开始计数。
闸门关闭,计数器停止计数。
IO2为最高位的进位端,在之后的超量程报警中用到。
3.4锁存显示电路
1)锁存显示电路功能:
当计数完成,即闸门关闭时,通过锁存电路将计数结果锁存,计数结果(为十进制,读数方便)通过四个十六进制数码管显示,不需要通过译码,大大的简化了电路。
2)锁存显示电路图如图3.4所示,
图3.4
注:
图3.4中LOCK1为整体电路的子电路形式,整个设计中要用到4个该子电路,分别对计数器电路的四位数字进行锁存。
图3.41为该子电路的原理图:
图3.41
3)锁存显示电路原理及功能实现:
锁存电路由四个D锁存器构成,D锁存器是电平触发的存储单元。
数据存储的动作取决于使能信号的电平值,仅当存储器处于使能状态时,输出才会随着数据输入发生变化。
在不锁存数据时,输出端的信号随着输入信号发生变化,就像信号通过一个缓冲器一样;一旦锁存信号起锁存作用,数据被锁住,输入信号不起作用。
其真值表如表3所示:
D锁存器真值表
EN
D
Q
1
0
0
1
1
1
0
0
锁存
0
1
锁存
表3
四个锁存器的输入端D分别与计数器的QA~QD相连,输出端Q分别与后面的显示电路相连。
4个D锁存器的EN端都连接到闸门电路的输出端,当闸门打开时,输出端的信号随着输入信号发生变化,不起锁存作用,闸门关闭后,锁存信号起锁存作用,数据被锁住,输入信号不起作用。
3.5超量程报警显示电路
1)超量程报警显示电路功能:
在被测信号频率范围未知的情况下,如果选择了不合适的档位,特别是量程小于被测频率的档,此时不能正确测量信号频率。
超量程报警显示电路在超量程测量时会进行报警,并且通过信号灯进行显示,提醒用户更换更高量程的档位。
2)超量程报警显示电路如图3.5所示:
图3.5
3)超量程报警显示电路原理及功能实现:
如图可知,5输入与门的5个输入端,其中四个分别与个十百千位计数器的进位端RCO连接,剩下的一个与闸门电路的输出端连接。
输出端连接到一个指示灯以及蜂鸣器的一端。
当闸门仍然处于开启状态,计数至9999,即四个计数器进位端都处于高电平时,与门输出高电平,指示灯亮,且蜂鸣器发出报警声音。
3.6整机电路
整机电路图如图3.5所示:
图3.5
注:
为了节约空间,整机电路图中计数电路的摆放与图3.3不同,但连线完全一样。
3.7其余功能的实现
主要为手动清零功能以及测量完成显示功能。
手动清零功能的实现主要依靠开关J6,当开关闭合时,计数电路和闸门电路正常工作,当开关打开时,计数电路与闸门电路均无外电源供应,起到手动清零的作用。
清零后将开关再次闭合,可以进行下次测量。
测量完成状态由显示灯X4显示。
测量完成即闸门关闭时,闸门电路输出低电平,经过一个非门后变为高电平,此时指示灯X4亮,表示测量完成。
3.8仿真结果
在Multisim软件里,按下仿真键,将开关J6闭合,依次选择1HZ档,10HZ档,100HZ,1KHZ档,测不同范围频率,检查结果是否与理论值相符合。
外界被测信号由软件自带的波形发生器生成,可设置任意频率值。
下面分别为用1HZ档测频率为1001HZ的信号(如图4.1),10HZ档测频率为11.03kHZ的信号(如图4.2),100HZ档测频率为111.1kHZ的信号(如图4.3),1kHZ档测频率为1001kHZ的信号(如图4.4)所得的仿真结果。
图4.1
图4.2
图4.3
图4.4
仿真所测值与理论值大致相等。
HZ档误差为±1HZ,10HZ档误差为±10HZ,100HZ档误差为±100HZ,1kHZ档误差为±1kHZ。
测量完成后,X4指示灯亮。
4设计体会
一周的电子技术课程设计结束了,在这一周里,在我们组全体成员的努力和合作下,这次课程设计以圆满告终。
这一周的课程设计让我学到了很多,不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识,而且也培养了我的动手能力,更令我的创造性思维得到拓展。
只有拥有扎实的理论知识才能形成设计理念。
课程设计前期,我们查阅了大量资料,重拾电子技术教材以及相关读物,对知识进行了系统而全面的梳理。
温故而知新,对理论知识有了全面的掌握后,我们整理出思路,灵感一触即发,我们很快设计出总体框架图。
然而实践是检验真理的唯一标准,有了理论基础的我们,在实际操作中并非一帆风顺。
电路连接好以后,我们遇到了很多问题,譬如在设计数字频率计的超量程报警时,计数到9000它就开始显示超程;譬如小数点的设置,譬如555定时器构成单稳态触发器等等。
这些问题一度让我们百思不得其解,但是通过不断的调试,这些问题最终得到了解决。
创新求发展,虽然网上不乏可借鉴的资料,这些资料能打开我们的思路,给我们灵感,但是我们每一步的设计都是通过自己思考,加入我们自己的创新思维。
有则改之无则加勉,虽然我们的设计已经基本完成,也得到了指导老师的肯定,但是我们仍然追求完美。
有时候我们整天都在宿舍进行仿真调试,就为了精度能够更高,读数能够更加方便,操作使用更加人性化甚至电路看上去更整洁清晰。
仿真的过程有时候很缓慢,例如为了验证超量程报警是否可行,计数器要计数到9999,这个过程甚至可以长达半个小时之久。
我们耐心和执着的态度,使得我们的设计成果一点点得到改进。
我们也从中不断领悟,不断获取。
这一周的课程设计让我学到了很多,不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识,而且也培养了我的动手能力,团队合作能力,磨炼了我的毅力,更令我的创造性思维得到拓展。
参考资料
[1]曾龙坤.简易数字频率计[J].集成电路应用,1991,(06)
[2]易灵芝,王根平,李卫平,彭寒梅.Multisim在电类课程实验教学中的应用[J]计量与测试技术,2009,(05)
[3]翟红艺.计算机仿真实验教学探讨[J]计算机教育,2010,(13)
[4]李峻薇.EDA在数字电路课程设计中的应用[J]科技广场,2007,(07)
[5]徐成,刘彦,李仁发,甘勇.一种全同步数字频率测量方法的研究[J]电子技术应用,2004,(07).
[6]李广明,杨雷.一种多周期测量频率的方法及应用[J]现代电子技术,2008,(12)
[7]康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社,2005,(07).
[8]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.电子工业出版社,2007,(05).
[9]卢菊洪.数字电路与逻辑设计实训教程.科学出版社,2003,(08).
[10]黄永定.电子线路实验与课程设计.机械工业出版社,2005,(08).