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频率计报告原理部分
数字频率计的设计
设计要求和指标
1、可测频率范围为10Hz~1MHz。
2、采用数码管显示,显示位数不少于6位。
3、显示时间从2~7秒可调。
4、输入阻抗大于10KΩ。
5、输入信号峰峰电压值在0.5~20V范围内可测。
函数发生器的基本原理
一、测量原理
频率为单位时间内信号的周期数。对脉冲信号而言,其频率为一秒钟内的脉冲个数;计数器在一秒钟内对脉冲信号进行计数,计数的结果就是该信号的频率。只要计数结果以十进制方式显示出来,就是最简单的频率计。如图2.1.1所示,被测脉冲信号为X,在T1时刻出现一个脉冲宽度为一秒的闸门脉冲信号P,用闸门脉冲P取出一秒时间内的输入脉冲信号X形成计数脉冲Y,计数器对计数脉冲信号Y进行计数;计数的结果(频率值)在T2时刻被锁存信号S控制,锁存到寄存器,并通过译码器、显示器把并率显示出来。在T3时刻计数器被清除信号R清零,准备下一次的计数,一次测量结束。
图2.1.1 频率器的测量原理
显示数值在T2时刻更换,S脉冲信号的周期为显示时间,其大小反映显示值的变化快慢。
显示时间Tx为:
Tx=T3-T2+(0~2) (秒)
可见,改变T3-T2的值可调节显示时间,通常T3是通过T2的延时而得,通过调节延时时间来调节显示时间。
二、方案框图
频率计的框图如图2.1.2,由六部分组成,以计数器为核心,各部分的功能如下:
图2.1.2 频率计总体框图
1、计数器:在规定的时间内完成对被测脉冲信号的计数。由输入电路提供计数脉冲输入,对脉冲进行计数(在规定的测量频率范围内计数无益出)。计数结果一般为十进制,并将计数结果输出送往寄存器,再由控制电路提供的清除信号R清零。等待下一次计数的开始。该部分主要考虑计数器的工作频率和计数容量问题。
2、锁存器:暂存每次测量的计数值。为显示电路提供显示数据。锁存器由控制电路提供的琐存信号S控制更换数值。以正确地显示每一次的测量结果。
3、译码显示电路:对锁存器的输出数据译码,变为七段数码显示码,并驱动数码显示器显示出十进制的测量结果。包括译码电路和驱动显示电路。
4、时基电路:提供电路所需的各种工作脉冲信号。主要由控制电路形成各种控制时序脉冲。频率的稳定和精确是重要考虑的问题,它决定了频率测量的准确程度。
5、输入电路:对各种输入信号进行放大处理,产生计数脉冲。该部分要适应各种输入信号,如对小信号进行放大,对大信号进行限幅,对高频信号和低频信号都能形成计数脉冲输出,以激励门电路。
6、控制电路:产生有一定的时序要求的锁存信号S、清除信号R等控制信号。给基准脉冲控制的闸门脉冲信号给输入电路取出计数脉冲。
单元电路设计
1、输入电路
1)原理设计
输入电路是对输入信号进行放大或衰减,变成合适的电压范围,同时对输入信号进行隔直、比较、整形,处理成脉冲信号,再通过闸门电路,由基准脉冲选出计数脉冲进入计数器。
输入电路首先要隔离直流,然后对信号进行限幅和放大处理。放大电路可采用运算放大器构成。由于输出脉冲要求的幅度较大,要求能够驱动门电路,对运算放大器要求速度较高。图1是采用高速CMOS反相器74HC04构成放大电路的输入电路。该集成电路的平均传输延迟时间约9nS。采用三级串接,形成足够的放大倍数,放大电路的输出幅度大。输入端通过电容C隔离直流。二极管对输入信号进行限幅,使输入信号的电压范围变宽,满足设计要求。二极管最好选用结电容较小、开关速度较高的高频二极管,以免对高频信号造成损失。后两级形成施蜜特触发器对信号进行整形,同时也有一定的放大作用。调节RW可改变施密特触发器的阀值电压。
图1 是采用74HC04构成的输入电路
2)电路调试
在电流板上焊接好元器件,对连接好的电路先不加输入信号,测量各级直流工作电压和电流是否正常。直流电压的测试非常方便,可直接测量。
图2 用CD4060集成电路的时基产生电路 图3 CD4060的引脚图
如图2,采用CD4060集成电路,它集振荡器和分频器于一体,用32.768KHz的石英晶体构成振荡器,经内部14级二进制分频获得2Hz的脉冲信号,再经一个由D触发器组成的2分频电路分频得1S的基准脉冲信号,该电路结构最为简单,但只有一个1S的基准脉冲输出。
CD4060的引脚图如图3所示。
2)电路调试
时基电路的作用是产生一个标准时间信号,即高电平的持续时间为1S,该电路的静态调试已经在之前进行过,连接好电源和电路,函数信号发生器上产生一个2V频率为100Hz的信号,连入到电路,在示波器上观察波形,可是这次我们没有在示波器上发现波形,于是断开电源,对集成块的管脚进行检测,最终发现管脚子焊接时出错,排除了故障,最终可以再示波器上显示预期的波形,断开电源,整理好试验
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