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数字周期测量计
1 设计任务描述
1.1 设计题目:数字周期测量计
1.2 设计要求
(1)要求被测信号为方波,峰值为3V到5V(和TTL兼容),被测信号周期范围:10us到1s;
(2)设计石英晶体振荡器及分频系统,闸门时间:1us,10us,100us,1ms; 3)可控制的计数、锁存、译码显示系统。
1.2.1 设计目的
(1)2个方向;
(2)符合设计要求的报告一份,其中包括逻辑电路图、实际接线图各一份;
(3)设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交;报告的电子档需全班统一存盘上交。
1.2.3 发挥部分
(1)被测信号为三角波信号;
(2) 溢出报警装置。
2 设计思路
我的设计思路是首先让被测信号进入施密特触发器进行波形整流,将输入波形整形为方波,然后进入JK触发器,实现二分频后进入主控门。与此同时,石英晶体振荡器发出频率为1MHz即周期为1us的信号,以此为基准信号,经过三个分频器分别进行十分频后,接为1us,10us,100us,1ms四个分档闸门,与输入信号一起进入与门。经过与门以后,所得到的信号就是与被测信号高电平周期相等的若干基准信号,然后将这个信号送给计数器电路,我的计数器选用的是74LS290,将74LS290接成十进制,然后通过计数器后进入锁存器和溢出报警装置,我的溢出报警装置是将计数器输出端的最高位和最低位接到一个八输入与门上,当四个计数器输出都是1001时,与门打开,发光二极管发光报警。锁存器我用的是74LS75,它的使能端与JK触发器输出端相连,即锁存由控制电路给出的信号控制,接着信号进入译码器,最后将信号送给七段显示器显示,测量结束。
需要注意的是显示屏显示的数字并不是实际的周期,需要一个换算的过程:被测波周期=显示数字×闸门单位。
以上为周期测量计的大体思路,详细的讲解和参数计算分析在下文继续介绍。
3 设计方框图
4 各部分电路设计及参数计算
我设计的电路主要分为5大部分,分别是整形电路部分,时基电路部分,溢出报警装置部分,计数、译码、锁存电路部分和显示电路部分,以下为具体功能及参数计算。
4.1整形电路
整形电路主要由一个二极管,一个555定时器和一个JK触发器组成,被测信号首先进入二极管进行整流,然后进入555定时器,将555定时器的8脚4脚接电源,1脚接地,2脚和6脚相连作为输入端,3脚作为输出端,这样就构成了一个施密特触发器,这样输入信号就被整形成了方波,然后进入JK触发器,实现二分频功能。施密特触发器具有滞回特性,即输出电压由高电平跳变为低电平时所对应的输入电压Ui和由低电平跳变为高电平所对应的输入电压Ui是不同的。
4.1.1 555定时器部分
① 当Ui由0上升至≤Ucc*1/3时,Uc1=1,Uc2=0,触发器低电平置位,Q=U0=1。
② 当Ui上升,在Ucc*1/3至Ucc*2/3之间,Uc1=1,Uc2=1,触发器保持,Q=U0=1。
③ 当Ui≥Ucc*2/3时,Uc1=1,Uc2=0,触发器低电平复位,Q=U0=0。
④ 当Ui由Ucc*下降至≤Ucc*1/3时,Uc1=1,Uc2=0,触发器低电平置位,Q=U0=1。
若输入电压的波形是个三角波,则对应的输出波形如图所示。
若输入电压为正弦波同理。4.1.2 JK触发器
将JK两脚接为逻辑高电平1,信号从使能端输入,是低电平有效,所以每到下降沿时翻转,实现二分频功能。
4.2时基电路
时基电路由石英晶体振荡电路和三个十进制计数器74LS290组成。
4.2.1 石英晶体振荡器
石英晶体在外加电压的作用下,它会产生一个压电效应,石英晶体产生机械振动,当外加电压的频率与晶体固有振荡频率相同时,晶体的机械振幅最大,产生的交变电场也就最大,形成压电谐振。从石英晶体的电抗频率特性可知,它有两个相当接近的谐振额率,一个串联谐振频率,一个并联谐振频率,当石英晶体处于串联谐振时电抗最小,当处于并联谐振时电抗最大,当处于这两个频率范围之间时,石英晶体呈电感性,当游离这两个频率之外时,石英晶体呈容性。石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整,用它产生标准频率信号,再由分频器分成秒时间脉冲。电路图如下:
4.2.2 分频电路
分频电路是将石英晶体振荡电路产生的信号再次处理,将周期扩大10倍,100倍,1000倍,这样就将石英晶体振荡器的发出的周期为1us的信
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