测控电路实验三报告
【实验三】频率测量技术及应用实验
一、实验目的:
通过计算机仿真与实验室电路搭建,理解频率测量与周期测量技术的基本原理、掌握误差分析方法,学习频率测量技术的基本技能与基本应用。
二、实验内容:
由同学自行设计频率测量电路或周期测量电路。通过实验,进一步了解频率测量电路的工作原理。掌握减少测量误差及对测量误差进行分析的方法。可等精度测量某一频率(例如1kHz或其他指定值)若干次,或对标称频率f0=1Hz、20Hz、
5kHz、175kHz、1MHz等,自行修改 电路参数,以达到减少误差的目的。
三、实验要求
电路设计原理合理,结构简单,能达到一定的精度要求。
四:频率测量电路实例(简易数字频率计)
(1)设计要求
频率测量范围:信号为方波、三角波和正弦波,幅度为0. 5~5V、频率范围为1~9 999Hz。十进制数字显示,显示刷新时间为1s。
(2)任务分析
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内测得周期性信号的重复变化次数为N,则频率可表示为f=N/T(Hz)。
图1 数字频率计的组成框图
根据设计要求数字频率计的组成如图1所示,被测信号vx经放大整形电路变成计数电路所要求的脉冲信号fxh,其频率与被测信号vx的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Clock,其高电平持续时间t1=1s,当1s信号来到时,闸门电路开通,被测脉冲信号通过闸门电路,成为计数电路的计数脉冲CP,计数电路开始计数,直到ls信号结束时闸门电路关闭,停止计数。若在闸门时间1s内计数电路计得的脉冲个数为N,则被测信号频率f=NHz
。控制电路的作
用有两个:一是产生锁存脉冲CLK,使显示电路上的数字稳定;二是产生清“0”脉冲RD,使计数电路每次测量从零开始计数。
采用Multisim进行设计和仿真时,可将整体电路图分成时基控制电路(包括时基电路、控制电路、闸门电路)、放大整形电路(包括放大和整形电路)、计数译码显示电路(包括计数、锁存、译码显示电路)3个局部电路图,分别创建。
(3)放大整形电路的设计和仿真
放大整形电路由晶体管2N3904与74LS14N施密特触发器等组成。其中由晶体管2N3904组成的放大电路将输入频率为fx的周期信号如正弦波、方波等进行放大,施密特触发器对放大电路输出信号进行整形,使之成为与输入信号同频率的矩形脉冲。创建局部电路如图2所示,输入信号由信号发生器供给,其设置为: 7Hz、1Vpp的正弦波(三角波或方波),示波器A通道测量输入信号的波形, B通道测量放大整形之后的波形fxh,仿真波形如图3所示,放大整形之后的波形fxh是与输入信号同频率的矩形脉冲。
C2 C3电容隔直 增益为2倍(仅使斯密特触发器工作即可)
波形图:
(4)时基控制电路的设计和仿真
创建时基控制电路如图4所示,时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生,调节电位器R13的接入阻值,使标准时间信号Clock高电平的持续时间为1s。控制电路由单稳态触发器SN74123N组成,在标准时间信号Clock结束时,由两个单稳态触发器SN74123N分别产生锁存信号CLK,锁存信号CLK结束时产生清“0”信号RD,它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。并且锁存信号CLK和清“0”信号RD的脉宽之和不能超过标准时间信号Clock的低电平持续时间。另外,清零信号也可以由手动复位开关J1的按钮B来控制,开关J1闭合时,计数电路清“0”。两种方式清零信号加在U2A与非门74LS00N的两个输入端,与非门74LS00N的输出即为计数电路的清“0”信号RD。电路中U2B与非门74LS00N组成闸门电路,其作用是产生计数脉冲CP。当手动复位开关J1闭合,再打开时,各信号之间的时序关系如图5所示, 4踪示波器的测量波形 为:A通道是标准时间信号Clock的波形,其高电平的持续时间为1s;B通道是锁存信号CLK的波形;C通道是清“0”信号RD的波形,其波形第一个清零信 号正脉冲是由手动复位开关J1给出的;D通道是计数电路的计数脉冲CP的波形,与标准时间信号Clock波形相对应,可知在1s内有7个脉冲上升沿,即1s内有7个放大整形信号fxh脉冲通过。
此处由于以上述三极管放大电路在模块级联时波形不稳定,故用相似的运放电路op07代替,效果更好。
SN74123单稳态触发器时间常数由相应的外接电容电阻组成(100k 2uf时效果较好)
波形图:
四个波形由上到下分别为:
Clock CLK RD CP
附录:SN74123功能表 时间计算
K=0.28 电子1012班 刘伟
1020106216