三位半数字万用表设计
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)
摘 要
在数字电路中,数字频率计属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发
器构成。在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。在CMOS 电路系列
产品中,数字频率计是用量最大、品种很多的产品,是计算机、通讯设备、音
频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器,并且与许多电参量的测量方案、
测量结果都有十分密切的关系。因此,频率的测量就显得更为重要。
数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。其基本
功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的
物理量。本设计中使用的是直接测频法,即用计数器在计算1S 内输入信号周期
的个数。它是由模块电路组成的,包括各种集成块、逻辑器件、简单的电子器
件为基础的简易数字频率计。
关键词:频率;集成电路;多谐振荡器;计数器
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Abstract
In the circuit,the digital cymommeter is the circuit of time sequence,it is mainly
formed by trigger with memory function.In the computer and various digital
instruments,it is widely used.AmongCMOS circuit serial products,cymometer
consumption most heavy,variety a lot sf product.The digital cymometer is measuring
instrument in scientific research such as computer,communication apparatus,audio
and video with indispensable productionfield,and the measurement scheme with a lot
of electric parameters,result of measuring all have a very close relation,so,the
measurement of frequency seems even more important.
The digital frequency meter is one kind with the decimal digit demonstrated is
measured the signaling frequency the numeral metering equipment.Its basic function
surveys the physical quantity which in the sine signal, the square-wave signal, the
triangular wave signal as well as other each kind of unit time change.In this design
uses is the direct frequency measurement law, namely in calculates in 1S with the
counter the input signal cycle integer.It is composed by the module electric circuit,
including each kind of integrated block, logical component, simple electronic device
for foundation simple digital frequency meter.
Keywords :Frequency ; integrated circuit; multivibrator ;counter
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目 录
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第1章绪论
1.1课题背景
当今社会是信息科技的时代,人才辈出的时代,电子信息技术推动社会跨
越性的进步、变革,科学技术发展日新月异,带动了生产力的大规模提高,科
技发展的程度是各国竞争的核心力量,尤其是电子信息技术显得更加重要。在
国民生产的各个部门,电子信息技术都得到了广泛的应用。
在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、
测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量显得更为重要。数字频率计是
在规定基准的时间内把测量的脉冲数记录下来,换算成频率并以数字的形式显
示出来。数字频率计是用于测量信号(正弦波、三角波、方波或其他周期性信
号)的频率,并用十进制数字显示,它具有精度高,测量速度快,读数直观,
使用方便等优点。在传统的电子测量仪器中,示波器在进行频率测量时测量精
度较低,误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱,但测
量速度较慢,无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率
计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化,因此,频率计拥有非常广泛的
应用范围。在传统的生产制造企业中,频率计被广泛的应用在产线的生产测试
中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化,用户通过使用频率
计能够迅速的发现有故障的晶振产品,确保产品质量。在计量实验室中,频率
计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中,频
率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准,还可以被用来对无线电
台的跳频信号和频率调制信号进行分析。
数字频率计已是现在频率计的发展方向,它不仅很方便的读数,而且还可
以使频率的测量范围和测量准确度上都比模拟先进。如今数字频率计的发展已
经不仅仅是一个小电子产品的发展也是整个民族乃至整个国家的发展,所以频
率计的发展是整体趋势。
1.2国内外概况
我国的频率计其实不是落后发达国家太多的,我国在这个领域的发展是极
其迅速的,现在的技术实际已是多年来见证。我国现阶段电子产品的市场特点,
电子数字化发展很快。在我国和发达国家的发展情况是趋于一致的,数字频率
计已经应用于高科技等产品上面,可以不无夸张的说没有不包含有频率计的电
子产品。我国的CD 、VCD 、DVD 和数字音响广播等新技术已开始大量进入市场;
而在今天这些行业中都必须用到频率计。到今天频率计已开始并正在向智能、
精细方向的发展。
国外的发展比我国要早,所以在这些行业中还领先于我们。我国还是缺少
开发和研发的资金投入,很多的电子企业都不太乐意去花大量的时间、资金和
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精力去研究和开发,这也就使得我国在这方面的人力和资金都不充足,也就无
法于发达国家相比,不能够形成一个量产的效果。从而很多的企业没有竞争力,
这也和我国其他的民族产业存在相同的情况,这也正是我国在高速发展后的今
天很少有自己的民族品牌的原因,所以我国应该大力的支持自己的民族品牌,
不仅仅是要在资金和人才的投入,还要有具体的实际行动并起到一定的保护作
用。
1.3目的和意义
利用数字电子技术进行数字频率计的电路设计,通过对集成电路、分立元
件的有关知识的理解与运用使学有所用,巩固了理论知识,将理论知识运用到
实际生活中。这样不但提高了学生的动手实践能力,更增强了我们从实际生活
中寻找问题、解决问题的能力。同时,在电路的设计和调试过程中,使学生掌
握电路调试和排除故障的基本方法以及对电路的设计有一个更透测的分析,通
过对各个集成芯片、元器件的性能和工作原理的理解与掌握,可以充分利用其
功能设计新产品、新设备等,从而开发学生的创新思维能力和潜在能力,培养
创造性,运用所学知识进行电路的设计同时也增强了动手能力,培养了对实践
的兴趣。
1.4电路要求和技术指标
1.4.1电路要求
利用数字集成电路设计四位数字频率计,对正弦波、三角波、方波三种信
号的频率进行测量,显示单位为Hz. 。
1.4.2技术指标
1. 被测信号幅度5V ;
2. 显示范围20~9999Hz;
3. 闸门时间为1秒;
4. 误差小于5%;
本章小结
本章主要介绍了数字频率计的课题背景、国内外概况、目的和意义、电路
要求及技术指标。通过本章的介绍,使我对本次课题有了更深的理解。
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第二章方案论证与设计
2.1 方案论证
在决定设计频率计之前,通过对频率计的理解程度,知道设计频率计有许多方案供参考。
方案一:
电路的整体框图如图2-1所示。秒信号源提供一个标准时间基准信号,送入到控制单元,产生时序控制信号。当信号到来时,闸门打开,被测信号通过闸门,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1s 内计数器计得脉冲数为N ,则被测信号频率值为fx=NHz。其电路结构简单、容易制作、易于实现、可靠性高且模块间产生的干扰非常小,对调试的过程带来了极大的方便。
图2-1方案一电路框图
方案二:
电路的整体框图如图2-2所示。选择采用单片机程序处理输入信号并且将结果直接送往LED 显示,为了提高系统的稳定性,输入信号前进行放大整形,再通A/D转换器输入单片机系统。采用这种方法可大大提高测试频率的精度和灵活性,并且能极大的减少外部干扰,采用VDHL 编程设计实现的数字频率计,除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外,其余部分在一片FPGA 芯片上实现,整个系统非常精简,而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种方案相对设计复杂度将会大大提高并且采用单片机系统成本也会大大提高。
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图2-2方案二电路框图
方案三:
电路的整体框图如图2-3所示。采用频率计专用模块,即大规模集成电路将计数器、译码、位和段驱动,量程及小数点选择等电路集成在一块芯片中,该方案在技术上是可行的,可以简化电路的设计,当对于设计要求中的某些指标,采用专用模块来完成比较困难,即扩展极为不便。
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图2-3方案三电路框图 2.2方案确定
综合以上:第一方案具有设计复杂度小、电路简洁、功能实用且成本低廉等特点,其稳定性好基本能满足设计要求。第二方案采用单片机处理精确度较高,但成本提高且设计复杂。第三方案采用专用的频率计设计模块固然设计简单且稳定,但系统可扩展性较差。所以我选用第一种设计方案。
本章小结
本章主要介绍了课题的设计方案,提出三种设计方案。此次毕业设计采用方案一,使电路制作更加方便。并简单介绍了其电路的各个组成部分电路,同时,绘制出电路的组成方框图。
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第三章 单元电路的设计 数字频率计主要由秒信号源电路、控制单元电路、计数/译码/驱动单元、显示单元等组成。下面一一介绍单元电路的各个部分的功能与特点。
3.1秒信号源电路
本次设计采用555定时器构成多谐振荡电路来产生时钟脉冲,这样不但成本比较低,而且实现起来比较方便。它的功能灵活,使用方便,带负载能力强。利用它能方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等,这些触发器应用与数字系统中,在实现脉冲的产生、整形、变换、检测和控制等方面都得到广泛的应用。
555 集成电路有双极型和 CMOS 型两种。 CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高,但输出功率较小,输出驱动电流只有几毫安。双极型的优点是输出功率大,驱动电流达 200 毫安,其它指标则不如 CMOS 型的。所以我决定选用COMS 型的555集成电路。以下是对555集成电路的具体介绍。
555定时器的电源电压范围较大,双极型电路Vcc =4.5~16V ,输出高电平不低于电源电压的90%,带拉电流和灌电流负载的能力可达200mA ;CMOS 电路V DD =3~18V ,输出高电平不低于电源电压的95%,带拉电流负载的能力为1mA ,带灌电流负载的能力为3.2mA 。
3.1.1 555定时器的内部结构图及内部功能框图
555定时器的电路结构 :555定时器是一种集成电路,其内部结构图如图3-1所示,因集成电路内部含有三个5千欧电阻而得名。利用555定时器可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器由基本RS 触发器、比较器、分压器和晶体管开关和输出缓冲器等部分组成。其内部功能框图如图3-2所示。
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图3-1 555集成定时器的内部结构图
图3-2 555集成定时器的内部功能框图
1. 基本RS 触发器 由两个与非门组成,R 是专门设置的可从外部进行置0的复位端。R 当=0时,使Q =0,Q =1。
2. 比较器
A1、A2是两个电压比较器。比较器有两输入端,分别有‘+’号和‘-
’
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号,如果用U +和U -表示相应输入端上所加的电压,则当U +>U -时其输出为高电平,U +<U -时输出为低电平,两个输入端基本上不向外电路索取电流,即输入电阻趋近于无穷大。
3. 分压器
三个阻值均5K 的电阻串联起来构成分压器(555也因此而得名),为比较器A1和A2提供了参考电压,A1之正端U +=2Vcc/3、A2之负端U -= Vcc/3。如果在电压控制端CO 另加控制电压,则可改变A1、A2的参考电压。工作中不使用CO 端时,一般都通过一个0.01uF 的电容接地,以旁路高频干扰。
4. 晶体管开关和输出缓冲器
晶体管T D 构成开关,其状态受Q 端控制。当Q 端为0时T D 截止,相反Q 为1时T D 导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3,其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。
综上所述可知,555定时器不仅提供了一个复位电平为2 Vcc/3、置位电平为Vcc/3、且可通过R 端直接从外部进行置0的基本RS 触发器,而且还给出一个状态受该触发器Q 端控制的晶体管开关,因此使用起来极为灵活。
3.1.2 555定时器的引脚功能
555定时器是一种中规模集成电路,只要在外部配上适当的阻容元件,就可以方便的构成脉冲产生的整形电路,在工业控制定时电子乐器及防盗报警等方面应用很广。其引脚排列及封装如图3-3所示。
(a )555定时器的英文引脚图 (b) 555定时器的引脚接线图
图3-3 555定时器的引脚排列图及封装图
如图3-3所示,可知555定时器的个引脚功能如下: ①1脚是接地端:即GND ,悬空不能使用; ②2脚是触发端:TR 端,高电平触发; ③3脚是输出端:输出谐振信号; ④4脚是复位端:直接复位端; ⑤5脚是控制端:控制电压;
⑥6脚是阈值端:当电压达到门电平时555开始启动;
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⑦7脚是放电端:当电容充电结束后开始从次放电; ⑧8脚是电源端:即Vcc, 给555定时器供电。 555定时器的封装图:
图3-4 555定时器的封装图
3.1.3 555定时器的基本功能
通过表格的形式来介绍555定时器的基本功能。如下表3-5所示,它全面地表示了555的基本功能。
当R =1、U TH >2Vcc/3、U TR ﹥Vcc/3 时,A1输出低电平、A2输出高电平,
Q =1、Q =0,u O U OH 、T D 饱和导通。
当R =1、U TH Vcc/3 时,A1、A2输出均为高电平,基本RS 触发器保持原来状态不变,因此u O 、T D 也保持原来状态不变。
当R =1、U TH
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Q =0、Q =1,u O U OL 、T D 截止。
3.1.4秒信号源电路的设计
如图3-6所示。秒信号源由时基电路555与RP 、R1、R2、及电容C1组成一个低频多谐振荡器,产生1Hz 的秒时基脉冲,作为闸门控制信号。其振荡频率可按公式:f=1.43/[(R1+RP+2R2)C1]来确定。其波形图如图3-7所示。
图3-6 秒信号源电路
多谐振荡器脚2与脚6直接相连。电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R p 、R 1、 R 2向C 1充电,以及C 1通过R 1向放电端Dc 放电,使电路产生振荡。电容C 1在2Vcc/3和Vcc/3之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波。
当555定时器的3脚(UO 输出端) 输出电压为高电平VHO 时, 电源电压Vcc 经内部等效输出电阻ro(上输出管T20 导通的等效电阻) 和R 1给电容C 1充电,C 1上电压Uc 逐渐上升,同时7引脚(DIS放电端) 内部的放电三极管T6截止,5脚的基准电压由Vcc 及内部三个5KW 电阻分压决定为2Vcc/3,即高阈值电压VTH 和低阈值电压VTR 则被分别上浮为2Vcc/3和Vcc /3。故当Uc 被充电到大于2Vcc/3 时, 由555定时器的功能可知, U O 输出端3脚电压跳变为低电平VOL ,同时7脚(DIS 放电端) 内部的放电三极管T6导通。一方面,电容C 1上的电压Uc 经R 和输出端3脚内部导通的下输出管T21对地放电,C 1上电压Uc 逐渐下降。另一方面,5脚的(控制电压) 基准电压VCO 即被下拉到三极管T6 的饱和压降值VCES 而使两个阈值电压分别下浮为VTH=VCES 和VTR=VCES/2。
当C 1上电压Uc 随放电下降到VTR 即VCES/2以下时, 由555定时器 的功能可知,3 引脚输出端的电压U O 才跳变为高电平VOH, 同时,7 引脚(DIS放电端) 内部的放电三极管T6又截止。5脚电压又被上浮为2/3Vcc,使高阈值电压VTH 和低阈值电压VTR 又分别被上浮为2Vcc/3和Vcc/3。同时, 电容C 1从
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VCES/2电压又被充电, 如此周而复始, 循环往复, 形成周期性振荡。上述分析可见,7 引脚往5引脚的反馈实现了阈值电压的自动浮动, 使555振荡电路中电容C 1上电VC 在VCES/2 和Vcc /3范围之间反复进行充放电, 远大于不反馈浮动的Vcc/3和2Vcc/3的范围, 使充放电时间都大大被延长, 使振荡周期和输出信号的周期被大大延长。电路的工作波形如图3-7所示。
图3-7555定时器构成的多谐振荡器工作波形
3.2控制单元电路
3.2.1 CD4017引脚功能
CD4017是5位Johnson 计算器,具有10个译码输出端,其引脚排列图如图3-8所示。
CO:进位脉冲输入 CP:时钟输入端 CR:清除端 INH:禁止端
Y 0-Y 9:计数脉冲输出端 V DD :正电源
V SS :地
3-8 CD4017引脚排列图
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3.2.2 CD4017的基本功能
通过表格的形式来描述其功能,如下表3-9所示。
降时间无限制。在CP 的上升沿计数器开始计数。
INH 为低电平时,计算器在时钟上升沿计数;反之,计数功能无效。CR 为高电平时,计数器清零。
Johnson 计数器,提供了快速操作,2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通,保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平,只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10个时钟输入周期CO 信号完成一次进位,并用作多级计数链的下级脉动时钟。
图3-10 CD4017波形图
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3.2.4控制单元电路设计
G1与IC2组成门控电路,在测量时,它的输出端②输出时间为1秒的高电平加至控制闸门G2的输入端⑤,将其打开,使被测信号输入。当秒时基发生电路IC1输出第一个时基脉冲并通过G1的CP 端后,IC3的②脚输出高电平加至G2的⑤脚将控制闸门打开,使电路进入测量过程。1s 后,当IC1输出第二个时基脉冲时,IC2的②脚变为低电平,控制闸门被关闭,侧量结束。数码显示管所显示的数字即为被测信号的频率。在秒时基发生电路IC1输出第三个脉冲时,电路保持间歇1s ,让测量人员看清显示数。当第四个脉冲输出后,IC2的⑦脚输出高电平并通过VD2加至计数器的复位端R ,使显示器的显示变为0000,为下一次做准备。电路如图3-11所示。
图3-11控制单元电路
3.3计数译码驱动电路
3.3.1 CD40110引脚功能
CD40110能完成十进制的加法、减法、进位、借位等计数功能,并能直接驱动小型七段LED 数码管。其引脚排列如图3-12所示。 R(5脚) 为清零端,R=1时,计数器异步清零。
CP 为时钟端,CPU (9脚)为加法计数时钟,CPD (7脚)为减法计数时钟。 Qco (10脚)加计数进位输出,Qbo (11脚)减计数借位输出。
TE (4脚)为触发器始能端,TE=0时,计数器工作,TE=1时,计数器处于禁止状态,即不计数。
LE(6脚) 为锁存控制端,LE=1,显示数据保持不变,但它的内部计数器仍正常工作。
a ,b ,c ,d ,e ,f ,g (1,15,14,13,12,3,2脚)为信号输出端,与七段
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显示器连接。
图3-12 CD40110引脚排列图
3.3.2 CD40110的基本功能
通过表格的形式来描述其功能,如下表3-13所示。
表3-13 CD40110真值表
CD40110有2个计数时钟输入端 CPU 和CPD 分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输入。由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑,因此当一个时钟输入端计数工作时,另一个时钟输入端可以是任意状态。CD40110的进位输出CO 和借位输出BO 一般为高电平,当计数器从0~9时BO 输出负脉冲;从9~0时CO 输出负脉冲。在多片级联时,只需要将CO 和BO 分别接至下级CD40110的CPU 和CPD 端,就可组成多位计数器。
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3.4计数闸门电路
3.4.1 CD4011功能与用途:
CD4011为四 2输入与非门CMOS 芯片 逻辑表达式:
表3-14 CD40110真值表
(1)当X=0、Y=0时,将使两个NAND 门之输出均为1,违反触发器之功用,故禁止使用。如真值表第一列。
(2)当X=0、Y=1时,由于X=1导致NAND-A 的输出为”1”,使得NAND-B 的两个输入均为”1”,因此NAND-B 的输出为”0”,如真值表第二列。 (3)当X=1、Y=0时,由于Y=0导致NAND-B 的输出为”1”,使得NAND-1的两个输入均为””1,因此NAND-A 的输出为”0”,如真值表第三列。 (4)当X=1、Y=1时,因为一个””1不影响NAND 门的输出,所以两个NAND 门的输出均不改变状态,如真值表第四列。
3.4.2 CD4011引脚图及引脚功能
引脚图如图3-15所示。 管脚功能:
1A 数据输入端 1Y 数据输出端 2A 数据输入端 2Y 数据输出端 3A 数据输入端 3Y 数据输出端 4A 数据输入端 4Y 数据输出端 1B 数据输入端 VDD 电源正 2B 数据输入端 VSS 地 3B 数据输入端 4B 数据输入端
图3-15 CD40110引脚图
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图3-16 CD40110内部逻辑图
3.6显示部分
3.6.1显示器的概述
现代化科研和生产体系是以自动化微期特征,面向自动化的过程控制及结果的显示,主要是借助于数字和符号的显示器件。数字仪表显示器件,是将信息读数转换为可视信息的器件,最终以数字形式显示读数的器件。显示方式和显示器件的选择不仅与读数的清晰、美观与否有直接关系,而且关系到仪表的整机结构、电源功率、测量速度、显示时间以及操作维护等技术性能。
3.6.2显示器的分类
白炽灯显示器、辉光数码管、荧光数码管、磷光数码管、发光二极管显示管、液晶显示器等。在数字电压表中常用的显示器件有辉光数码管、荧光数码管(VFD ),液晶显示器(ECD ),发光二极管数码显示器(LED ),CMOS-LED 光电组
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由表可见,在各种显示器中以LCD 的功耗最低,而LED 的发光响应时间最短,寿命最长。因此目前的数字电压表大多采用LED 或LCD 显示器,二者均可由集成电路直接驱动。
3.6.3 LED数码管电路及工作原理
7段LED 数码管是利用7个LED (发光二极管)外加一个小数点的LED 组
合而成的显示设备,可以显示0~9等10个数字和小数点,使用非常广泛。
这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种,共阳极就是把所有LED 的阳极连接到共同接点com ,而每个LED 的阴极分别为a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 及dp (小数点);共阴极则是把所有LED 的阴极连接到共同接点com ,而每个LED 的阳极分别为a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 及dp (小数点),如图3-18所示。图中的8个LED 分别与上面那个图中的A~DP各段相对应,通过控制各个LED 的亮灭来显示数字。
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图3-18数码管原理
本设计使用的是四位数码管,内部的4个数码管共用a-dp 这8根数据线,为人们的使用提供了方便,因为里面有4个数码管,所以它有4个公共端,加上a-dp ,共有12个引脚,也有共阴(common Cathode 或common kathion )和共阳(common anode )之分。共阳极的是为选线为高电平,段选线为低电平。共阴极的是为选线为低电平,段选线为高电平。其内部原理图如图3-19和电路连接图如如图3-20:
图3-19四位数码管内部原理图
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图3-20 四位数码管内部原理图
本章小结
本章主要介绍了各个单元电路组成、工作原理以及设计思想。在本章中,可以查到电路所需芯片的引脚排列及其对应的功能。通过本章的介绍,我们可以了解各种芯片在电路中的作用。
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第4章 整机的工作原理
通过前面几章的介绍,相信大家对数字频率计有了一定的了解。下面,我们将对数字频率计的整机进行一个全面的讲解。
图4-1整机电路图
整机电路图如图4-1所示。IC4~IC7为十进制加法计数器译码锁存驱动集成电路。CP U 为加法输入端,当有脉冲输入时,计数器作加法器:CP D 为减法输入端,当有脉冲输入时,计数器做减法计数。Q CO 为进位输出端,当计数器作加法计数时,每计满10个数后,Q CO 端输出一个脉冲,该脉冲为进位脉冲送入高一位的输入端CP U 。R 端为计数器的清零端。当R 端加上高电平时,计数器的输出状态为零,并使相应的数码管显示“0”值。
IC4为555时基电路组成基准脉冲产生电路,它产生1Hz 的方波信号,经与非门1反相后,在为控制信号加在IC2的输入端CP 产生时序控制信号,从而实现1秒钟内的计数(即频率检测)、数值保持及自动清零的功能。图 4-2 是电路的波形图,从图中我们可以看出,当与非门1输出第一个高电平脉冲信号时,这个脉冲使得IC2的Q1输出端由低电平到高电平。在Q1端输出高电平时,由与非门2、3组成的“与”控制门被打开,被测信号可以通过与非门2、3送入IC7的输入端CP U ,进行脉冲计数,由于IC1的振荡周期为1秒,那么,在1秒
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钟内的计数器的计数结果,即为被测信号的频率。当与非门1输出第二个脉冲信号时,IC2的Q1端由高电平变为低电平,输出端Q2由低电平变为高电平。Q1端输出的低电平使与非门2、3组成的“与”控制门关闭,被测信号不再输给IC7,使IC7停止计数。在与非门1输出第三个脉冲到来之前,Q2一直保持高电平,这段时间为数值保持时间,在这个时间内,人们可以对测试结果进行读数。当与非门1输出第三个脉冲时,IC2的Q2端变为低电平,Q3输出高电平,但由于Q3直接与IC2的清零端Cr 相连,Q3端输出的高电平使IC2复位清零,Q1、Q2及Q3端全部变为低电平。于此同时,Q3端出现的高电平经VD2加到IC4~IC7的R 清零端,使计数器及数码管清零,以便下次重新进行计数测量。波形图如图4-2所示。
4-2工作波形图
本章小结
本章主要介绍了整机电路的工作原理,把电路的各部分所实现的功能作全面的总结,使其更透彻的了解电路。
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第5章 电路的组装调试
5.1 电路的组装
5.1.1 电路的安装步骤
1、检查元件的好坏
按电路图买好元件后首先检查元件的好坏,按各元件的检测方法分别进行检测,一定要仔细认真的检测,给以后带来方便。
2、放置各元件
按电路图的位置将各元件安置好,首先将数码管放置好,然后放置核心元件,再放其他元件,特别注意元件的顺序不要颠倒。
3、进行布线
布线有布线的规律,不能搭线、线路工整、清晰、另外还要避免绕线,短线等现象发生,还要节省线路,以线路短、少、工整为依据来布线。
4、电路的检查
按电路图再进行检查实际线路,看是否有错线,错件等现象发生,是否有虚焊等现象。注意仪器仪表的使用。
5.1.2 注意事项
1 、元件的检测
元件的检测是安装前的首要任务,检测的真实性直接决定着电路的进度。检测的方法是检测元件的一个重要指标。
电容的检测:电容(瓷片电容)在这里无法检测,但要看清电容的标称值,这样才会为电路及计算提供依据。
电阻的检测:电阻值特别是分压电阻的精度是电路的关键,所以检测电阻值也应十分认真,严格按照检测电阻的方法来进行检测,注意检测电阻的注意事项。 普通二极管的检测: 按照正向电阻小,反向电阻大的原则,用万用表的电阻档检测二极管的正反电阻来判断它的好坏。
数码管的检测:把两根导线分别放在一节干电池的两端,用电池的正极与数码管的VCC 相接,然后另一端的导线分别与其它的引脚相接触,如果相接触时,对应的段亮,就证明好使,如果不亮,则换其它的数码管。
2、元件的摆放
元件的摆放首先要找好距离,摆放整齐,能够走的开线。其次,摆放位置的确定,将主元件的位置固定,再将各元件要按电路图的顺序摆放整齐,次序不能颠倒,原件也不能倒置等。
3、面包板的介绍
面包板一块总共由五部分组成,一竖四横,面包板本身就是一种免焊电板。
(1)面包板旁一般附有香蕉插座,用来输入电压、信号及接地。
(2)注意部分插孔是相通的。
(3)拉线时,尽量将线紧贴面包板,把线成直角,避免交叉,也不要跨越元件。
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(4)面包板使用久后,有时插孔间连接铜线会发生脱落现象,此时要将此排插孔做记号。并不再使用。
5.2 电路的检查
5.2.1 通电前的检查
通电前的检查,主要有三方面的内容。第一,检查元器件安装是否正确,尤其要注意晶体管的型号,二极管的极性,电容器的耐压和极性,电阻的阻值和图纸上是否一致。第二,检查器件与面包板用导线接触是否良好。第三,检查电路接线是否有误。根据电路图和导线表,用欧姆表逐根导线测试。经过这三方面检查后,方可进行通电调试。
电路接好,万万不可急忙通电,应该首先认真细致地检查,确认无误后才能通电。
5.2.1 通电后的检查
直观观察:在电路的连接栓查无误后,要先调好所需要的电源电压。然后才能给电路通电。,观察电路是否有发热、冒烟等异常现象。如果有,得立即关断电源,待排除故障后,才可重新通电。
静态测度:先不加信号,用万用表测量电路的Vcc 与地间的电压,测量晶体管的静态工作点是否符合要求。
采用动态逐级跟噻法检查。在输入端加入一个有规律的信号,按信号流程用示波器依次观测各能波形是否符合要求。对于脉冲数字电路,还可用发光二极管来逐级显示低频阶跃信号是否符合动态逻辑关系。
采用替换法检查,可能过更换同型号元器件来发现器件故障
5.3 调试中误差分析
此设计之所以有误差是由于元器件的本身有自己的特性,如电阻本身有阻性,电容有容性,导线有电阻等等会影响准确度,此外在布线的过程中导线的接触性能以及各个芯片之间都有直接的影响。
5.4 常见的硬件故障分析
1、逻辑错误
硬件的逻辑错误是由设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路等几种,其中短路是最常见的故障。在印刷电路板布线密度高的情况下,极易因工艺原因造成短路。
2、器件失效
元器件失效的原因有两个方面:一是器件本身已损坏或性能不符合设计要求;二是由于组装错误造成的元器件失效,如电解电容的极性错误、集成块 安装方向错误等。
3、可靠性差
引起电路不可靠的因素很多,如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏;内部和外部的干扰、电源纹波系数过大、器件负载过大等造成逻辑电平不稳定。另外,走线和布局的不合理等也会引起系统可靠性差。
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4、电源故障
若整机中存在电源故障,则加电后将造成器件损坏。电源故障包括:电压值不符合设计要求,电源引出线和插座不对应,电源功率不足、负载能力差等。
本章小结
本章对各部分单元电路的安装及调试做了具体的介绍,从而使电路的安装非常明了。并且对在调试过程中所遇到的问题进行分析。
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结论
通过一个多月的毕业设计,我完成了一块非常有实用价值的电子类测量表。 此电路经过立题、研究、理论、详细设计、总体设计、电路分析、电路设计、部分电路调试、整机调试,才最终完成。
本次毕业设计的技术指标为:被测信号幅度5V ;显示范围20~9999Hz;闸门时间为1秒;误差小于5%;四项指标均以完成。
设计是我们将来必需的技能,这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会,从图书馆和上网查找资料、对电路的设计、电路的调试再到最后电路的成型,都对我所学的知识进行了检验。在实习的过程中发现自己以前学的数字电路课程的基本知识掌握的不够牢固,导致在设计的过程中对数字、集成电路课程进行一次整体复习,以便更准确的实现电路设计和发现问题。在设计的过程中,遇到了一些陌生的元器件,我通过查找资料来学习这些元件的功能和使用,拓宽了我元器件方面的知识面。系统地复习了《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《Protel99SE 》等课程。特别是对数字电路的设计产生了浓厚的兴趣。
通过对本课题的研究、设计、组装、调试,最后能够完成各项指标,在设计的过程中, 我对数字电路有了更深层次的了解。此电路的基本原理、组成在课题方案中已经介绍,这里不再赘述。
本次设计的成功完成,是对我能力的一个很好的见证。现在回顾我的毕业设计,就像是一本教科书一样,教会了我很多专业知识,拓宽了我的专业视野,培养了我动手实践的能力,而且增强了我的自信心,使我受益匪浅!
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致谢
短短的一个多月毕业设计已经接近尾声了,电路的所有指标都已经完全实现了。在整个设计的过程中,我非常感谢我的指导老师——刘训庆老师。刘老师工作繁多,但在我做毕业设计的每个阶段,从查阅资料到设计草案的确定和修改,中期检查,到后期终检,准备论文等整个过程中都给予了我悉心的指导和无畏的帮助,他为我能够按时完成毕业设计给了很大的帮助,在我的设计当中起了决定性的作用。
伟人、名人为我所崇拜,可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人,我的导师刘训庆。我不是您最出色的学生,而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨,学识渊博,思想深邃,视野雄阔,为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔,置身其间,耳濡目染,潜移默化,使我不仅接受了全新的思想观念,树立了宏伟的学术目标,领会了基本的思考方式,从论文题目的选定到论文写作的指导, 经由您悉心的点拨, 再经思考后的领悟, 常常让我有“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村”的感觉。同时也要感谢电子系的各位领导及各实验室的老师给予我的支持和帮助。在这次毕业设计中为我们投入了大量财力、物力和实验设施,没有这一切的帮助我们无法学到这么多知识、无法完成此次设计,而他们不惜个人的工作和休息时间为我们分析并且解决了许多疑难问题,并提出宝贵意见和建议,应该说我们的进步凝聚着老师们的汗水。
除了敬佩刘训庆老师的专业水平外,他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,对我今后的学习和工作有着深远的影响。在此,向在毕业设计当中给予我提供帮助的王老师说一声“老师您辛苦了!” 预祝王老师在今后的生活及工作中,身体健康、工作顺利,在学术上取得更大的成功。
在这里,我要再一次对我的导师及电子系的全体老师们表示深深的谢意!衷心地感谢老师们给予我们的关怀和鼓励,在这里请允许我代表全体毕业声向各位老师道声“老师,您辛苦了!”我们会用我们成绩给以回报母校。
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参考文献
1、数字电子技术基础简明教程 高等教育出版社
2、数字电路与逻辑设计实验教程. 北京邮电大学出版社
3、集成电路速查手册 山东科学技术出版社
4、集成电路原理及应用 电子工业出版社
5、电子技术课程设计指导 高等教育出版社
6、电子测量技术与实训简明教程 北京科学技术出版社 7、555 集成电路应用精粹 人民邮电出版社
8、数字集成电路应用300例 人民邮电出版社
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附录1 译文
一般使用的频率计有下面几种。
射频频率计—最高频率到3GHz 左右的精确频率测量 微波频率计—最高频率到40GHz 左右的精确频率测量 调制域分析仪—从调制域的某些参量(如:相位误差) 计算频率, 多用于数字系统等
其实对于测量来说, 不可能测到实际物理量的真值, 只能是
通过努力, 比如使用高档次的仪表, 高稳时基、改变仪表设置等方法来减小测量的不确定度。同理, 要提高频率测量的准确度也有相应的方法。 1.了解频率计的结构选择合适的频率计
比如对于1kHz 的测量信号,直接式频率计的分辨率只能达到1Hz ,显示达到1uHz 。在给定的时间内,随着测试信号频率的变化,直接式频率计的显示数字在变化,即分辨率在变化,而周期计算式频率计的显示有效数字确实固定的。 即使在不需要很高频率分辨率的情况下, 周期计算式频率计的速度也较直接式的快。因为直接式频率计要用1s 时间才能给出1Hz 的分辨率。
我们可以很容易的从仪表说明书中看出该频率计属什磨类型, 如果频率分辨率是以为单位, 那一定是直接式频率计, 如果是xx 数字/s的话, 一定是周期计算式.
2.认识分辨率和准确度的关系
分辨率是频率计区分两个不同频率的最小间隔。而准确度则是实际测量值和真值之间的差距。很有可能分辨率很高的情况下, 而实际测量值的准确度却很差。侧量的准确度是由系统误差和随机误差决定的, 而随机误差又是分辨率不确定度的主要来源, 它包括量化误差、触发误差等等。这就提示我们系统误差要定期修正, 即定期校准。
3.制定校准计划
校准周期定多少合适呢?这就要看你测试信号的频率, 标准要求和频率计本身的特性了。晶体是频率计的心脏部件, 测试频率是否准确全靠它了。但是晶体会随时间和温度漂移,造成时基不稳,影响测量结果。那末, 我们有什么办法在不更换仪表的情况下, 还不缩短校准周期呢?这就是我们下面要讨论的问题, 使用高稳时基。
4. 选择合适的时基
还举刚才那个例子, 如果采用我们现在实验室的铆钟做基准, 看看结果如何, 铆钟的时基误差为5
×
/ 天, 其他条件不变, 它引人的测量误差为
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36Hz, 这样就不会对结果的判断造成影响了。当然也不是越高档越好, 我们要根据实际测量的信号, 校穆清况和经济条件, 合理的选择时基, 现在主要的时基有以下几种
标准的室温时基 温度补偿的时基
Oven-controlled时基(顾名思义, 就是将晶体放在一个类似“ 炉子” 的容器中, 保证温度, 湿度)
铷钟
当然如果有条件的话, 可以使用GPS 接收机来获取时钟。
5. 调整灵敏度来避免噪声
现在的频率计都都有很高的灵敏度, 不论是直接式还是周期计算式频率计, 只要高于设定的触发电平, 频率计对任何信号都将一视同仁, 正弦波、方波、锯齿波甚至噪声和抖动。如果频率计对噪声进行了响应, 那末测量结果势必就会有问题。好在现在的频率计都提供了灵敏度调整功能。现在的频率计都设置两个门限, 如图中两条虚线所示, 通过连个门限, 频率计才触发。两个触发电平之间的差值称为灵敏度。但是图中两个小脉冲干扰也通过了两个门限, 主要是由于灵敏度太小的缘故。可以通过频率计本身的设置调整来增大灵敏度, 达到减少误差的作用。
6.用统计方法减小误差
即通过多次测量取平均值, 作为A 类不确定度, 来减小单次测量可能带来的较大误差。
7.用调制域分析仪测量频率
在进行无线通信产品测试时, 大都需要侧试载波误差, 当然如果单载频信号的话, 直接就可以测量了。但是有时候设备只能发送调制信号, 这时候就要借助调制域分析仪来测量频率。我们先假定向量的相位误差都是由于载频误差造成的。调制域分析仪可以测出向量的相位误差。
当然, 相位误差并不全是由载波误差产生的, 这样测试势必不很准确, 但却是另外一种思路。
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附录2 英文参考资料
The general use frequency meter has following several kinds.
RF frequency counter - the highest frequency to 3GHz frequency measurement precision of about
Microwave frequency counter - the highest frequency to 40GHz frequency measurement precision of about
Modulation Domain Analyzer - from the modulation-domain of certain parameters (such as: phase error)
Calculated frequencies are used for digital systems
In fact, for the measurement is not possible to measure the true value to the actual physical quantity can only be a
Through these efforts, such as the use of high-end instrumentation, high-stability time base, change instrument settings and other methods to reduce the measurement uncertainty. Similarly, to improve the accuracy of frequency measurement is also a corresponding method. 1 Understanding of the structure of a frequency counter select the appropriate frequency counter For example, the measurement 1kHz signal, direct frequency meter can only achieve a resolution of 1Hz, show up 1uHz. In a given period of time, as the test signal frequency changes, direct frequency meter shows the number is changing, that is, changing resolution, while the cycle calculation formula shown to be effective digital frequency meter is indeed fixed.
Even without the need for very high frequency resolution of the case, the cycle calculation formula frequency meter speed faster than the direct style. Because direct frequency meter to use 1s time to give a resolution of 1Hz.
We can easily be seen from the instrument manual and even the frequency meter is a grinding type, if the frequency resolution is that the unit, it must be a direct frequency meter, if it is xx number / s, then, it must be periodic calculations.
2 Recognizing the relationship between resolution and accuracy
Resolution is the frequency counter distinguish between two different frequencies of the minimum interval. The accuracy is the actual measurement value and the gap between the true value. Most likely the
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case of a high resolution, while the actual measurement accuracy is poor. Side by the accuracy of the amount of systematic error and random error of the decision, while the random error is the main source of uncertainty resolution, which includes the quantization error, trigger the error and so on. This prompt us to system errors to periodic amendment, that is, periodic calibration.
3 to develop Calibration Program
Calibration cycle, the number given better? That depends on your test signal frequency, standards and frequency characteristics of the meter itself. Crystal is the heart of the frequency meter components, test frequency is accurate thanks to it. But the crystals with time and temperature drift, resulting in time-base instability, affect the measurement results. , Then, what can we do not replace the instrument case, does not shorten the calibration cycles? This is what we the following issues to be discussed, using a high stability time base. 4 selection of suitable time-base
Also give examples of just that, if we adopt we now make reference laboratory riveting bell and see the outcome, riveting clock time base error of 5 × / day, other things being equal, it introduces measurement error of 36Hz, so The results of the judgments would not have been affected as a result. Of course, the more upscale is not possible, we must according to the actual measured signals, school Mu-Qing conditions and economic conditions, a reasonable choice of time base, and now the main time-base there are several
The standard time-base at room temperature Temperature compensated time base Oven-controlled time base (the name suggests, is to put a crystal similar to "stove" in container, to ensure temperature, humidity) Rubidium clock Of course, if able to do so, you can use GPS receivers to obtain the clock. 5 to adjust the sensitivity to avoid noise
The frequency meter is now a very high sensitivity, either directly or cycle-type calculation formula of the frequency meter, as long as set above the trigger level, frequency meter would be equal to any signals, sine, square, sawtooth wave even the noise and jitter. If the frequency counter to the noise the response, then the measurements will be bound to have problems. Fortunately, the current frequency counter offer a sensitivity adjustment. Current frequency counter are set two
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thresholds, as shown in two dotted lines shown by even a threshold, frequency counter was triggered. 2 The difference between the trigger level is called sensitivity. However, the figure two small pulse interference has also adopted two thresholds, mainly due to the sensitivity of the reason is too small. Frequency counter can be set to adjust itself to increase the sensitivity goal of reducing the role of error.
6 statistical method reduces the error of
Through averaging multiple measurements, as the A class of uncertain degree, to reduce the single measurement of the possible large errors. 7 with the measuring frequency modulation domain analyzer
Wireless communications products during the tests, most still require the carrier-side test error, of course, if a single carrier frequency signal, then can be measured directly. But sometimes the device will only send the modulated signal, at this time is necessary to use modulation-domain analyzer to measure the frequency. Let us first assume that the phase error vector are due to errors caused by carrier frequency. Modulation-domain analyzer can measure the phase error vector.
Of course, the phase error is not all errors generated by the carrier, so that certainly is not very accurate test, but it is another idea.
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附录3整机电路接线图
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附录4测试结果
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附录5 元器件表
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