数字周期测量仪

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1、数字周期测量仪2022-3-5第1章 方案的确定1.1 测频法（M法） 对周期为T的周期信号，测频的实现方法是，用一标准闸门信号（闸门宽度为Tc）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N1时，其信号周期为：T1=Tc/N1,式中Tc为标准闸门宽度，N1是由计数器计出的脉冲个数（重复周期数），如图1-1所示。 Tc计数值N1被测信号闸门信号 图1-1 测频法的波形关系图设在Tc期间，计数器的精确计数值应为N，根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=1,或者N1=N1,N1的相对误差为1=1/N. 由N1D的相对误差可知，N (或N1)的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在T

2、c已确定的情况下，为减小N1的相对误差，可通过增大Tc的方法来降低测量误差。但是，增大Tc会使周期测量的响应时间变长。当Tc为某一确定值时，则有T1= Tc/N1,而T= Tc/N，故有T1的相对误差：2=1/T. 从上式可知，T1的相对误差与T成反比关系，即信号周期愈大，误差愈小；而信号周期的愈小，误差愈大。因此M法适合高频信号的测量，频率愈大，测量精度也越高。1.2测周法（T法）首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平或低电平时间都是一个信号周期T的方波信号，然后用一个已知周期Tosc的高频方波作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对fosc信号进行计数，如图1-2所示。二分频信号标准计数

3、信号被测信号TN2 图1-2测周法波形的关系图若在T时间内的计数值为N2,则有：T2=N2*Tosc f2=1/T2=fosc/N2 N2的绝对误差为N2=1（或N2=N1）,N2的相对误差为1=1/N，T2的相对误差为2=Tosc/T。从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当fosc为常数时，被测信号频率越低，测量精度也越高。根据题目要求，被测信号的周期是1ms到99ms，其频率范围为10HZ到1000HZ，根据上面分析，测周法适用于高频信号，而被测信号属于低频信号，适用于测周法。第2章 设计原理2.1数字周期测量仪的组成框图及波形图被测

4、信号经放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，在此期间，周期为Ts的时基信号通过闸门进入计数，当放大整形电路的下降沿到来时，通过逻辑控制电路，使锁存器将计数器所计得的数进行锁存（使显示器显示稳定），同时产生清零脉冲（使计数器每次测量从0开始计数），经过译码器后使显示器能稳定的显示此时的计数器的值。组成框图如图2-1（a）所示，各信号之间的时序关系如图2-1（b）所示。译码显示电路锁存器计数器闸门电路逻辑控制电路时基电路被测信号放大整形电路图2-1（a）周期测量仪组成框图计数锁存清零N图2-1（b）数字频率计波形图第3章 芯片介绍3.1 74LS00介绍3.1.1. 74LS00管脚分配

5、图74LS00是2输入4正与非门，其管脚分布如图3-1所示：1A1B1Y2A2B2YVCC4B4A4Y3B3A3Y12345671011121374LS00 四2输入与非门图3-174LS00管脚分配图1) 1A4A和1B4B：输入；2) 1Y4Y：输出；3)VCC:接电源端；4)GND:接地端。3.1.2. 74LS00功能74LS00所实现的功能为，功能如表3-1所示。表3-1 74LS00功能表输 入输 出ABY001011101110 3.2 74LS74介绍3.2.1. 74LS74管脚分配图 74LS74是双上升沿D触发器，其管脚分布如图3-2所示：1/RD1D1CP1/SD1Q1

6、/QGNDVCC2/RD2D2CP2/SD2Q2/Q123456789101112131474LS74 双上升沿D触发器图3-2 74LS74管脚分配图1) 1和2:异步置0端；2) 1和2:异步置1端；3）1CP和2CP:时钟脉冲输入端；4）1D 和2D:信号输入端；5）VCC:电源输入端；6）GND:接地端；3.2.2. 74LS74功能74LS74所实现的功能为异步置0、异步置1、置1、置0、保持的功能，功能如表3-2所示。表3-2 74LS74逻辑功能表 输 入 输 出/R/SDCP Qn+1 /Qn+101 0110 10 输 入 输 出/R/SDCP Qn+1 /Qn+1110 0

7、1111 10110 Qn/Qn00 11 3.3 555芯片介绍3.3.1. 555芯片管脚分配图 555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳触发器、多谐振荡器等电路。其管脚分配图如图3-3所示 4DIS7Q3GND1VCC8/TR2TH6Ctr5图3-3 555管脚分配图1)GND：接地端；2)/TR和TH：信号的输入端；3)Q: 555定时器的输出端，输出的波形是矩形波；5)Ctr:控制端，常对地接一个0.01uF的滤波电容；6)DIS:放电端，也是控制波形的周期；7)Vcc:接电源端。3.3.2. 555定时

8、器的功能设TH和端的输入电压分别为u11和u12，5G555定时器的工作情况如下：当u11 UR1、u12 UR2时，比较器C1和C2的输出uc1=0、uc2=1，基本RS触发器被置0，Q=0、=1，输出uo=0，同时V导通。当u11UR1、u12 UR2时，两个比较器输出uc1=1、uc2=0，基本RS触发器被置1，Q=1、=0，输出uo=1，同时V导通。当u11UR2时，uc1=1、uc2=1，基本RS触发器置保持原状态不变555定时器的功能表如表3-3所示：表3-3 555定时器的功能表输 入输 出u11u12uoV状态00导通2VCC/3VCC/310导通VCC/311截止VCC/31

9、不变不变3.4 74LS123介绍3.4.1. 74LS123管脚分配图74LS123是双可重触发单稳态触发器，其管脚分布如图3-4所示：图3-4 74LS123管脚分配图1) 1A、1B、2A、2B：输入；2) 1、1、2、2：输出；3) 1Cext、2Cext：放电端，常接电容；4) 1Rext/Cext、2Rext/Cext:充电端，常接电阻；5）Ucc:接电源；6）GND：接地。3.4.2. 74LS123功能74LS123有直接置0、稳定状态和接受触发信号的功能，其功能如表3-4所示：表3-4 74LS123功能表输 入输 出CLRAB0011010011011013.5 74LS9

10、0介绍3.5.1. 74LS90管脚分配图 74LS90是二-五-十进制计数器，其管脚分布如图3-5所示：CPBR0(1)R0(2)NCVCCR9(1)R9(2)CPANCQ0Q3GNDQ1Q2123456789101112131474LS90 十进制计数器图3-5 74LS90管脚分配图3.5.2. 74LS90功能74LS90所实现的功能是对二进制、五进制和十进制进行计数。通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能：而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数置9。其具体功能详述如下：(1) 计数脉冲从CPA输入,Q0作为输出端，为二进制

11、计数器。(2) 计数器脉冲从CPB输入,Q3 Q2 Q1输出端,为异步五进制加法计数器。(3) 若将CPB和Q0相连,计数脉冲由CPA输入，Q3 Q2 Q1 Q0输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。(4) 若将CPA与Q3相连,计数器脉冲由CP2输入，Q3 Q2 Q1 Q0作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。(5) 清零、置9功能。a) 异步清零当R0(1)、R0(2)均为“1” ： S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即Q3Q2Q1Q0=0000。b) 置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1” ：R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，Q

12、3Q2Q1Q0=1001。功能如表3-5所示。表3-5 74LS90功能表1100000110000011100100计 数0000003.6 74LS273介绍3.6.1. 74LS273的管脚分配图74LS273是8位数据/地址锁存器，是一种带清除功能的8D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。其管脚分布如图3-6所示：D01D12D23D34D4 5D5 6D6 7D7 8CLK 9MR10Q011Q112Q213Q314Q415Q516Q61718Q774LS273图3-6 74LS273 管脚图1) D0D7：输入；2)

13、Q0Q7：输出；3) 第1脚：主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；4) CLK：触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0D7的数据不变.3.6.2. 74LS273的功能表3-6 74LS123功能表LLHHHHLL3.7 74LS48介绍3.7.1. 74LS48 管脚分配图 74LS48被称为集成显示译码器，用来驱动各种显示器件，从而将用二进制代码表示的数字、文字、符号翻译成人们习惯的形式直观地显示出来的电路，称为显示译码器，其管脚分配图如图3-7所示。1): 3、4、5是信号的控制端；2): A、B、C

14、、D分别是译码器的输入端，它于74LS90的、端相连接；3):a、b、c、d、e、f、g是译码器的输出端，它于锁存器相连；A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG1474LS48图3-7 74LS48 管脚图3.7.2. 74LS48功能七段显示译码器74LS48功能表如表3-7所示。测试灯输入端。=0（低电平有效）且=1时，Ya-Yg输出均为1，显示器七段应全亮，否则说明显示器件有故障。正常译码显示时，应处于高电平，即=1。双重功能端。此端可作为输入信号端又可以作为输出信号端。作为输入端时是熄灭信号输入端，利用端可按照需要控制数码管显示或

15、不显示。当=0时（低电平有效），无论A3A2A1A0状态如何，Ya-Yg均为0，数码管不显示。当该端作为输出端时是灭零输出端，当=0，且A3A2A1A0=0000时，=0。灭零输入端。该端的作用是将数码管显示的数字O熄灭。当=0（低电平有效）、且A3A2A1A0=0000时，Ya-Yg均输出0，数码管不显示。表3-7 74LS48功能表十进制数A3A2A1A0YaYbYcYdYeYfYg说明011111111测试灯00000000熄灭10000000000000灭001000011111110显示011000110110000显示121001011101101显示2十进制数A3A2A1A0Ya

16、YbYcYdYeYfYg说明31001111111001显示341010010110011显示451010111011011显示561011010011111显示671011111110000显示781100011111111显示891100111110011显示93.8 七段数码管显示器介绍常见的LED显示器如图3-8所示，由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管(在图中以dp表示)，用于显示小数点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。edcbaf ggfCOMabDPcCOMde图3-8 LED显示器1):

17、 a、b、c、d、e、f、g、dp是数码管的输入端；2): 9脚是接高电平，因为是共阳数码管第4章 各单元电路的设计及其仿真4.1 放大整形二分频电路4.1.1 放大整形二分频电路的结构原理 放大整形电路由放大电路、整形电路、二分频电路组成。其中放大电路由晶体管ZTX300与电阻电容组成（将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大）；施密特触发器由与非门74LS00构成（它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形波）；二分频电路由74LS74构成。原理图如图4-1所示。图4-1 放大整形二分频电路4.1.2放大整形电路仿真结果 将输入信号从三极管的b输入，在这里采用信号发生器提供输入

18、信号。如图4-2所示。（以下每个仿真波形，其被测信号的频率都是40HZ）图4-2 信号发生器 将示波器接入信号发生器的输出端，得出波形如图4-3所示。 图4-3信号发生器输出波形 将示波器接入到74LS74的Q输出端，测得波形图如图4-4所示。 图4-4 信号经二分频电路后的波形4.2 时基电路4.2.1 时基电路结构原理时基电路的作用是产生一个标准时间信号，由定时器555构成的多振荡器产生。振荡器的输出波形如图2-1（b）所示。用555集成定时器组成多谐振荡器的原理图及工作波形分别如图4-5（a），4-5（b）所示。R1、R2、C1为外部电阻和电容元件。由波形图可见，电路没有稳态，只有两个暂

19、稳态，电容C在1/3VCC和2/3VCC之间充电和放电。T1期间，电源通过R1、R2向C充电，得T10.7(R1+R2) C （4-1）T2期间C通过R2经放电端放电，得T20.7R2 C （4-2）多谐振荡器的振荡周期为：T=T1+T20.7(R1+2R2) C （4-3）555电路要求：R11 k，R21 k，且（R1+R2）3.3M。4-5(a)多谐振荡器的原理图4-5（b）多谐振荡器的工作波形 根据设计要求，得出时基电路产生波形应该是以1ms为周期的矩形波。取电容C2=0.01uF,T1=0.75ms，T2=0.25ms。由式（4-1）（4-2）知0.750.25 得R2=36K，R1

20、71K,取R1=75K。确定原理图如图4-6所示。图4-6时基电路4.2.2 时基电路仿真结果 将示波器接到时基电路的输出端Q的波形如图4-6所示。图4-7时基电路仿真波形4.3 逻辑控制电路4.3.1 逻辑控制电路结构原理 根据图2-1（b）所示波形，在时基信号结束后产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变用来产生清0信号。脉冲信号和可由两个单稳态触发器74LS123产生，它们的脉冲宽度有电路的时间常数决定。对于74LS123，其脉冲宽度为 tw1=0.45RextCext （4-4）式中，Rext为其外接定时电阻；C rxt为其外接定时电容。在本课程设计中设锁存信号和清零信号的脉冲宽

21、度tw相同，要求tw=0.02ms由式（4-4）得 tw=0.45RextCext=0.02ms若取Rext=10,得Cext=tw /0.45Rext=4.4F 取标称值4.7F从而确定其原理图如图4-8所示。图4-8 逻辑控制电路.4.3.2逻辑控制电路仿真结果 将示波器的B口接到U2的口，D口接到U1的口。测出的波形如图4-9所示。图4-9 逻辑控制电路输出波形4.4 闸门电路 4.4.1闸门电路结构原理 闸门电路就是一个74LS00芯片。时基信号555定时器的输出端和放大整形二分频的输出端分别接入闸门信号输入端的1管脚和2管脚。用此来计数时基信号在被测信号的一个周期内所产生的个数，计得

22、的个数就是被测信号的周期。逻辑符号如图4-10所示。图4-10 74LS00逻辑符号4.4.2闸门电路仿真结果 将示波器的B端口接到放大整形二分频的输出端，C口接到时基电路的输出端，D口接闸门信号的输出端。得出波形如图4-11所示。图4-11 闸门信号输出波形4.5计数器4.5.1计数器结构原理74LS90可构成多种类型的计数器，而数码管需要显示十进制，因此该计数器也需要采用十进制计数，因此CKB要与Q0相接。原理图如图4-12所示。U2显示的是个位数，U1显示的是十位数。U3的作用是当开关S按下时，计数器就会被清0 。图4-12 计数器4.5.2计数器仿真结果将示波器的ABCD分别接到U1输

23、出端的Q0 Q1 Q2 Q3端，对应输出二进制数0010化成十进制为2，其十位波形图如图4-13（a）所示；再将示波器的ABCD分别接到U2输出端的Q0 Q1 Q2 Q3端，对应输出二进制数0101化成十进制为5其个位波形图如图4-13（b）所示。图4-13（a）U1端输出波形（十位）图4-13（b）U2端波形图（个位）4.6锁存器4.6.1锁存器结构原理 锁存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。如图2-1（b）所示的1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273完成此功能。当时钟脉冲

24、CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。4.7译码显示器4.7.1译码显示器结构原理将锁存器的输出端Q0至Q7依次接到U9的输入端ABCD和U8的输入端ABCD端，74LS48译码器将测得的周期传到数码管上。原理图如图4-14所示。图4-14译码显示电路47.2译码显示器仿真结果1)若被测信号频率40HZ,预算一下结果（周期）应为：T=1000ms/40=25ms仿真后结果如图4-15所示。图4-15频率为40HZ时的仿真结果

25、2)若被测信号频率92HZ,预算一下结果（周期）应为：T=1000ms/9211ms仿真后结果如图4-16所示。图4-16频率为92HZ时的仿真结果3）若被测信号频率18HZ,预算一下结果（周期）应为：T=1000ms/1857ms仿真后结果如图4-17所示.图4-17频率为18HZ时的仿真结果 4）若被测信号频率500HZ,预算一下结果（周期）应为：T=1000ms/5002ms仿真后结果如图4-18所示.图4-18频率为500HZ时的仿真结果分别对四个档位进行了仿真，误差几乎是没有。由此知我们的电路是正确的，能正常运行，也能得到我们的预计结果。第5章 原理图确定和PCB图的制作 5.1原理

26、图的确定 将上一章各单元电路结合起来，便构成了总原理图，其原理图见附录A。5.2 PCB图的制作 在protel99里面画完原理图，将每个元器件完成封装的确定之后，再导入到PCB，将元器件的位置摆放好之后，还不能直接布线，先得做一些准备工作，例如：设置线的宽度、焊盘的大小等等，在这些确定好了之后才开始布线。由于线太多，不适合用单面板做，在这里数字周期测量仪采用双面板制作PCB,我们组是通过手动布线完成的，线与线之间有很多的交叉，所以需要用过孔才能走通。所做PCB见附录A。第6章 总电路仿真输入频率为40HZ的信号,所得总仿真后结果如下图所示：第7章 电路的安装与调试7.1 安装首先要焊的部分是

27、过孔，因为是双面板，要上下线导通。检查好所有的导线没有断路的之后再装元件。装元件也是有规则的，根据元件的大小、高低以及难易的程度来选择。在装元件的时候，要注意元件的正负极、还有方向，如极性电容长的那段表示极性为正，还有就是芯片管脚的多少。我们在安装元器件的时候主要遇到两个问题：1）在我们焊第一块PCB板时，有些芯片的封装错了，将芯片插到插座的时候发现管脚弄多了，因为74LS00和74LS90是14个管脚的，封装应为DIP14，而我们在给原理图写封装的时候写成了DIP16多出了两个脚，所以只好重做啦一块；2）在做好第二块PCB板后，发现有一根线布错了，因为集成芯片的连线应该要布置在底层，芯片是放

28、在顶层的，管脚多，在顶层不好焊线，很容易虚焊，问题不算太大，所以我们就直接用一根导线代替那根布在顶层的线。 7.2 调试安装好电路之后，首先要检查的部分是电源供电是否正常，如果不正常将导致电路不能工作，更严重的是将芯片烧坏，所以这个环节非常重要，而且不能疏乎。在这里我们用以前做好的+5V直流稳压电源供电。将做好的+5V电源接到板子上，用万用表在板子上测量是否真的有接入+5V电压，测得电源有接入；但当用信号发生器产生正弦波信号接入输入端，数码管并没有显示，我们再次检查焊盘也没有虚焊，但发现有两个焊点之间连了一点锡线，当我们去掉那连着的锡线的时候，数码管还是没有亮起来，所以我们决定对每个单元进行测

29、试，看哪个环节出了错，我们将示波器接到二分频74LS74的输出端（5管脚），结果发现并没有方波产生，发现三极管的三个管脚挪位了，将示波器接到NE555的输出端(3管脚) ，测得有波形输出，但数码管只有一个亮了，将示波器的接到74LS123的输出端（13管脚和12管脚）；测得还是有波形产生，将示波器接到74LS90的输出端（8脚、9脚、11脚和12脚），发现计数个位的输出都是低电平，十位的有高有低，结果发现计数个位的芯片是坏的，我们换了一个芯片数码管就有显示了。附录A 原理图和PCB图 附录B 元件清单元件名称型号/阻值数 量备 注数码管2个共 阳74LS48芯片HD74LS48P2个译 码74LS273芯片74HCS273AP1个锁 存74LS90芯片HD7490AP2个计 数555芯片NE555P1个定 时74123芯片SN74LS123N1个74LS00芯片DM74LS00N2个电 阻若干阻值10个电 容若干值5个电位器1个三极管1个放大按键1个4个引脚二极管1个滑动变阻器1个红、绿、黄单排针1个2针芯片插槽各种管脚9个34