Diseño de frecuencímetro digital
1. Tareas y requisitos de diseño
1. Diseñar y realizar un circuito de medición de frecuencia simple para lograr una visualización digital.
2. Rango de medición: 10 Hz ~ 99,99 KHz
3.
4. Amplitud de la señal de entrada: 20mV~5V.
5. Modo de visualización: números LED de 4 dígitos.
2. Diseño y demostración del esquema
El frecuencímetro es un instrumento utilizado para medir la frecuencia de funcionamiento de señales sinusoidales, señales rectangulares, señales triangulares y otras formas de onda. Según el concepto de frecuencia, es el número de pulsos por unidad de tiempo. Para medir la frecuencia de la forma de onda medida, es necesario medir cuántos pulsos hay en la forma de onda medida 1. Por lo tanto, si se utiliza un tiempo fijo de 1S para controlar un circuito de puerta, el circuito de puerta se abrirá en 1S, permitiendo que la señal medida pase y entre.
Análisis de requisitos de la tarea:
Se requiere que el medidor de frecuencia tenga un rango de 10 Hz ~ 99,99 KHz y una precisión de 10 Hz. Por lo tanto, se utilizan cuatro contadores de 1000 bases para contar los pulsos de medición entrantes. El requisito de amplitud de la señal de entrada es de 20 mV ~ 5 V, por lo que la amplitud del pulso medido debe verificarse a través del circuito amplificador de atenuación. Dado que las formas de onda medidas son varias formas de onda, el circuito de compuerta o circuito de conteo posterior requiere que la señal medida sea una onda rectangular, por lo que también se necesita un circuito de configuración de forma de onda que la pantalla de salida del medidor de frecuencia se estabilice con un pestillo y luego; Una pantalla de tubo digital LED de 4 dígitos.
Después del análisis anterior, el diseño del circuito de cada módulo del frecuencímetro es el siguiente:
Opción 1:
Según el análisis anterior, el El tiempo del temporizador del frecuencímetro es de 1 s. Se puede generar un pulso de 1000 Hz a través de un multivibrador compuesto por un temporizador 555, un condensador y una resistencia, y luego dividirlo en un pulso de 1 Hz, que es un pulso con un período de 1 s, y luego se utiliza un flip-flop en T para lograr el nivel alto normal de los pulsos 1; el circuito de amplificación y conformación se compone de una puerta NAND, NO de una puerta y un diodo; el circuito de la puerta adopta una puerta AND solo cuando el pulso de sincronización es de alto nivel. la señal de entrada puede ingresar al circuito de conteo a través de la puerta AND para contar. El circuito de conteo puede estar compuesto por cinco contadores decimales. El contador estabiliza el número de pulsos contados por el pestillo y finalmente se muestra mediante cuatro tubos de imagen digitales LED.
Opción 2:
El tiempo del temporizador del frecuencímetro es de 1 segundo. Puede generar directamente un pulso de 1 Hz a través de un multivibrador compuesto por un temporizador 555, un condensador y una resistencia, y luego dispárelo a través de T. El nivel alto normal del pulso es 1 s; el circuito de amplificación y conformación puede usar directamente el disparador Schmitt con función de amplificación para dar forma y amplificar la señal de entrada. Los circuitos de otros módulos son los mismos que el esquema 1.
Después de analizar las dos opciones, con el fin de reducir el tiempo de retardo total del circuito y mejorar la precisión de la medición, se seleccionó la segunda opción con menos componentes.
3. Diseño del circuito de la unidad y cálculo de parámetros
Circuito de base de tiempo:
Generado por un multivibrador compuesto por 555_temporizador virtual, condensador y resistencia de pulso de 1Hz. Según el período de oscilación del libro: T=(R1 R2)C*ln2, tome C=10uF, r 1 = 2kω, T=1s y calcúlelo.
A través de la simulación del osciloscopio, el nivel alto del pulso generado es de aproximadamente 1S.
Circuito de amplificación y conformación:
Utiliza un disparador Schmitt 74HC14D_4V con función de amplificación para amplificar y dar forma al pulso de entrada, amplificando la señal de entrada en un pulso rectangular de 4V. El efecto de amplificación y conformación es el siguiente:
Circuito de puerta:
La puerta AND 74LS08 se utiliza como puerta para determinar si el pulso puede pasar. Cuando la señal de sincronización Q tiene un nivel alto, la puerta se abre y la señal de entrada ingresa al circuito de conteo para contar; de lo contrario, no puede pasar a través de la puerta;
Circuito de conteo:
El circuito de conteo consta de 5 (4) contadores 74192N, y su base es 100000 (10000). El flanco ascendente de 74192N es válido y el circuito registra una vez cuando aumenta un pulso, por lo que el rango de conteo es 0 ~ 99999 (5000).
Sin embargo, después de contar hasta 1, el contador debe borrarse o restablecerse a cero. El terminal de compensación utilizado aquí es válido en el nivel superior. Después de contar hasta 1, Q es un nivel bajo y Q' es un nivel alto, por lo que Q' se utiliza como señal de limpieza. El diagrama de cableado es el siguiente:
Circuito de visualización de bloqueo:
Cuando el circuito de conteo completa el conteo, el número de pulsos contados debe bloquearse y mostrarse de manera estable a través del tubo digital. El pestillo utiliza dos 74ls273 y el reloj también funciona en el flanco ascendente. Cuando Q es el flanco descendente, Q' resulta ser el flanco ascendente, por lo que usar Q' como reloj del pestillo puede simplemente bloquearse y mostrar el número de pulsos al final del conteo. El diagrama de cableado del circuito es el siguiente:
IV. Principio general de funcionamiento del circuito y lista de componentes
1. proceso de trabajo completo del circuito (principio de funcionamiento general)
Un multivibrador compuesto por 555 genera un pulso de 1 Hz, que está formado por un flip-flop en T para formar un pulso con un tiempo de alto nivel de 1 S. Un pulso alto abre la puerta 74LS08N, lo que permite que el pulso de medición amplificado y moldeado por el disparador Schmitt 74HC14D pase y entre en el contador para contar 1. Al final del conteo, Q del flip-flop T es el flanco descendente, Q' es exactamente el flanco ascendente, lo que activa el funcionamiento del pestillo, de modo que la señal emitida por el contador se bloquea y se muestra a través del pestillo, y al final Al mismo tiempo, la señal Q' de alto nivel borra el circuito. Luego, el circuito realizará el proceso anterior, pero para la misma señal de medición, el número mostrado en el LED es estable dentro del rango de error permitido.
3. Lista de componentes
Número de serie de la pieza, modelo, parámetros principales, observaciones de cantidad
1 741925 contador sumador
2 74LS273 2 pines
3 DCD _Hex 4Pantalla LED
4 4 555 _Temporizador virtual 1 0
5 t _ ff1 t flip-flop
6 Capacitor_Condensador nominal 10Uf, voltaje nominal 50V1 capacitor
7 Capacitor_Condensador nominal 10Nf, voltaje nominal 10V1 capacitor
Resistencia 8RES 2kω 1
Resistencia 9RES 1
10 74LS08 1 entrada dual Y puerta
11 74hc 14d _ 4V 1 disparador Schmitt, voltaje amplificado 4V.
12 voltaje de CA 1 señal de pulso sinusoidal ajustable
Depuración y análisis de simulación de verbo (abreviatura de verbo)
Después de combinar cada módulo, se realizan la simulación y la depuración . para cumplir con los requisitos de la misión.
①Ingrese un pulso de CA de 10 Hz en el terminal de entrada de señal, los resultados de la simulación son los siguientes:
Muestra que los resultados de la simulación son precisos
②Ingrese un pulso de CA de 300 Hz en el terminal de entrada de señal, los resultados de la simulación son los siguientes:
Los resultados de la simulación son precisos
(3) Introduzca un pulso sinusoidal de 3 KHz en el terminal de entrada de señal, los resultados de la simulación son de la siguiente manera:
④ Ingrese un pulso sinusoidal de 20 KHz y los resultados de la simulación serán los siguientes:
La diferencia entre los resultados de la simulación y los resultados reales es de 20 Hz, lo que significa que cuanto mayor Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el error. Después del análisis, esto se debe al tiempo de retardo de cada componente y al pulso 1S. Después de que se retrase cada componente, el tiempo de conteo será superior a 1 segundo. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el error, por lo que el tiempo de conteo será ligeramente más corto que 1S. El R3 del circuito base pequeño es 70,23 kω. Los resultados de la simulación son los siguientes:
Aún hay un error. Después de ajustar R3 muchas veces, finalmente se determinó que R3 era 70,06 kω y la prueba para todas las frecuencias fue relativamente precisa. A 20 KHz, los resultados de la simulación son los siguientes:
Por lo tanto, si R3 es 70,06 kω, todos los valores de frecuencia medidos son precisos y el diseño del circuito cumple con los requisitos de la tarea de prueba.
Conclusión y experiencia de los verbos intransitivos
Aprendí mucho del diseño del curso. Primero, aprendí a diseñar un circuito en módulos y luego integrarlos, lo que puede simplificar un circuito complejo y facilitar la depuración y modificación.
En segundo lugar, el diseño me ayudó a aprender las funciones de algunos componentes y usarlos; en tercer lugar, usaré software multisim para diseñar preliminarmente el circuito. Finalmente, el diseño de este curso también mejoró mi capacidad para encontrar, pensar y resolver problemas, y también; ejercido Tengo mi paciencia.
También encontré muchos problemas durante el diseño de este curso. En primer lugar, no sabía mucho sobre componentes y no sabía qué componente usar para implementar una determinada función, así que les pedí a mis compañeros que buscaran en línea y luego entendí las funciones lógicas de este componente y aprendí a usarlo. él. En segundo lugar, generalmente no uso software de diseño de circuitos. Al principio, lo diseñé usando el software EWB, pero podía simular el módulo, pero no podía integrar toda la simulación esquemática. Al observar la forma de onda de salida con un osciloscopio, descubrí que el pulso viajó por un corto tiempo, pero luego se detuvo. Pensé que era un problema de circuito, así que busqué muchas veces antes de encontrar el problema. Originalmente, la simulación del software no tenía dos señales, así que la rediseñé usando multisim. Finalmente, cuando usamos multisim para simular altas frecuencias, la velocidad de simulación era extremadamente lenta, por lo que ajustamos el tamaño máximo del paso de simulación del software, pero el problema volvió a ocurrir. La señal estaba desordenada y el tubo digital mostró números diferentes. Supuse si era un problema de componente. Si la frecuencia es demasiado alta, el componente generará el resultado primero y luego responderá. Sin embargo, al buscar respuestas en línea, descubrí que el tamaño del paso de simulación del software afectará la precisión de la simulación, por lo que el tamaño máximo del paso de simulación correspondiente debe ser. Se utiliza para la simulación de frecuencia dentro de un cierto rango.
El diseño de este tema me llevó mucho esfuerzo y, a veces, trabajé en ello todo el día, pero la sensación de logro que tuve cuando diseñé con éxito el circuito no se puede expresar, por lo que el circuito completo El proceso de diseño estuvo lleno de angustia y diversión.
Siete. Referencia
[1] Yan Shi "Tutorial básico sobre tecnología electrónica digital", primera edición, Tsinghua University Press, 2007.08.