Question

高分求简易数字频率计设计

要求设计一个简易的数字频率计，其信号是给定的比较稳定的脉冲信号。

设计内容：

1、测量信号：方波 、正弦波、三角波；

2、测量频率范围: 1Hz~9999Hz；

3、显示方式：4位十进制数显示；

4、时基电路由 由555构成的多谐振荡器产生（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得）；

5、当被测信号的频率超出测量范围时，报警。

设计报告书写格式：

1、选题介绍和设计系统实现的功能；

2、系统设计结构框图及原理；

3、采用芯片简介；

4、设计的完整电路以及仿真结果；

5、Protel绘制的电路原理图；

6、制作的PCB；

7、课程设计过程心得体会（负责了哪些内容、学到了什么、遇到的难题及解决方法等）。

电子课程设计过程：

系统设计→在Multisim2001下仿真→应用Protel 99SE绘制电路原理图→制作PCB→撰写设计报告

仿真软件：

Multisim 2001，Protel 99SE。

Answer 1

绪论

在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。

在通信，广播，电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频），视频信号或者脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。
在工业，农业，生物医学等领域内，如高频感应加热，熔炼，淬火，超声波焊接，超声波诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小，频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术部门的应用是十分广泛的。
同样的，非正弦信号（方波，锯齿波等）发生器在测量设备，数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。

方波和三角波发生器
知识点及涉及内容:比较器，积分器。涉及函数发生器的安装，调试技术。
一．实验目的
（1） 掌握函数发生器的主要性能。
（2） 掌握函数发生器的基本测试方法。
（3） 学会函数发生器的设计。
（4） 学会函数发生器的调试方法
二．函数发生器的组成
函数发生器一般是指能自动产生正弦波，三角波，方波及锯齿波，阶梯波等电压波形的电路及仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波行数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（加单片函数发生模块ICL8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课程设计介绍由集成运算放大器等组成的方波——三角波函数发生器的设计方法及实验结果。
四． 方波函数发生电路原理
方波产生电路是一种能够直接产生方波或锯齿波的非正弦信号发生电路。由于方波或锯齿波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐2电路。它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf,C组成的积分电路，把输出电压经Rf,C反馈到集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻R和来两个背靠背的稳压管就组成了一个双向限幅防拨发生电路。由此可见，电路的正反馈系数F为
F=R2/（R1+R2）

在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于负饱和值，即V0=-Vz时，加到集成运同向端的电压为-FVz，而加于反相端的电压，由于电容C上的饿电压vc不能突变，只能由输出电压v0通过电阻Rf按指数规律向C充电来建立，充电电流为i+。显然，当加到反相端的电压Vc略负于-FVz时，输出电压便立即从负饱和值（-Vz）迅速翻转到正饱和值（+Vz）,+Vz又通过Rf对C进行反向充电，充电电流为i-。直到vc略正于FVz值时，输出状态再翻转回来。如此循环不已，形成一系列的方波输出。
在一个方波的典型周期内，输出端及电容C上的电压波形。设t=0时，vc=-FVz,则在T/2的时间内，电容C上的电压vc将以指数规律由-FVz向+Vz方向变化，电容器端电压随时间变化规律为
Vc(t)=Vz[1-(1+F)e^(1/RfC)

设T为方波周期，当T=T/2时，vc(T/2)=FVz,代入上式，可得

Vc(T/2)=Vz[1-(1+F)e^(-T/2RfC)]=FVz
对T求解，可得

T=fCln[(1+F)/(1-F)]=2RfCln(1+2R2/R1)

如适当选取R1和R2的值，可使F=0.462，则振荡周期可简化为T=2RfC,或振荡频率为

F=1/T=1/2RfC

在低频范围（如10Hz---10kHz）内，对于固定频率来说，此电路是一较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获取前后沿较陡的方，以选择转换速率较高的运放为宜。
通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称占空比。对称方波的占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容C的正，反向充电时间常数即可。这样，当vo为正时，D1导通而D2截止，反向充电常数为R f1C.。选取Rf1/Rf2的比值不同，就改变了占空比。设忽略了二极管的正向电阻，此时的振荡周期为

T=（Rf1+Rf2）Cln(1+2R2/R1)

五． 三角波函数发生电路原理
锯齿波和正弦波，方波，三角波是常用的基本测试信号。此外，如在示波器等仪器中，为了是电子按照一定的规律运动，以利用荧光屏显示图象，常用到锯齿波产生器作为时基电路。例如，要在示波器上不失真地观察到被测信号波形，就要在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速扫过荧光屏。而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要用锯齿波电流来控制。
电路中电容C的正，反向充电时间常数相等时，此时锯齿波就变成三角波，下图所示电路就变成方波（vo1）~三角波(vo2)产生电路。
方波放生器实际上只要在迟滞比较器的基础上接入一个RC负反馈通路即可。方波积分即是三角波，所以方波，三角波发生器可以用继承运算放大器，专用电压比较器构成，也可以由门电路构成，(a)图是使用运算放大器αA741构成的方波，三角波发生器电路。图中A1接成迟滞比较器，A2接成反相积分器，积分器的输入取自迟滞比较器的输出端，而迟滞比较器的输入信号则取自积分器的输出端。比较器的输出信号是方波，其输出电压幅度由稳压管决定。

Uo1m=Uz+Ud
Uo1n= -（Uz+Ud）
图中VDw1和VDw2均为1N4734，击穿电压为5.7V，所以Uo1m= -Uo1n=6.4V。
A2的输出信号是三角波，其输出电压幅度
Uo2m= -Uo1n R1/Rf
=(Uz+Ud)R1/Rf
=0.5*6.4=3.2V
Uo2n= -Uo1mR1/Rf
= -(Uz+Ud)R1/Rf
= -3.2V
方波和三角波的振荡频率
Fo=xRf/4R1R2C
=0.15*20*1000/4*10*150*1000000*0.1*0.000001=5Hz
其中x是电路中电位器的分压系数，即电位器动头电压与A1输出电压U01之比，这里为15%。]
启动电路对图中所示电路进行瞬间分析，用示波器分别观察A1和A2的输出电压波形，并示于（b）图。可以测出，方波电压幅度为6.4V，三角波电压幅度为3.2V，振荡频率为5Hz，与估算相同。
若调换图(a)中的稳压管，可以改变方波和三角波的输出电压幅度，但不改变振荡频率。
改变电位器的分压系数x和积分器的时间常数R2C，可以调节振荡频率，但不改变输出幅度。一般可以用改变积分时间常数进行频段转换，移动电位器动点的位置，改变x值作为频段内的微调。
六．实验电路图

七．实验结果

八．实验小结
本次实验使我体会到了理论和实际之间是有差别的，我们在掌握理论的同时要把理论放到实际中去。实验中遇到了和多困难，理论上正确的但在实际中运行不起来。认识到单掌握理论是不够的。要考虑到实际的外界和内部之间的因素，之间的联系，全方位的了解问题，思考问题，理解问题，解决问题。我认为学习最好能在实践中，掌握，巩固自己的理论知识，得到更好的发展。
参考文献：
《模拟集成电路基础及应用》电子工业出版社
《电子技术基础模拟部分》康华光主编

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