Проектирование цифрового частотомера

Содержание

 

Введение

1. Теоретический обзор проектируемого устройства

2. Построение структурной схемы устройства

3. Построение функциональной схемы устройства

4. Построение принципиальной схемы

5. Выбор элементной базы

6. Моделирование в САПР

Заключение

Список использованных источников

Введение

Цифровая электроника - самое перспективное направление в современной электронике, в науке, народном хозяйстве, в учебном процессе в институтах и университетах. Без нее немыслим дальнейший научно-технический прогресс.

Преимуществом цифровых устройств по сравнению с аналоговыми являются большая точность и быстрота выполнения различных операций, высокая надежность, а также малое потребление электроэнергии и минимизация размеров самих устройств, ввиду использования в них интегральных микросхем разной степени интеграции.

Целью данного курсового проекта является проектирование цифрового частотомера, позволяющего измерять частоту электрических колебаний от единиц герц до 10 МГц, и амплитудой от 0,15 до 10 В с ведением счета числа импульсов входного исследуемого сигнала.

1. Теоретический обзор проектируемого устройства

Хороший частотомер незаменим во многих областях народного хозяйства и в радиолюбительской практике. В настоящее время используются как цифровые, так и аналоговые методы измерения частоты. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. В цифровых прибоpax подсчитывают количество периодов измеряемой частоты за единицу времени при помощи счетчика, показания которого выводятся затем на цифровой индикатор. В аналоговой аппаратуре из сигнала измеряемой частоты сначала формируют импульсы тока или напряжения, амплитуда н форма которых неизменны, а затем измеряют постоянную составляющую тока или напряжения этих импульсов стрелочным прибором магнитоэлектрической системы. Постоянная составляющая прямо пропорциональна частоте импульсов, поэтому можно пользоваться равномерной (линейной) шкалой измерительного прибора.

Цифровые частотомеры обеспечивают более высокую точность измерения, однако аналоговые частотомеры существенно проще, дешевле и доступнее цифровых. В некоторых случаях, например, при плавной подстройке частоты, следить за показаниями по цифровому частотомеру неудобно, тогда как аналоговый частотомер позволяет наблюдать динамику процесса.

Основным недостатком большинства конструкций аналоговых частотомеров является возрастание абсолютной погрешности измерения при расширении частотного диапазона в сторону высоких частот. Так, на базе стрелочного прибора класса точности 1.0, шкала которого имеет 100 делений, можно изготовить частотомер, обладающий в диапазоне 0-10 кГц погрешностью измерения 100 Гц, но в диапазоне 0.10 МГц тот же частотомер будет иметь погрешность, уже в 1000 раз большую, т. е 100 кГц. Класс точности прибора заставляет нас ограничиваться при отсчете частоты всего двумя верными цифрами, что гораздо хуже, чем у цифровых частотомеров. Для решения этой проблемы можно использовать преобразование частоты, заменяя измерение неизвестной частоты измерением разности между ней н близкой к ней опорной частотой. Такое решение, однако, приводит к значительному усложнению конструкции частотомера В нем появляются селектор гармоник опорной частоты, преобразователи частоты и фильтры нижних частот. Все эти узлы содержат моточные изделия и требуют настройки. Стрелочный прибор при этом необходимо градуировать заново. При переходе с одного поддиапазона на другой измерительный прибор испытывает значительные токовые перегрузки.

2. Построение структурной схемы устройства

Структурная схема приведена на рисунке 1

Рисунок 1 - Структурная схема

Цифровой частотомер образуют формирователь импульсов сигнала измеряемой частоты, блок образцовой частоты, электронный клапан, устройство управления, двоично-десятичный счетчик импульсов и блок цифровой индикации. В роли источника питания может выступать гальванический элемент или аккумулятор напряжением 1,5 В.

С помощью преобразователя напряжения это значение повышают до 5 В (напряжение, необходимое для стабильной работы устройства).

цифровой частотомер входной сигнал

Действие устройства основано на измерении числа входных импульсов в течение строго определенного - образцового - интервала времени. Исследуемый сигнал подают на вход формирователя импульсного напряжения. На его выходе формируются электрические колебания прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала.

Эти импульсы подают на вход электронного клапана. Сюда же через устройство управления, открывающее клапан на строго определенное время, поступают и импульсы образцовой частоты. В результате на выходе электронного клапана появляются пачки импульсов, которые далее следуют к двоично-десятичному счетчику. Логическое состояние двоично-десятичного счетчика, в котором он оказался после закрытия клапана, отображает блок цифровой индикации, работающий в течение времени, определяемого устройством управления.

В режиме счета импульсов устройство управления блокирует источник образцовой частоты, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступивших на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результат счета.

3. Построение функциональной схемы устройства

Функциональная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема

В состав блока формирователя импульсного напряжения входит: входное гнездо XS1, на которе подают импульсное или переменное напряжение, частоту которого нужно измерить; резисторы R1 (ограничивает входной ток), R2, R3 (устанавливает нижний предел напряжения входного сигнала), R4; конденсаторы C1 (шунтирующий конденсатор, несколько улучшающий чувствительность устройства при измерении сигналов с высокой частотой), C2, C3 (блокирует ступень и микросхему формирователя по цепи питания); диод VD1, ограничивающий отрицательное напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 и микросхема DD1 - триггер Шмитта.

Электронный клапан состоит из резистора R9 и двух логических элементов микросхемы DD11.

В блок образцовой частоты входят генератор на элементах DD2.1-DD2.3, частота импульсов которого стабилизирована кварцевым генератором ZQ1; резисторы R5, R6, R7; конденсаторы C1, C2, и семиступенный делитель частоты на микросхемах DD3-DD9. Требуемый частотный интервал устанавливают переключателем SA1.

Блок устройства управления выполнен на D-триггерах DD10.1 и DD10.2, инверторов DD11.3, DD11.4 и транзистора VT1, образующих усложненный одновибратор. Также в блоке присутствует переключатель режимов измерения SA2, кнопка обнуления счета SB1, резисторы R8, R10, R11, R12, конденсатор C3, транзистор VT1 и диод VD2.

Счетчик состоит из трех счетных ступеней, выполненных на счетчиках DD12, DD14, DD16, и дешифраторах DD13, DD15, DD17.

Блок цифровой индикации сформирован на основе семисегментных индикаторов HL1-HL3.

4. Построение принципиальной схемы

Принципиальная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема

5. Выбор элементной базы

В схеме устройства используется двенадцать постоянных резисторов: R1 - 1 кОм; R2 - 30 кОм; R3 - 10 кОм; R4 - 1,5 кОм; R5-R7, R9 и R11 - 2 кОм; R8 - 2,2 кОм; R10 - 51 кОм; R12 - 3 кОм. Номинальная мощность используемых резисторов - 0,125 Вт.

Были выбраны резисторы серии C2-23. Их характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 1 - Характеристики резисторов серии С2-23

Материал резистивного элемента	Металлопленочные
Серия	С2-23
Номинальное сопротивление, Ом	10 Ом - 10 МОм; ряд Е24; ряд E96
Точность, %	± 1, ± 5
Номинальная мощность, Вт	0.125
Тип выводов	Аксиальные
Тип корпуса	Цилиндрический
Максимальное рабочее напряжение, В	250
Рабочая температура, С	-55.155
Длина корпуса L, мм	6.3
Ширина (диаметр) корпуса W (D), мм	2.3
Производитель	Китай

Рисунок 4 - внешний вид резистора C2-23

В схеме устройства присутствуют два биполярных транзистора: VT1 - КТ3102Б и VT2 - КТ135Б. Их характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 2 - Характеристики транзистора КТ3102Б

Структура	NPN
Макс. напряжение к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э. (Uкбо макс), В	50
Максимальное напряжение к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э. (Uкэr макс), В	-
Максимальное напряжение к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б. (Uкэо макс), В	-
Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)	0.1
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	200
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц	150
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)	0.25
Корпус	KT-26
Производитель	Россия

Рисунок 5 - внешний вид транзистора КТ3102Б

Таблица 3 - Характеристики транзистора КТ315Б

СтруктураNPN
Макс. напряжение к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э. (Uкбо макс), В	20
Максимальное напряжение к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э. (Uкэr макс), В	20
Максимальное напряжение к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б. (Uкэо макс), В	-
Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)	0.1
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	50
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц	250
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)	0.15
Корпус	KT-13
Производитель	Россия

Рисунок 6 - внешний вид транзистора КТ315Б

В схеме устройства используется два диода VD2 - КД503А. Их характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 4 - Характеристики диодов КД503А

Тип диода	Импульсный
Максимальное постоянное обратное напряжение, В	30
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А	0.015
Максимальное время восстановления, мкс	0.01
Максимальное импульсное обратное напряжение, В	30
Максимально допустимый прямой импульсный ток, А	0.2
Максимальный обратный ток, мкА	4
Максимальное прямое напряжение, В	1
при Iпр., А	0.001
Рабочая частота, кГц	350
Общая емкость, Сд. пФ	5
Рабочая температура, С	-60.125
Способ монтажа	в отверстие
Корпус	kd 503 a

Рисунок 7 - внешний вид диода КД503А

В схеме устройства используются шесть конденсаторов: C1 (1000 пФ), C3, С5 (0,047 мкФ), С4 (100 пФ) - постоянные керамические; C2 (10 мкФх10 В), C6 (220 мкФх10 В) - постоянные электролитические. В качестве керамических были выбраны конденсаторы К10-17Б, в качестве электролитических - К50-35. Основные характеристики и внешний вид этих конденсаторов приведен ниже.

Таблица 5 - Характеристики конденсаторов К10-17Б

Тип	К10-17Б
Номинальная емкость	пФ/мкФ
Рабочее напряжение, В	50
Температурный коэффициент емкости	NP0
Допуск номинала, %	5
Рабочая температура, С	-55.125
Выводы/корпус	Рад. пров.
Длина корпуса L, мм	4,2
Ширина корпуса W, мм	3,2
Производитель	Тайвань

Рисунок 8 - внешний вид конденсатора K10-17Б

Таблица 6 - Характеристики резисторов К50-35

Серия	К50-35
Номинальная емкость, мкФ	0,47~10000
Рабочее напряжение, В	10
Допуск номинальной емкости,%	20
Рабочая температура, С	-40.85
Тангенс угла потерь,%	0,1
Ток утечки макс., мкА	4
Выводы/корпус	радиал. пров.
Диаметр корпуса D, мм	5
Длина корпуса L, мм	11
Производитель	USA

Рисунок 9 - внешний вид конденсатора K50-35

В схеме используется кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 8 МГц. Был выбран кварцевый резонатор HC-49U. Его характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 7 - Характеристики кварцевого резонатора HC-49U

Частота МГц.	-
Резонансная частота, Гц	8000
Номер гармоники	-
Точность настройки dF/Fх10-6	30
Температурный коэффициент, Ктх10-6	30
Нагрузочная емкость, пФ	32
Длина корпуса L., мм	13,5
Диаметр (ширина) корпуса,D (W), мм	11,5
Рабочая температура, С	-20.70
Корпус	HC-49U
Производитель	Тайвань

Рисунок 10 - внешний вид кварцевого резонатора HC-49U

В схеме используется семнадцать микросхем логики: DD1 - Триггер Шмитта; DD2, DD11 - элементы И-НЕ; DD3 - 4-разрядный двоичный счетчик; DD4-DD9 - декадный счетчик с фазоимпульсным представлением информации; DD10 - два D-триггера; DD12, DD14, DD16 - 4-разрядный асинхронный двоично-десятичный счетчик; DD13, DD15, DD16 - схема управления семисегментным индикатором с общим катодом. Были выбраны микросхемы: DD1 - К155ТЛ1 (SN7413N); DD2, DD11 - К155ЛА3 (SN7400N); DD3 - К155ИЕ5 (SN7493AJ); DD4-DD9 - К155ИЕ1; DD10 - К155ТМ2 (SN7474J); DD12, DD14, DD16 - К155ИЕ2 (SN7490N); DD13, DD15, DD16 - К514ИД1 (MSD047). Их характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 8 - Характеристики микросхемы логики К155ТЛ1 (SN7413N)

Функциональность	Триггер
Номинальное напряжение питания	5
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Выходное напряжение высокого уровня	2
Входной ток низкого уровня	0.34
Входной ток высокого уровня	0.002
Ток потребления, мА	-
Время задержки включения, нс	-
Время задержки выключения, нс	-
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10.70
Корпус	201,14-1
Производитель	Россия

Рисунок 11 - внешний вид микросхемы К155ТЛ1 (SN7413N)

Таблица 9 - Характеристики микросхемы логики К155ЛА3 (SN7400N)

Функциональность	И-НЕ
Номинальное напряжение питания	5
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Выходное напряжение высокого уровня	2
Входной ток низкого уровня	0.34
Входной ток высокого уровня	0.002
Ток потребления, мА	-
Время задержки включения, нс	-
Время задержки выключения, нс	-
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10.70
Корпус	201,14-1
Производитель	Россия

Рисунок 12 - внешний вид микросхемы логики К155ЛА3 (SN7400N)

Таблица 10 - Характеристики микросхемы логики К155ИЕ5 (SN7493AJ)

Функциональность	Счетчик
Номинальное напряжение питания	5
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Выходное напряжение высокого уровня	2
Входной ток низкого уровня	0.34
Входной ток высокого уровня	0.002
Ток потребления, мА	-
Время задержки включения, нс	-
Время задержки выключения, нс	-
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10.70
Корпус	201,14-1
Производитель	Россия

Рисунок 13 - внешний вид микросхемы логики К155ИЕ5 (SN7493AJ)

Таблица 11 - Характеристики микросхемы логики К155ИЕ1

ФункциональностьСчетчик
Номинальное напряжение питания	5
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Выходное напряжение высокого уровня	2
Входной ток низкого уровня	0.34
Входной ток высокого уровня	0.002
Ток потребления, мА	-
Время задержки включения, нс	-
Время задержки выключения, нс	-
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10.70
Корпус	201,14-1
Производитель	Россия

Рисунок 14 - внешний вид микросхемы логики К155ИЕ1

Таблица 12 - Характеристики микросхемы логики К155ТМ2 (SN7474J)

Функциональность	Триггер
Номинальное напряжение питания	5
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Выходное напряжение высокого уровня	2
Входной ток низкого уровня	0.34
Входной ток высокого уровня	0.002
Ток потребления, мА	-
Время задержки включения, нс	-
Время задержки выключения, нс
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10.70
Корпус	201,14-1
Производитель	Россия

Рисунок 15 - внешний вид микросхемы логики К155ТМ2 (SN7474J)

Таблица 13 - Характеристики микросхемы логики К155ИЕ2 (SN7490N)

Функциональность	Счетчик
Номинальное напряжение питания	5
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Выходное напряжение высокого уровня	2
Входной ток низкого уровня	0.34
Входной ток высокого уровня	0.002
Ток потребления, мА	-
Время задержки включения, нс	-
Время задержки выключения, нс	-
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10.70
Корпус	201,14-1
Производитель	Россия

Рисунок 16 - внешний вид микросхемы логики К155ИЕ2 (SN7490N)

Таблица 13 - Характеристики микросхемы логики К514ИД1 (4511)

Функциональность	контроллер управления индикаторами
Номинальное напряжение питания	5
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Выходное напряжение высокого уровня	2
Входной ток низкого уровня	0.34
Входной ток высокого уровня	0.002
Ток потребления, мА	-
Время задержки включения, нс	-
Время задержки выключения, нс	-
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10.70
Корпус	-
Производитель	Россия

Рисунок 17 - внешний вид микросхемы логики К514ИД1 (4511)

В схеме используется преобразователь напряжения DA1. Был выбран преобразователь MAX1724EZK50. Его характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 14 - Характеристики преобразователя MAX1724EZK50

Рисунок 18 - внешний вид преобразователя MAX1724EZK50

В схеме используются индикаторы HL1-HL3. Был выбран цифровой семисегментный индикатор АЛС324А1. Его характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 15 - Характеристики семисегментного индикатора АЛС324А1

Материал	GaAsP/GaP
Цвет свечения	Красный
Длина волны, нм	660
Минимальная сила света Iv мин., мКд	0.15
Максимальная сила света Iv макс., мКд	0.45
При токе Iпр., мА	20
Количество сегментов	7
Количество разрядов	1+точка
Схема включения	Общ. катод
Высота знака, мм	7.5
Максимальное прямое напряжение, В	2.5
Максимальное обратное напряжение, В	5
Максимальный прямой ток, мА	25
Максимальный импульсный прямой ток, мА	300
Рабочая температура, С	-60.70
Производитель	Россия

Рисунок 19 - внешний вид семисегментного индикатора АЛС324А1

В схеме утрорйства используются кнопки и переключатели: SA1 - переключатель на пять положений, SA2 - тумблер, SB1 - кнопка тактовая. Были выбраны: SA1 - переключатель на пять положений тактильный ТА752001A01; SA2 - тумблер двухпозиционный MTS-102; SB1 - кнопка тактовая 0643GHIM-130G. Ниже приведены характеристики данных элементов и их внешний вид.

Таблица 16 - Характеристики переключателя ТА752001A01

Функциональность	переключатель
Структура	контакт 1 - пункт
Допустимая мощность на контактах	50 мA @ 12 В
Механическая жизнь	200.000 циклов
Материал привода	Пластмасса
Материал основания	Нейлон
Материал крышки	Металл
Материал стержней	Медный покрынный сплав
Производитель	Китай

Рисунок 20 - внешний вид переключателя ТА752001A01

Таблица 17 - Характеристики тумблера MTS-102

Рабочее напряжение, В	250
Рабочий ток, А	3
Алгоритм работы	ON-ON
Количество контактных групп	1
Количество контактов в контактной группе	-
Сопротивление контактов не более, Ом	0.02
Рабочая температура, С	-25.85
Способ монтажа	на панель
Производитель	Китай

Рисунок 21 - внешний вид тумблера MTS-102

Таблица 18 - Характеристики кнопки 0643GHIM-130G

Функциональное назначение	кнопка тактовая
Рабочее напряжение, В	12
Рабочий ток, А	0.05
Фиксация	нет
Конфигурация контактов	SPST
Подсветка	нет
Сопротивление изолятора не менее, МОм	100
Сопротивление контактов не более, Ом	0.1
Предельное напряжение, В	250В AC в теч.1 мин.
Рабочая температура, С	-25.70
Способ монтажа	в отверстия на плату
Производитель	Тайвань

Рисунок 22 - внешний вид кнопки 0643GHIM-130G

В схеме используется разъем XS1. Был выбран разъем BNC-101A. Его характеристики и внешний вид приведены ниже.

Таблица 19 - Характеристики разъема BNC-101A

Тип	BNC
Функциональное назначение	BNC plug
Волновое сопротивление, Ом	50
Способ монтажа	пайка на кабель
Материал корпуса	латунь покрытая никелем
Материал контактов	бронза покрытая золотом
Материал изолятора	тефлон
Сопротивление контактов не более, Ом	0.005
Сопротивление изолятора не менее, МОм	1000
Предельное напряжение не менее, В	1000 В перем. тока в течение 1 мин.
Рабочая температура, С	-40.125
Производитель	Тайвань

Рисунок 23 - внешний вид разъема BNC-101A

6. Моделирование в САПР

Моделирование произведено в среде моделирования Proteus 7.1 в два этапа. Проверка работоспособности устройства, пояснения и рисунки приведены ниже.

. Проверка работоспособности формирователя импульсов сигнала измеряемой частоты совместно с другими узлами и элементами устройства.

Вывод 8 инвертора DD11.3 соединяется с проводником обнуления счетчиков DD12, DD14, DD16 (предварительно удаляется перемычка, которой эти входы были замкнуты на общий проводник), вход C (вывод 3) триггера DD10.1 соединяется непосредственно с выходом блока образцовой частоты (вывод 5 счетчика DD9), что равнозначно установке переключателя SA1 в положение “x1 Гц”, и одновременно с разъемом XS1. Теперь индикаторы HL1 и HL2 будут высвечивать нули, а индикатор HL3 - цифру 1 (1Гц).

Рисунок 24 - Проверка работоспособности формирователя импульсов сигнала измеряемой частоты (1 Гц)

При соединении разъема с выходом счетчика DD8 блока образцовой частоты индикатор HL1 должен высвечивать ноль, а индикаторы HL1 и HL2 - еденицу и ноль, что соответствует числу 10 (10 Гц).

Рисунок 25 - Проверка работоспособности формирователя импульсов сигнала измеряемой частоты (10 Гц)

Если разъем соединить с выходом счетчика DD7, индикаторы станут высвечивать число 100 (100 Гц)

Рисунок 26 - Проверка работоспособности формирователя импульсов сигнала измеряемой частоты (100 Гц)

. Полная проверка работоспособности устройства.

Для проведения данной проверки необходимо подать на вход частотомера переменное напряжение сети, пониженное до 1…3 В, - индикаторы зафиксируют частоту 50 Гц.

Рисунок 27 - Измерение частоты переменного напряжения сети (50 Гц)

Заключение

В ходе данного курсового проекта был спроектирован цифровой частотомер. Цифровой частотомер предназначем для измерения частоты переменного или импульсного напряжения. Прибор более компактен по сравнению с аналоговым исполнением, имеет малое энергопотребление и большую точность.

Были построены структурная, функциональная и принципиальная схемы, на которых было приведено описание всех блоков устройства. Был произведен выбор элементной базы Также было произведено моделирование в САПР в среде Proteus. В данной оболочке было собрано проектируемое устройство, которое при измерении необходимых характеристик показывало удовлетворительную работоспособность.

Список использованных источников

1.      Воробьев Е.П., Сенин К.В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 352 с.

2.      Борисов В.Г., Партин А.С. Практикум радиолюбителя по цифровой технике. - М.: Патриот, 1991. - 144 с.