第七章
电子系统设计实例
前面各章主要就电子系统设计的一般方法,步骤以及一些常用技术进 行了介绍, 本章将精选一些历届电子竞赛的赛题, 通过对它们的具体分析和 设计,实施,将理论与实践紧密的结合起来,通过具体的设计训练提高实际 能力.
第一节
简易数字频率计
简易数字频率计的设计我们已在第一章中作为设计范例给出了具体的 设计方案和系统结构. 该设计方案主要采用传统的高频测频, 低频测周的电 子计数器法,以中介频率作为其分界线,从而可保证足够高的测量精度.此 处我们仍以该题为例, 介绍另外一种设计方法—高精度恒误差测量法. 为此, 我们不妨再将设计任务的要求列出,以便阅读. 该题目要求设计一台简易数字频率计.具体性能,指标要求如下: 1.基本要求 (1)频率测量: a. 测量范围
信号:方波,正弦波信号 幅度:0.5V～5V 频率:1Hz～1MHz b. 测量误差≤0.1%. (2)周期测量: a. 测量范围 信号:方波,正弦波信号 幅度:0.5V～5V 频率:1Hz～1MHz b. 测量误差≤0.1%. (3) 脉冲宽度测量: a. 测量范围 信号:脉冲波 幅度:0.5V～5V 脉冲宽度≥100μs b. 测量误差≤1%. (4)显示器 :十进制数字显示,显示刷新时间 1～10 秒连续可调. (5)具有自校功能,时标信号频率为 1MHz. (6)自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源. 说明: 不能采用频率计专用芯片.
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2.发挥部分 (1)扩展频率测量范围为 0.1Hz～10MHz(信号幅度 0.5V～5V) ,测量误差 降低为 0.01%(最大闸门时间≤10s) . (2)测量并显示周期脉冲信号(幅度 0.5V～5V,频率 1Hz～1kHz)的占空 比,占空比变化范围为 10%～90%,测量误差≤1% . (3)在 1Hz～1MHz 范围内及测量误差≤1%的条件下,进行小信号的频率测 量,提出并实现抗干扰的措施. 摘 要 本设计系统采用高精度恒误差频率测量法. 以单片机作为控制和测量的 核心部件, 由现场可编程逻辑器件 EPM7128SLC84-15 实现大部分外围电路. 信号的调理整形部分由快速微分比较器 LM361 完成,为防止正弦信号在过 零点的毛刺造成比较器的误动作,LM361 采用迟滞比较器的接法.另外, 测量结果由键盘显示控制器 Zlg7289 实现. 一. 总体方案比较与论证 方案 1:采用中小规模数字电路构成频率计,由计数器构成主要的测量 模块.用定时器组成主要的控制电路.电路框图如图 7-1 所示.此方案软件 设计简单,但外围芯片过多,且频带窄,实现起来较复杂,功能不强,而且 不能程控和扩展.
比较器
功能选择
量程选择
计数器
被 测 信 号
键盘
控制 模块
定时及 时标
显示
图 7-1
方案 1 电路框图
方案 2:采用专用的频率计模块构成主要的控制及测量电路.电路框图 如图 7-2 所示.特点是结构简单,外围电路不多,功能较强.
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图 7-2
方案 2 电路框图
方案 3:采用单片机和大规模现场可编程逻辑器件实现.单片机采用 89c52,大规模现场可编程器件采用 ALTERA 公司生产的 7128SLC84-15 实 现外围计数功能. 比较:方案 1 采用中小规模集成电路来实现,系统电路较复杂,扩展性 能差. 方案 2 不符合题目要求. 方案 3 用可编程逻辑器件实现大部分硬件电 路的功能.加上单片机控制,有利于系统进行扩展,并且调试简单.故采用 方案 3. 二. 模块电路设计与参数计算 1. 频率测量模块 目前,频率的测量主要有以下四种方法. (1) 直接测频法 直接测频法是将被测信号整形后加到闸门的一个输入端, 在闸门开通的 时间(T)内,被测信号的脉冲被送计数器进行计数.设计数器记得的值为 N,由频率计算式可得被测信号频率为 f = N/T.分析可知,本方法在频率较 低时误差较大.增大 T 可以提高测量精度,但仍难以满足题目发挥部分的 要求. (2)组合法 被测信号频率较低时,通过直接测量周期可提高精度.因此,当被测信 号频率较高时采用直接测频, 而当被测信号频率较低时采用先测量周期, 然 后换算成频率的方法, 就称为组合测量法. 测频与测周时误差相等时对应的 频率即为中介频率, 它成为测频与测周的分水岭. 这种方法可在一定程度上 弥补方法(1)的不足,提高测量精度. (3)倍频法 由于直接测频法在被测信号频率较高时测量精度高, 故可以将被测信号 分为几个频段, 在不同的频段采用不同的倍频系数, 将低频信号转化成高频 信号,从而提高测量精度.这种方法即为倍频法.

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