簡易頻率計課程設(shè)計要點

1、目 錄1 技術(shù)要求及系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 1.1技術(shù)要求 1 1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12設(shè)計方案及工作原理2 2.1 算法設(shè)計 2 2.2 工作原理 33組成電路設(shè)計及其原理 6 3.1時基電路設(shè)計及其工作原理 6 3.2閘門電路設(shè)計 7 3.3控制電路設(shè)計 83.4小數(shù)點控制電路 9 3.5整體電路 10 3.6 元件清單104設(shè)計總結(jié)11參考文獻(xiàn) 11附錄112附錄217摘 要簡易數(shù)字頻率計是一種用四位十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率（1Hz100KHz）的數(shù)字測量儀器.它的基本功能是測量正弦波，方波，三角波信號，有四個檔位（1，10，100，1000），并能使用數(shù)碼管顯示被測信號數(shù)據(jù)，本課程設(shè)計講述了數(shù)字頻

2、率計的工作原理以及其各個組成部分，記述了在整個設(shè)計過程中對各個部分的設(shè)計思路、對各部分電路設(shè)計方案的選擇、元器件的篩選、以及在設(shè)計過程中的分析，以確保設(shè)計出的頻率計成功測量被測信號。關(guān)鍵詞：簡易數(shù)字頻率計 十進(jìn)制 信號頻率 數(shù)碼管 工作原理 1 技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)本設(shè)計可以采用中、小規(guī)模集成芯片設(shè)計制作一個具有下列功能的數(shù)字頻率測量儀。1.1技術(shù)要求 要求測量頻率范圍1Hz100KHz，量程分為4檔，即1、10、100、1000。 要求被測量信號可以是正弦波、三角波和方波。 要求測試結(jié)果用數(shù)碼管表示出來，顯示方式為4位十進(jìn)制。 1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)字頻率計的整體結(jié)構(gòu)要求如圖1-1所示。圖中被測信號為

3、外部信號，送入測量電路進(jìn)行處理、測量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測試的項目-頻率、周期或脈寬，若測量頻率則進(jìn)一步選擇檔位。被測信號測量電路 顯示電路檔位轉(zhuǎn)換圖1-1 數(shù)字頻率計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 設(shè)計方案及工作原理2.1 算法設(shè)計頻率是周期信號每秒鐘內(nèi)所含的周期數(shù)值?？筛鶕?jù)這一定義采用如圖2-1所示的算法。圖2-2是根據(jù)算法構(gòu)建的方框圖。計數(shù)電路閘門輸入電路被測信號閘門產(chǎn)生顯示電路 圖2-2 頻率測量算法對應(yīng)的方框圖 在測試電路中設(shè)置一個閘門產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門信號。改閘門信號控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。讓被測信號送入閘門電路，當(dāng)1s閘門脈沖到來時閘門導(dǎo)通，被測信號通過閘門并到達(dá)后面的計數(shù)電

4、路（計數(shù)電路用以計算被測輸入信號的周期數(shù)），當(dāng)1s閘門結(jié)束時，閘門再次關(guān)閉，此時計數(shù)器記錄的周期個數(shù)為1s內(nèi)被測信號的周期個數(shù)，即為被測信號的頻率。測量頻率的誤差與閘門信號的精度直接相關(guān)，因此，為保證在1s內(nèi)被測信號的周期量誤差在10 量級，則要求閘門信號的精度為10 量級。例如，當(dāng)被測信號為1kHz時，在1s的閘門脈沖期間計數(shù)器將計數(shù)1000次，由于閘門脈沖精度為10 ，閘門信號的誤差不大于0.1s，固由此造成的計數(shù)誤差不會超過1，符合5*10 的誤差要求。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)被測信號頻率增高時，在閘門脈沖精度不變的情況下，計數(shù)器誤差的絕對值會增大，但是相對誤差仍在5*10 范圍內(nèi)。但是這一算

5、法在被測信號頻率很低時便呈現(xiàn)出嚴(yán)重的缺點，例如，當(dāng)被測信號為0.5Hz時其周期是2s，這時閘門脈沖仍未1s顯然是不行的，故應(yīng)加寬閘門脈沖寬度。假設(shè)閘門脈沖寬度加至10s，則閘門導(dǎo)通期間可以計數(shù)5次，由于數(shù)值5是10s的計數(shù)結(jié)果，故在顯示之間必須將計數(shù)值除以10.2.2 工作原理輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信

6、號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。頻率測量：測量頻率的原理框圖如圖2-3.測量頻率共有4個檔位。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號有555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達(dá)到了測量頻率的目的。周期測量：測量周期的原理框圖2-4.測量周期的方法與測量頻率的方法相反，即將被測信號經(jīng)整形、二分頻電路后轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘枴７讲ㄐ盘栔械拿}沖寬度恰好

7、為被測信號的1個周期。將方波的脈寬作為閘門導(dǎo)通的時間，在閘門導(dǎo)通的時間里，計數(shù)器記錄標(biāo)準(zhǔn)時基信號通過閘門的重復(fù)周期個數(shù)。計數(shù)器累計的結(jié)果可以換算出被測信號的周期。用時間Tx來表示：Tx=NTs式中：Tx為被測信號的周期；N為計數(shù)器脈沖計數(shù)值；Ts為時基信號周期。時基電路：時基信號由555定時器、RC組容件構(gòu)成多諧振蕩器，其兩個暫態(tài)時間分別為T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC重復(fù)周期為 T=T1+T2 。由于被測信號范圍為1Hz1MHz，如果只采用一種閘門脈沖信號，則只能是10s脈沖寬度的閘門信號，若被測信號為較高頻率，計數(shù)電路的位數(shù)要很多，而且測量時間過長會給用戶帶來不便，所以可

8、將頻率范圍設(shè)為幾檔： 1Hz999Hz檔采用1s閘門脈寬；0.01kHz9.99kHz檔采用0.1s閘門脈寬；0.1kHz99.9kHz檔采用0.01s閘門脈寬。多諧振蕩器經(jīng)二級10分頻電路后，可提取因檔位變化所需的閘門時間1ms、0.1ms、0.01ms。閘門時間要求非常準(zhǔn)確，它直接影響到測量精度，在要求高精度、高穩(wěn)定度的場合，通常用晶體振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)時基信號。在實驗中我們采用的就是前一種方案。在電路中引進(jìn)電位器來調(diào)節(jié)振蕩器產(chǎn)生的頻率。使得能夠產(chǎn)生1kHz的信號。這對后面的測量精度起到?jīng)Q定性的作用。計數(shù)顯示電路：在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯

9、示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐防锩嬉a(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號?？刂齐娐饭ぷ鞑ㄐ蔚氖疽鈭D如圖2-5.3 組成電路設(shè)計及其工作原理3.1 時基電路設(shè)計及其工作原理圖3-1 (a) 多諧振蕩器如圖3-1(a)，由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端 Ct 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電，其波形如圖63 (b)所示。輸出信號的時間參數(shù)是 Ttw1tw2， tw10.7(R1R2)C， tw

10、20.7R2C 555電路要求R1 與R2 均應(yīng)大于或等于1K ，但R1R2應(yīng)小于或等于3.3M。 外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。圖3-1(b) 時基電路與分頻電路本設(shè)計由兩部分組成: 如圖3-1(b)所示，第一部分為555定時器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C),因此,我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R1取430歐姆,R3取500歐姆,電容取1uF.這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在R1和R3之間接了一個10K的

11、電位器便于在后面調(diào)節(jié)使得555能夠產(chǎn)生非常接近1KHz的頻率。第二部分為分頻電路,主要由4518組成（4518的管腳圖，功能表及波形圖詳見附錄），因為振蕩器產(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時基信號要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器構(gòu)成，計數(shù)器級為D型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP和EN線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)，在單個運算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進(jìn)位，CR線為高電平時清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將Q連接至下一計數(shù)器的EN輸入端可實現(xiàn)級聯(lián)，同時后者的CP輸入保持低電平。 如圖3-2所示，555

12、產(chǎn)生的1kHz的信號經(jīng)過三次分頻后得到3個頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。圖3-2 時基電路與分頻電路波形圖3.2 閘門電路設(shè)計 如圖3-3所示，通過74151數(shù)據(jù)選擇器來選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的CBA接撥盤開關(guān)來對選頻進(jìn)行控制。當(dāng)CBA輸入001時74151輸出的方波的頻率是1Hz；當(dāng)CBA輸入010時74151輸出的方波的頻率是10Hz；當(dāng)CBA輸入011時74151輸出的方波的頻率是100Hz；這里我們以輸出100Hz的信號為例。分析其通過4017后出現(xiàn)的波形圖（4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見附錄1）。4017是5位計數(shù)器，具有10個

13、譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端，時鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制，INH為低電平時，計數(shù)器清零。100Hz的方波作為4017的CP端，如圖3-3，信號通過4017后，從Q1輸出的信號高電平的脈寬剛好為100Hz信號的一個周期，相當(dāng)于將原信號二分頻。也就是Q1的輸出信號高電平持續(xù)的時間為10ms，那么這個信號可以用來導(dǎo)通閘門和關(guān)閉閘門。圖3-3 閘門電路圖3-4 閘門電路波形 3.3 控制電路設(shè)計通過分析我們知道控制電路這部分是本實驗的最為關(guān)鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個小的模塊，通過控制選擇所要測量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時控

14、制電路還要產(chǎn)生74160的清零信號，4511的鎖存信號.控制電路,計數(shù)電路和譯碼顯示電路詳細(xì)的電路如圖3-5所示。當(dāng)74153的CBA接001、010、011的時候電路實現(xiàn)的是測量被測信號頻率的功能。當(dāng)74153的CBA接100的時候?qū)崿F(xiàn)的是測量被測信號周期的功能。當(dāng)74153的CBA接101的時候?qū)崿F(xiàn)的是測量被測信號脈寬的功能。圖3-6是測試被測信號頻率時的計數(shù)器CP信號波形、PT端輸入波形、CLR段清零信號波形、4511鎖存端波形圖。其中第一個波形是被測信號的波形圖、第二個是PT端輸入信號的波形圖、第三個是計數(shù)器的清零信號。第四個是鎖存信號。PT是高電平的時候計數(shù)器開始工作。CLR為低電平

15、的時候，計數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計數(shù)之前對計數(shù)器進(jìn)行了清零。根據(jù)4511（4511的管腳圖和功能表詳見附錄1）的功能表可以知道，當(dāng)鎖存信號為高電平的時候，4511不送數(shù)。如果不讓4511鎖存的話，那么計數(shù)器輸出的信號一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動。那么通過鎖存信號可以實現(xiàn)計數(shù)的時候讓數(shù)碼管不顯示，計完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計數(shù)器計到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到，當(dāng)PT到達(dá)下降沿的時候，此時4511的LE端的輸入信號也剛好到達(dá)下降沿。 3.4 小數(shù)點控制電路在測量頻率的時候，由于分4個檔位，那么在不同的檔的時候，小數(shù)點也要跟著顯示。如C

16、BA接011測量頻率的時候，它所測信號頻率的范圍是0.100KHz9.999KHz，那么在顯示的時候四個數(shù)碼管的第二個數(shù)碼管的小數(shù)點要顯示。CBA接010測量頻率的時候，它所測信號頻率的范圍是0.01KHz9.99KHz，那么顯示的時候，最高位的數(shù)碼管的小數(shù)點也要顯示。對比一下兩個輸入的高低電平可以發(fā)現(xiàn)CA位不一樣，顯示的小數(shù)點就不一樣。我們可以想到可以通過74153數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn)小數(shù)點顯示的問題。具體的實現(xiàn)方法見圖3-6所示。圖3-6 小數(shù)點控制電路 3.5 整體電路 整體電路圖見附錄2 3.6 元件清單 在本設(shè)計中所用的各種元器件經(jīng)統(tǒng)計如表3-1所示。元件數(shù)量元件數(shù)量NE555H 2片7

17、4LS153二片電阻430一個5V直流電源一個電阻510一個撥盤開關(guān)一個10K電位器一個74f04二個1F電容一個74LS160芯片四片10nF容一個CC4511芯片四片CC4518三片數(shù)碼管四個CC4017一片保護(hù)電阻一個74LS151一片導(dǎo)線若干NAND與非門三個表3-1 元器件清單4 設(shè)計總結(jié) 首先感謝王老師給我們創(chuàng)造這次機會進(jìn)行課程設(shè)計，讓我們在為期一周的電子課程設(shè)計中懂得了更多，學(xué)到了更多。電子設(shè)計是我們必需要學(xué)會的技能，而熟練的使用protel等電路設(shè)計軟件是我們應(yīng)該具備的基本技能，這次實習(xí)恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識的機會。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了本學(xué)期學(xué)過的數(shù)字電路的知識掌

18、握的不牢。同時在設(shè)計的過程中，遇到了一些以前沒有見到過的元件，但是通過查找資料來學(xué)習(xí)這些元件的功能和使用。設(shè)計過程是一個考驗人耐心的過程，尤其是在使用protel畫原理圖時，更需要我們細(xì)心的去做每一步，而555定時器，74151,74153等引腳比較多，而且要根據(jù)原理使用，只有耐心做好每一步，才能順利的完成課程設(shè)計。參考文獻(xiàn)1何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計，浙江大學(xué)出版社，2001年6月2姚福安，電子電路設(shè)計與實踐，山東科學(xué)技術(shù)出版社，2001年10月3王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計實踐，東南大學(xué)出版社，1999年10月4李銀華，電子線路設(shè)計指導(dǎo)，北京航空航天大學(xué)出版社，2005年6月5康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)

19、，高教出版社，20036.張豫滇 . 電子電路課程設(shè)計 . 第1版 . 南京：河海大學(xué)出版社，2005.87.謝自美 . 電子線路設(shè)計.實驗.測試 . 第2版 . 武昌：華中科技大學(xué)出版社，2000.7附錄1CC 4518十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器簡要說明 CC4518 為雙 BCD 加計數(shù)器，該器件由兩個相同的同步 4 級計數(shù)器組成。計數(shù)器級為 D 型觸發(fā)器。具有內(nèi)部可交換 CP 和 EN 線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)。在單個單元運算中，EN 輸入保持高電平，且在 CP 上升沿進(jìn)位。CR 線為高電平時，計數(shù)器清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將 Q3 連接至下一計數(shù)器的 EN 輸入端可實現(xiàn)

20、級聯(lián)。同時后者的 CP輸入保持低電平。4518 管腳圖4518功能表及波形圖CC4017-十進(jìn)制計數(shù)器/脈沖分配器簡要說明：CC4017 是 5 位 Johnson 計數(shù)器，具有 10 個譯碼輸出，CP，CR，INH 輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制，INH為低電平時，計數(shù)器在時鐘上升沿計數(shù)；反之計數(shù)功能無效。CR為高電平時，計數(shù)器清零。Johnson 計數(shù)器提供了快速操作，2 輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出，防鎖選通，保證了正確的計數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應(yīng)時鐘周期內(nèi)保持高電平。4017管腳圖4017功能表及波形圖CC4511

21、4線七段所存譯碼器/驅(qū)動器簡要說明 CC4511是 BCD7 段所存譯碼驅(qū)動器，在同一單片結(jié)構(gòu)上由 COS/MOS 邏輯器件和 npn 雙極型晶體管構(gòu)成。這些器件的組合，使 CC4511 具有低靜態(tài)耗散和高抗干擾及源電流高達(dá) 25mA 的性能。由此可直接驅(qū)動 LED 及其它器件。 LT 、BI 、LE 輸入端分別檢測顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲或選通一BCD碼等功能。當(dāng)使用外部多路轉(zhuǎn)換電路時，可多路轉(zhuǎn)換和顯示幾種不同的信號。4511管腳圖4511功能表數(shù)碼管的管腳圖數(shù)碼碼功能表對應(yīng)管腳顯示 7C 4E 6小數(shù)點 5 D 1 G 10 A 2 F 9 B 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 2 1 0 1 0 0 0 1 0 3 0 1 1 0 0 0 1 0 4 0 1 1 1 0 1 0 0 5 0 1 1 0