簡易數(shù)字頻率計電路設(shè)計

1、簡易數(shù)字頻率計電路設(shè)計摘要請對內(nèi)容進行簡短的陳述，一般不超過300字關(guān)鍵字：周期；頻率；數(shù)碼管，鎖存器，計數(shù)器，中規(guī)模電路，定時器在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率、轉(zhuǎn)速、聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。因此，數(shù)字頻率計是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。本章要求設(shè)計一個簡易的數(shù)字頻率計，測量給定信號的頻率，并用十進制數(shù)字顯示。數(shù)字頻率計主要由放大整形電路、閘門電路

2、、計數(shù)器電路、鎖存器、數(shù)碼管、時基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路幾部分組成。目 錄前 言11.數(shù)字頻率計的原理22.系統(tǒng)框圖33.系統(tǒng)各功能單元電路設(shè)計33.1 時基電路設(shè)計33.2 放大整形電路43.3 邏輯控制電路53.4 鎖存單元63.5 分頻電路73.6 顯示器73.7 報警電路84.系統(tǒng)總電路圖10結(jié)束語11參考文獻12前 言數(shù)字頻率計是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。被測信號可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號。數(shù)字頻率計主要由放大整形電路、閘門電路、計數(shù)器電路、鎖存器、時基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路幾部分組成。在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進行頻率測量時測量精

3、度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率計能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。頻率計被用來對各種電子測量設(shè)備的本地振蕩器進行校準(zhǔn)。在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進行校準(zhǔn)，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調(diào)制信號進行分析。1.數(shù)字頻率計的原理所謂頻率，就是周

4、期性信號在單位時間 (1s) 內(nèi)變化的次數(shù)若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為 fx=N/T 。因此，可以將信號放大整形后由計數(shù)器累計單位時間內(nèi)的信號個數(shù)，然后經(jīng)譯碼、顯示輸出測量結(jié)果，這是所謂的測頻法。可見數(shù)字頻率計主要由放大整形電路、閘門電路、計數(shù)器電路、鎖存器、時基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路幾部分組成，清零信號鎖存信號TN整形放大電路計 數(shù) 器鎖 存 器譯 碼 器邏 輯 控 制 電 路顯 示 器時 基 電 路閘 門圖1 總體結(jié)構(gòu)圖從原理圖可知，被測信號Vx經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，其頻率與被測信號的頻率fx相同。時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間

5、基準(zhǔn)信號，具有固定寬度T的方波時基信號II作為閘門的一個輸入端，控制閘門的開放時間，被測信號I從閘門另一端輸入，被測信號頻率為fx,閘門寬度T，若在閘門時間內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率fx=N/THz。可見，閘門時間T決定量程,通過閘門時基選擇開關(guān)選擇,選擇T大一些,測量準(zhǔn)確度就高一些,T小一些,則測量準(zhǔn)確度就低.根據(jù)被測頻率選擇閘門時間來控制量程.在整個電路中,時基電路是關(guān)鍵,閘門信號脈沖寬度是否精確直接決定了測量結(jié)果是否精確.邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清“0”脈沖，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。2.系統(tǒng)框圖 圖2 系統(tǒng)框圖 3.

6、系統(tǒng)各功能單元電路設(shè)計3.1 時基電路設(shè)計555定時器主要是與電阻、電容構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路，可方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路RD1 是置零輸入端。只要在 RD1 端加上低電平，輸出端Uo便被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)的影響。正常工作必須使 RD1 處于高電平。當(dāng)U11 UR1 .U12 UR2 時，比較器C1 的輸出U1 =0，比較器C2的輸出UC2 =1，SR鎖存器被置0，TD 導(dǎo)通，同時U0 為低電平。當(dāng)U11 UR2 時， UC

7、2 =1，U1 =1 ,鎖存器的狀態(tài)保持不變，因而TD 和輸出的狀態(tài)也維持不變。當(dāng)U11 UR1 ，U12 UR1 ，U12 UR2 時，UC2 =0，U1 =0,鎖存器處于Q=Q1=1的狀態(tài)，U0 為高電平，同時TD 截止。 時基電路的作用是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的時間信號，可以由555組成的振蕩器產(chǎn)生，若時間精度要求較高時，可采用晶體振蕩器。由555定時器構(gòu)成的時基電路包括脈沖產(chǎn)生電路和分頻電路兩部分。由個555定時器產(chǎn)生一個脈沖信號，將555定時器產(chǎn)生的脈沖信號送入邏輯控制電路，再由邏輯控制電路送入計數(shù)器本設(shè)計時基電路采用的是555振蕩器產(chǎn)生1000HZ，周期為1ms的脈沖信號的電路如圖所示。 圖3時

8、基電路電阻參數(shù)可以由振蕩頻率計算公式f=1.43/(R1+2R2)*C) 根據(jù)計算公式f=1.43/(R8+2R10)*C)，取C=1uF.已知f=1000HZ算得R8=0.86K R10=1K 3.2 放大整形電路放大整形電路可以采用晶體管 3DGl00和74LS00，其中3DGl00組成放大器將輸入頻率為fx的周期信號如正弦波、三角波等進行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。 圖4 放大整形電路圖計算過程：Vce=0.5Vcc，已知Vcc=0.5V，得Vce=0.25VVce=Vcc-IcRe,IcQ=0.5A, IBQ=（Vcc-VB

9、EQ）/Rb=0.025A 放大倍數(shù)= IcQ/IBQ =200 把信號Vi加到整形放大電路的輸入端時，得到該級的輸入電壓U01 =AU1 （UP -UN ），其中AU1 是輸入級的電壓增益。U01 傳送到中間級進行電壓放大，從而在該級的輸出端產(chǎn)生U02 = AU1 AU2 （UP -UN ）. 輸出級輸出電壓。 施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，輸入信號從低電平上升的過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸入電壓波形的邊沿變得很陡。利用施密特觸發(fā)器的回差特性將它整形成規(guī)則的矩形波。若負(fù)

10、向閥值取為，則回差電壓。整形后輸出波形如圖5所示。由于輸入信號的干擾在輸出中表現(xiàn)為2個矩形脈沖。若減小負(fù)向閥值取為，則回差電壓。此時整形后輸出波形如圖5所示，消去了干擾。當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達V-，輸出電壓發(fā)生突變，出現(xiàn)輸出電壓變化滯后現(xiàn)象。當(dāng)Vi=0V時，即Vi12/3Vcc、Vi22/3Vcc、Vi21/3Vcc，此時定時器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為0，輸出Vo=0，此后Vi繼續(xù)上升，然后下降，只要不低于觸發(fā)電位（1/3Vcc），輸出維持0不變。當(dāng)Vi繼續(xù)下降，一旦低于觸發(fā)電位（1/3Vcc）后，Vi12/3Vcc、Vi21/3Vcc，定時器狀態(tài)

11、翻轉(zhuǎn)為1，輸出Vo=1。 因為所選元器件的工作觸發(fā)均由高低電平來實現(xiàn)，因此計頻時需要對不同的波形來進行整形。該部分主要由一個555芯片來實現(xiàn)，在時基電路產(chǎn)生的脈沖信號輸入到放大整形電路，產(chǎn)生的波形如圖4，完成由正弦波和三角波到方波的整形，為了便于觀察和調(diào)試，在本電路中引進了一個示波器來進行觀察。實驗中截圖如下：圖5 整形波形 3.3 邏輯控制電路 在時基信號結(jié)束時產(chǎn)生的負(fù)跳變用來產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號的負(fù)跳變又用來產(chǎn)生清“0”信號。脈沖信號和清零信號兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LSl23產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。由74LS123的功能表可得當(dāng)R=B=1的情況下，觸發(fā)脈沖從A端輸入，在觸

12、發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下輸出端Q非可落得一正脈沖。前面時基電路產(chǎn)生的脈沖信號從B端輸入在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端Q可獲得一正脈沖, Q非端可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足和V的要求。電路中的脈沖經(jīng)由閘門進入下個單元工作。手動復(fù)位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清“ 0 ”。 圖6 邏輯控制電路3.4 鎖存單元鎖存器是一種對脈沖電平敏感的存儲單元電路，具有記憶功能。它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存器的作用是將計數(shù)器在閘門時間結(jié)束時所計得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值閘門時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號，將此時計數(shù)器的值送譯碼顯示器。當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存

13、器的輸出等于輸入，即Q=D。將計數(shù)器所得到的輸出值輸入到鎖存器中，鎖存器具有記憶功能，可以保持計數(shù)器得到的脈沖個數(shù)。正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)Qn 不變所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器 。從計數(shù)器輸入的脈沖個數(shù)保存在鎖存器中，即當(dāng)RD =1，LD=0時，電路工作在同步置數(shù)狀態(tài)。RD =LD=EP=ET=1時，電路工作在計數(shù)狀態(tài)，從電路的0000狀態(tài)開始連續(xù)輸入16個計數(shù)脈沖，電路將從1111狀態(tài)返回0000狀態(tài)，C端從高電平跳變到低電平，進位。 鎖存器上面的街頭連接的是譯碼器，下面的接頭接的是計數(shù)器，詳情見總電路圖 圖7 鎖存器單元3.5 分頻電

14、路分頻電路的作用：1、合理地分割各單元的工作頻段；2、合理地進行各單元功率分配；3、使各單元之間具有恰當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系以減少各單元在工作中出現(xiàn)的聲干涉失真；4、利用分頻電路的特性以彌補單元在某頻段里的聲缺陷5、將各頻段圓滑平順地對接起來。 假如計數(shù)器輸入的頻率fo則Qo,Q1,Q2,Q3端輸出脈沖的頻率依次為1/2fo 1/4fo 1/8fo 1/16fo 本設(shè)計分頻電路采用的是10分頻，即1/10。由于分頻器的4位輸出對應(yīng)16種狀態(tài)，每種狀態(tài)是依次先后輸出的，即不同狀態(tài)對應(yīng)不同的時間位置，而串并變換器輸出兩種狀態(tài)，且串并變換器輸出的4種狀態(tài)與分頻器的12種狀態(tài)中的兩種狀態(tài)相同. 由于本設(shè)計中需要

15、1s、0.1s、10ms、1ms四個閘門時間（頻率分別為1HZ，10HZ，100HZ，1000HZ），555振蕩器產(chǎn)生1000HZ，周期為1ms的脈沖信號，需經(jīng)分頻才能得到其他三個周期的閘門信號，可采用74LS160分別經(jīng)過一級、二級、三級10分頻得到。 1.555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)由整形放大電路輸入到74LS160（U4）到74LS160（U3）得到10ms的閘門時間. 2.再由74LS160（U3）到74LS160（U2）得到0.1s的閘門時間. 3.最后由74LS160（U2）到74LS160（U1）得到1s的閘門時間. 計數(shù)器上面的接線連接的是鎖存器，詳見總電路圖 圖8 分頻電路3

16、.6 顯示器該部分電路是由74LS138譯碼器和數(shù)碼管組成的。用來顯示所測頻率，信號通過譯碼器輸入到數(shù)碼管，然后顯示。74138是一種3線8線譯碼器 ，三個輸入端CBA共有8種狀態(tài)組合（000111），可譯出8個輸出信號Y0Y7。這種譯碼器設(shè)有三個使能輸入端，當(dāng)G2A與G2B均為0，且G1為1時，譯碼器處于工作狀態(tài)，輸出低電平。當(dāng)譯碼器被禁止時，輸出高電平。74138的輸出是低電平有效，故實現(xiàn)邏輯功能時，輸出端不可接或門及或非門，使能端G1為高電平有效，/G2,/G3為低電平有效，當(dāng)其中一個為低電平，輸出端全部為1。當(dāng)D=0時，第一片74138工作，對00000111的輸入信號進行譯碼輸出。當(dāng)

17、D=1時，第二片74138工作，對10001111的輸入信號進行譯碼輸出。只有先給位選段一個低電平（共陰級），才能給段選段（陽極）賦不同的碼（高電平有效），然后在數(shù)碼管上顯示不同的數(shù)字。 數(shù)碼管下面的接線頭接譯碼器圖9 顯示器3.7 報警電路報警電路要求要用4位數(shù)字顯示，最高顯示為9999。超過9999就要求報警，即當(dāng)千位達到9（即1001）時，如果百位上再來一個時鐘脈沖（即進位脈沖），就可以利用此來控制蜂鳴器報警。 本設(shè)計采用555報警系統(tǒng)， 555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端F輸出低電平，當(dāng)有一個外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號經(jīng)C1加到2端。并使2端電位瞬時低于1/3Vcc，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個暫態(tài)過程，電容C開始充電，VC 按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)VC充電到1/3Vcc時，高電平比較器動作，比較器A1 翻轉(zhuǎn)，輸出V0 從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準(zhǔn)備，當(dāng)脈沖個數(shù)超過9999時，蜂鳴器