簡易數(shù)字頻率計--鑒定優(yōu)秀

1、前言數(shù)字頻率計是一種用數(shù)字顯示的頻率測量儀表，它不僅可以測量正弦信號、方波信號和尖脈信號的頻率，而且還能對其他多種物理量的變化頻率進(jìn)行測量，諸如機(jī)械振動次數(shù)，物體轉(zhuǎn)動速度，明暗變化的閃光次數(shù)，單位時間里經(jīng)過傳送帶的產(chǎn)品數(shù)量等等，這些物理量的變化情況可以由有關(guān)傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的電信號，然后用數(shù)字頻率計測量單位時間內(nèi)變化次數(shù)，再用數(shù)碼顯示出來。因此它是一種測量范圍較廣的通用型數(shù)字儀器。設(shè)計要求：1. 被測信號的頻率范圍100HZ100KH；2. 輸入信號為正弦信號或方波信號；3. 四位數(shù)碼管顯示所測頻率，并用發(fā)光二極管表示單位；4. 具有超量程報警功能；第一章 系統(tǒng)概述1.1基本原理數(shù)字頻率

2、計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。1.2系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖：圖1數(shù)字頻率計框圖1.3系統(tǒng)各部分的功能設(shè)計 1.3.1波形整形電路 圖21.3.2 分頻器 圖3（a） 圖3（b）分頻器的作用是為了獲得 1S 的標(biāo)準(zhǔn)時間。電路中首先用兩片如圖3（a）所示的分頻

3、器對經(jīng)過整形后得到的 100Hz 信號進(jìn)行 100 分頻得到如圖4（ a ）所示周期為 1S 的脈沖信號。然后再用D觸發(fā)器如圖3（b）進(jìn)行二分頻得到如圖4（ b ）所示占空比為 50 脈沖寬度為 1S 的方波信號，由此獲得測量頻率的基準(zhǔn)時間。利用此信號去打開與關(guān)閉控制門，可以獲得在 1S 時間內(nèi)通過控制門的被測脈沖的數(shù)目。 圖4示波器輸出波形 1.3.3 信號放大、波形整形電路為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進(jìn)行放大與整形處理，使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。信號放大可以采用一般的運算放大電路（如圖5所示），波形整形采用55

4、5構(gòu)成的施密特觸發(fā)器（如圖6所示） 圖5 運算放大器 圖6 由555構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器 圖7 信號放大與波形整形電路原理圖1.3.4 控制門 控制門用于控制輸入脈沖是否送計數(shù)器計數(shù)。它的一個輸入端接標(biāo)準(zhǔn)秒信號，一個輸入端接被測脈沖?？刂崎T可以用與門或或門來實現(xiàn)。當(dāng)采用與門時，秒信號為正時進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)采用或門時，秒信號為負(fù)時進(jìn)行計數(shù)。 我們的設(shè)計采用的是或門，秒信號為低電平時進(jìn)行計數(shù)。如圖8所示圖8 或門作為控制門1.3.5 計數(shù)器 計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求，最高測量頻率為 100kHz ，應(yīng)采用6位十進(jìn)制計數(shù)器?？梢赃x用由74161（74161是同步16位二進(jìn)制加計數(shù)器，它有

5、異步清零，同步預(yù)置數(shù)等功能。）改裝而成的10進(jìn)制計數(shù)器。 圖9 計數(shù)器74161 圖10 由74161連成的十進(jìn)制計數(shù)器 1.3.6 超量程報警器如圖11所示，報警器由一個與門控制一個D觸發(fā)器和一個信號指示燈x1實現(xiàn)。由于設(shè)計要求最大頻率為100.0KHZ,當(dāng)計數(shù)器計數(shù)輸出的結(jié)果小于100.0KHZ時，與門7409N輸出一直為低電平，報警信號燈一直處于熄滅狀態(tài)；當(dāng)輸出結(jié)果大于100.0KHZ時，在計數(shù)的過程中與門7409N輸出將變?yōu)楦叩碗娖浇惶娉霈F(xiàn)，信號燈一閃一亮。 圖11 超量程報警器1.3.7 寄存器在確定的時間（ 1S ）內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果（被測信號頻率）必須經(jīng)寄存后才能獲得穩(wěn)定的顯示值

6、。寄存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測得的數(shù)據(jù)寄存起來，送顯示譯碼器。寄存器為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。圖12如圖12所示，在設(shè)計中我們采用了74LS175，74LS175是用四個D觸發(fā)器組成的四位寄存器，用以存儲4位二進(jìn)制數(shù)。在CP上升沿到達(dá)時1D4D端狀態(tài)被同時到各個觸發(fā)器中，形成1Qn+14Qn+1狀態(tài)。RD為異步清零控制端。當(dāng)RD=0時，不需要和CP同步，就可完成寄存器1Q4Q清零工作。1.3.8 顯示譯碼器與數(shù)碼管 顯示譯碼器的作用是把用 BCD碼表示的10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。 選用顯示譯碼器時其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。本設(shè)計中采

7、用的是7447七段數(shù)碼顯示譯碼器以及相應(yīng)的七段數(shù)碼管。顯示譯碼器7447 如圖13（a）所示，七段譯碼管如圖13（b）所示，電路連接圖如圖14所示。(a) (b) 圖13 圖14第二章 單元電路的設(shè)計與分析在本次設(shè)計中，我的主要任務(wù)就是實現(xiàn)占空比為50%的方波信號，我實現(xiàn)它所用的電路原理圖如圖： 圖2-1本模塊中所用芯片有：555構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器、4518BD，DFF。其功能分別是：圖2-1-2555構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器:連接圖如圖2-1-2。為了消除高頻干擾，提高比較其參考電壓的穩(wěn)定性，通常將CON管腳通過0.01uf的電容接地。 施密特觸發(fā)器的構(gòu)成 施密特觸發(fā)器也有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸

8、發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓。 門電路有一個閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化

9、的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。 它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入輸出特性的門電路。這種電路被設(shè)計成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。 斯密特波形圖利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。 555定時器 555定時器是一種集成電路如圖2-1-3所示，因集成電路內(nèi)部含有三個5千歐電阻而得名利用55

10、5定時器可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。本次設(shè)計我采用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，因為它只需將2號腳和六號腳連在一起作信號的輸入端，即可方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器。圖2-1-3 CB555的電路結(jié)構(gòu)只要將555定時器的2號腳和6號腳接在一起，就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器。可以簡記為“二六一搭”。如圖2-1-4 圖2-1-4 施密特觸發(fā)器連接圖4518BD功能：十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器4518。如圖2-1-5 圖2-1-54518BD 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加計數(shù)。在單個單

11、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)級聯(lián)。同時后者的CP輸入保持低電平。將兩個4518BD串聯(lián)起來，可以實現(xiàn)對經(jīng)過555觸發(fā)器的輸入信號的100分頻。連接圖如圖2-1-2所示，CP1接輸入信號，CP2接D觸發(fā)器的CLK輸入端。DFF功能：電路圖如圖2-1-6所示。 圖 2-1-6為D觸發(fā)器。其功能是實現(xiàn)二分頻。從而輸出占空比為50%的標(biāo)準(zhǔn)秒信號，然后完成計數(shù)功能CLK端接上步中的分頻器的輸出端，Q接控制門U8A(74LS332D)其中一個輸入端。各部分的實現(xiàn)結(jié)果如下圖所示電

12、源波形經(jīng)555構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器變形后的波形。555構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器輸出的信號經(jīng)過二分頻得到的標(biāo)準(zhǔn)秒信號。第三章 電路的檢測方法與步驟(1) 電源測試用示波器檢測產(chǎn)生基準(zhǔn)時間的全波整流電路輸出波形。 檢驗電路圖如3-1-1所示，如果示波器的輸出波形如圖3-1-2所示。由波形圖可以證明將電源信號變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)秒信號可以正確實現(xiàn)。圖3-1-1圖3-1-2(2) 輸入檢測信號 從被測信號輸入端輸入幅值在 1V 左右頻率為 1.2KHz 左右的正弦信號檢驗電路如圖3-2-1所示。由示波器的輸出波形所示可證明已經(jīng)將被測信號變?yōu)榉讲ㄐ盘枴?圖3-2-1 圖3-2-2(3) 控制門檢測 檢測控制門 U8A(74

13、LS32D) 輸出信號波形，正常時，每間隔 1S 時間，可以在熒屏上觀測到被測信號的矩形波。如觀測不到波形，則應(yīng)檢測控制門的兩個輸入端的信號是否正常 , 并通過進(jìn)一步的檢測找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測計數(shù)器電路。 (4) 計數(shù)器電路的檢測 依次檢測6 個計數(shù)器 74161 時鐘端的輸入波形，正常時，相鄰計數(shù)器時鐘端的波形頻率依次相差 10 倍。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對計數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測。正常情況各電平值或波形應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。通過檢測與分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，

14、則檢測寄存器電路。 (5)寄存電路的檢測 依次檢測 74175寄存器各引腳的電平與波形。正常情況各電平值應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。 (6) 顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測 檢測顯示譯碼器7447各控制端與電源端引腳的電平，同時檢測數(shù)碼管各段對應(yīng)引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析連接好電路。 第四章 總結(jié)在數(shù)字頻率計的設(shè)計當(dāng)中，基本完成了設(shè)計任務(wù)書中的基本要求。本課題用Mulitism軟件設(shè)計，數(shù)字頻率計是數(shù)字電路中的一個典型應(yīng)用，實際的硬件設(shè)計用到的器件較多，聯(lián)機(jī)比較復(fù)雜，而且會產(chǎn)生比較大的延時，造成測量誤差、可靠性差。而且還存在著許多不足之處。為了能測量不同電平值與波形的周期信號的

15、頻率，必須對被測信號進(jìn)行放大與整形處理，數(shù)字頻率計是直接用十進(jìn)制數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它可以測量正弦波、方波信號的頻率。通過本設(shè)計使我們對數(shù)字頻率計有更深一步的了解。附錄一電路圖：二元件表：序 號名稱型號參數(shù)數(shù)量備注1運算放大器3288RT12寄存器74175N43斯密特觸發(fā)器555_VIRTUAL24十分頻器4518BD_5V25顯示譯碼器7447N46計數(shù)器74161N67二分頻器D_FF28顯示數(shù)碼管1SEVEN_SEG_COM_A_BLUE39顯示數(shù)碼管2SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_A_BLUE110發(fā)光二極管LED_red111或門74LS32D112與門7409N113非門7404N114與非門7401N715指示燈PROBE_DIG_RED1參考文獻(xiàn)：1林濤。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 清華大學(xué)出版社 2006年第1版2劉南平。數(shù)字頻率計設(shè)計方案 現(xiàn)代電子設(shè)計與制作技術(shù)M. 2004年第2版3畢滿清。電子