數(shù)字頻率計的設(shè)計和制作（分立）

1、 PAGE10 / NUMPAGES10 數(shù)字頻率計 課程設(shè)計 2008-10-29 12:23:45 本文已公布到 HYPERLINK blog.i. t _blank 博客頻道 HYPERLINK blog.i./category_8/ t _blank 文化原創(chuàng)分類 初始條件：本設(shè)計既可以使用集成脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、鎖存器、放大器、整形電路和必要的門電路等。本設(shè)計也可以使用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建簡易頻率計。用數(shù)碼管顯示頻率計數(shù)值。要求完成的主要任務(wù):技術(shù)要求： 設(shè)計一個頻率計。要求用4位7段數(shù)碼管顯示待測頻率，格式為0000Hz。測量頻率X圍：1010KHz，10KHz10

2、0KHz，100KHz1MHz。測量信號類型：正弦波、方波和三角波。測量信號幅值：0.25V。設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器，以此產(chǎn)生閘門信號，閘門信號寬度為1S。確定設(shè)計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。摘 要本次課程設(shè)是針對簡易頻率計的設(shè)計，在設(shè)計過程中，所有電路仿真均基于EWB仿真軟件。EWB軟件是交互圖像技術(shù)某（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在九十年代初推出的EDA軟件，它的仿真功能十分強(qiáng)大，可以幾乎100地仿真出真實電路的結(jié)果，而且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分

3、析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導(dǎo)入，它也可以作為電學(xué)知識的輔助教學(xué)軟件使用，利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的輸出波形。EWB的兼容性也較好，其文件格式可以導(dǎo)出成能被ORCAD或PROTEL讀取的格式， EWB是一種電子電路計算機(jī)仿真軟件，它被稱為電子設(shè)計工作平臺或虛擬電子實驗室。本課程設(shè)計介紹了簡易頻率計的設(shè)計方案及其基本原理，并著重介紹了頻率計各單元電路的設(shè)計思路，原理及仿真，整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。整個設(shè)計配以仿真電路圖和波形圖加以輔助說明，便于讀者

4、理解頻率計的工作情況。設(shè)計共有三大組成部分：一是原理電路的設(shè)計，本部分詳細(xì)講解了電路的理論實現(xiàn)，是關(guān)鍵部分；二是仿真結(jié)果及分析，這部分是為了分析電路是否按理論那樣正常工作，便于理解。三是性能測試，這部分用于測試設(shè)計是否符合任務(wù)要求。最后是對本次課程設(shè)計的總結(jié)。整個設(shè)計淺顯易懂，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，是一份完整的課程設(shè)計。但由于本人水平有限，加上時間倉促，存在錯誤在所難免。若發(fā)現(xiàn)錯誤，懇請讀者給與批評指正。目 錄摘 要.31 原理電路的設(shè)計.41.1設(shè)計方案的選擇.61.2單元電路的設(shè)計和元器件的選擇.9（1）放大整形電路.9（2）時基電路.10（3）邏輯控制電路.11（4）分頻電路.12（5）計數(shù)電路.1

5、3（6）鎖存顯示電路.141.3完整電路圖及其工作原理.152 仿真結(jié)果及分析.162.1 單元電路的仿真及分析.16（1）放大整形電路.16（2）時基及邏輯控制電路.17（3）計數(shù)鎖存及顯示電路.182.2 整體電路仿真及分析.183性能測試.193.1 電路調(diào)試.193.2 性能測試.194收獲、體會和建議.205元器件清單.216參考文獻(xiàn).22一、數(shù)字頻率計的設(shè)計與制作一、問題引入在許多情況下，要對信號的頻率進(jìn)行測量，利用示波器可以粗略測量被測信號的頻率，精確測量則要用到數(shù)字頻率計。二、設(shè)計目的本設(shè)計與制作項目可以進(jìn)一步加深我們對數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認(rèn)識，進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)

6、計、制作與調(diào)試的方法和步驟。三、設(shè)計要求設(shè)計并制作出一種數(shù)字頻率計，其技術(shù)指標(biāo)如下：（1）頻率測量X圍： 10 9999Hz 。（2）輸入電壓幅度 300mV 。（3）輸入信號波形：任意周期信號。（4）顯示位數(shù)： 4 位。（5）電源： 220V 、 50Hz四、所需儀器儀表示波器、音頻信號發(fā)生器、邏輯筆、萬用表、數(shù)字集成電路測試儀、直流穩(wěn)壓電源。五、設(shè)計內(nèi)容、方法與步驟：1、設(shè)計內(nèi)容1）數(shù)字頻率計的基本原理數(shù)字頻率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

7、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。2）系統(tǒng)框圖從數(shù)字頻率計的基本原理出發(fā)，根據(jù)設(shè)計要求，得到如圖 8.3 所示的電路框圖。下面介紹框圖中各部分的功能及實現(xiàn)方法（1）電源與整流穩(wěn)壓電路框圖中的電源采用 50Hz 的交流市電。市電被降壓、整流、穩(wěn)壓后為整個系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來實現(xiàn)。（2）全波整流與波形整形電路本頻率計采用市電頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，以獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)時間。按國家標(biāo)準(zhǔn)，市電的頻率漂移不能

8、超過 0.5Hz ，即在 1的X圍內(nèi)。用它作普通頻率計的基準(zhǔn)信號完全能滿足系統(tǒng)的要求。全波整流電路首先對 50Hz 交流市電進(jìn)行全波整流，得到如圖1所示 100Hz圖1 數(shù)字頻率計框圖的全波整流波形。波形整形電路對 100Hz 信號進(jìn)行整形，使之成為如圖2所示 100Hz 的矩形波。 圖2 全波整流與波形整形電路的輸出波形波形整形可以采用過零觸發(fā)電路將全波整流波形變?yōu)榫匦尾?，也可采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形。（3）分頻器分頻器的作用是為了獲得 1S 的標(biāo)準(zhǔn)時間。電路首先對圖1所示的 100Hz 信號進(jìn)行 100 分頻得到如圖2（ a ）所示周期為 1S的脈沖信號。然后再進(jìn)行二分頻得到如圖 8.5

9、（ 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。分頻器可以采用第 5 章介紹過的方法，由計數(shù)器通過計數(shù)獲得。二分頻可以采用觸發(fā)器來實現(xiàn)。（4）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，圖3 分頻器的輸出波形使之成為能被計數(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，波形整形可以采用施密特觸發(fā)器。（5）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

10、信號，一個輸入端接被測脈沖。控制門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)。（6）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 9999Hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計數(shù)器?？梢赃x用現(xiàn)成的 10 進(jìn)制集成計數(shù)器。（7）鎖存器在確定的時間（ 1S）內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果（被測信號頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖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。鎖存器可以采用一般的8 位并行輸入寄存器，為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。（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

11、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。3）實際電路根據(jù)系統(tǒng)框圖，設(shè)計出的電路如圖4 所示。圖中，穩(wěn)壓電源采用 7805 來實現(xiàn)，電路簡單可靠，電源的穩(wěn)定度與波紋系數(shù)均能達(dá)到要求.對 100Hz 全波整流輸出信號的分頻采用 7 位二進(jìn)制計數(shù)器 74HC4024 組成 100 進(jìn)制計數(shù)器來實現(xiàn)。計數(shù)脈沖下降沿有效。在 74HC4024的 Q7 、 Q6 、 Q3 端通過與門加入反饋清零信號，當(dāng)計數(shù)器輸出為二進(jìn)制數(shù) 1100100 （十進(jìn)制數(shù)為 100 ）時，計數(shù)器異步清零。實現(xiàn) 100進(jìn)制計數(shù)。為了獲得穩(wěn)定的分頻輸出，清零信

12、號與輸入脈沖“與”后再清零，使分頻輸出脈沖在計數(shù)脈沖為低電平時保持一段時間（ 10mS ）為高電平。圖 4 數(shù)字頻率計電路圖電路中采用雙 JK 觸發(fā)器 74HC109 中的一個觸發(fā)器組成觸發(fā)器，它將分頻輸出脈沖整形為脈寬為 1S 、周期為 2S的方波。從觸發(fā)器 Q 端輸出的信號加至控制門，確保計數(shù)器只在 1S 的時間內(nèi)計數(shù)。從觸發(fā)器端輸出的信號作為數(shù)據(jù)寄存器的鎖存信號。被測信號通過 741 組成的運算放大器放大 20 倍后送施密特觸發(fā)器整形，得到能被計數(shù)器有效識別的矩形波輸出，通過由 74HC11組成的控制門送計數(shù)器計數(shù)。為了防止輸入信號太強(qiáng)損壞集成運放，可以在運放的輸入端并接兩個保護(hù)二極管。

13、頻率計數(shù)器由兩塊雙十進(jìn)制計數(shù)器 74HC4511 組成，最大計數(shù)值為 9999Hz 。由于計數(shù)器受控制門控制，每次計數(shù)只在 JK 觸發(fā)器 Q端為高電平時進(jìn)行。當(dāng) JK 觸發(fā)器 Q 端跳變至低電平時，端的由低電平向高電平跳變，此時， 8D 鎖存器 74HC374（上升沿有效）將計數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)鎖存起來送顯示譯碼器。計數(shù)結(jié)果被鎖存以后，即可對計數(shù)器清零。由于 74HC4518 為異步高電平清零，所以將 JK 觸發(fā)器的同 100Hz脈沖信號“與”后的輸出信號作為計數(shù)器的清零脈沖。由此保證清零是在數(shù)據(jù)被有效鎖存一段時間（ 10mS ）以后再進(jìn)行。顯示譯碼器采用與共陰數(shù)碼管匹配的 CMOS 電路 74H

14、C4511 ,4 個數(shù)碼管采用共陰方式，以顯示 4 位頻率數(shù)字，滿足測量最高頻率為 9999Hz的要求。2 方法與步驟1) 器件檢測用數(shù)字集成電路檢測儀對所要用的 IC 進(jìn)行檢測，以確定每個器件完好。如有興趣，也可對 LED 數(shù)碼管進(jìn)行檢測，檢測方法由自己確定。2) 電路連接在自制電路板上將 IC 插座及各種器件焊接好；裝配時，先焊接 IC 等小器件，最后固定并焊接變壓器等大器件。電路連接完畢后，先不插 IC 。3) 電源測試將與變壓器連接的電源插頭插入 220V 電源，用萬用表檢測穩(wěn)壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應(yīng)為 5V。如果輸出電壓不對，應(yīng)仔細(xì)檢查相關(guān)電路，消除故障。穩(wěn)壓電源輸出正常

15、后，接著用示波器檢測產(chǎn)生基準(zhǔn)時間的全波整流電路輸出波形。正常情況應(yīng)觀測到如圖 13.5(a)所示波形。4) 基準(zhǔn)時間檢測關(guān)閉電源后，插上全部 IC 。依次用示波器檢測由 U1(74HC4024) 與 U3A 組成的基準(zhǔn)時間計數(shù)器與由 U2A 組成的觸發(fā)器的輸出波形，并與圖 13.6所示波形對照。如無輸出波形或波形形狀不對，則應(yīng)對 U1 、 U3,U2 各引腳的電平或信號波形進(jìn)行檢測，消除故障。5) 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 1KHz左右的正弦信號，如果電路正常，數(shù)碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則作進(jìn)一步檢測。6 ）

16、輸入放大與整形電路檢測用示波器觀測整形電路 U1A(74HC14) 的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值為 5V左右的矩形波。如觀測不到輸出波形，或觀測到的波形形狀與幅值不對，則應(yīng)檢測這一部分電路，消除故障。如該部分電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測控制門。7) 控制門檢測檢測控制門 U3C(74HC11) 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。8) 計數(shù)器電路的檢測依次檢測 4 個計數(shù)器 74HC4518 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，則檢測鎖存器