數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院大專畢業(yè)生畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目； 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì) - -系別 機(jī)械與電子學(xué)院 姓名 XXX 學(xué)號(hào) XXX 專業(yè) 機(jī)電一體化 指導(dǎo)老師 XXX 畢業(yè)論文答辯時(shí)間 摘要 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，因此頻率的測量顯得更為重要。測量頻率的方法有多種，其中電子計(jì)數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一。電子計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測量被測信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù);二是間接測頻法，如周期測頻法。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)以555為核心，采用

2、直接測頻法測頻。 數(shù)字頻率計(jì)是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要測量工具之一，同時(shí)也是其他許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測量儀器。數(shù)字頻率計(jì)是在規(guī)定的基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)把測量的脈沖數(shù)記錄下來，換算成頻率并以數(shù)字形式顯示出來。數(shù)字頻率計(jì)用于測量信號(hào)（方波，正弦波或其他周期信號(hào)）的頻率，并用十進(jìn)制數(shù)字顯示，它具有精度高，測量速度快，讀數(shù)直觀，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字:數(shù)字頻率計(jì) 頻率 時(shí)限 放大整形目 錄摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Prot

3、eus簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 主

4、要技術(shù)要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 電路設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42.2.1 設(shè)計(jì)原理及整體電路設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42.2.2 部分芯片功能介紹. . . . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.2.1 555介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.2.2 74LS273介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2.3 74LS48 介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.2.4 七段LED介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82.2.3 單元電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3.1 放大整形電路設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7、. . .92.2.3.2 時(shí)基電路及控制電路設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.2.3.3 計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112.2.3.4 顯示電路設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 總原理圖、系統(tǒng)仿真及元器件清單. . . . . . . . . .

8、 . . . . . . . . . . . . . . .134 設(shè)計(jì)總結(jié). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 參考文獻(xiàn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Proteus簡介 Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)

9、標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和M

10、SP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。1 緒論1.1 數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究概況隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類分立電子元件及其所構(gòu)成的相關(guān)功能單元，已逐步被功能更強(qiáng)大、性能更穩(wěn)定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外圍電路構(gòu)成的各種自動(dòng)控制、自動(dòng)測量、自動(dòng)顯示電路遍及各種電子產(chǎn)品和設(shè)備。數(shù)字系統(tǒng)和數(shù)字設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。在電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的微波爐和電視、先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通

11、訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過程中無一不用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。數(shù)字頻率計(jì)主要實(shí)現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式四種。直接式的優(yōu)點(diǎn)是速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達(dá)中。鎖相式的優(yōu)點(diǎn)是相位同步的自動(dòng)控制，制作頻率高，功耗低，容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。直接數(shù)字式的優(yōu)點(diǎn)是電路穩(wěn)定、精度高、容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。隨著單片鎖相式數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展，鎖相式和數(shù)字式容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化，性能也越來越好，已逐步成為兩種最

12、為典型，用處最為廣泛的數(shù)字頻率計(jì)。1.2 本課題研究背景及主要研究意義數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器，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。在數(shù)字電路中，頻率計(jì)屬于時(shí)序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構(gòu)成。在計(jì)算機(jī)及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應(yīng)用。在CMOS電路系列產(chǎn)品中，頻率計(jì)是用量最大、品種很多的產(chǎn)品。本課題采用的是直接數(shù)字式的頻率計(jì)，設(shè)計(jì)原理簡單，是全硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路穩(wěn)定、精度高，大大的縮短了生產(chǎn)周期。 2 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)2.1 主要技術(shù)要求(1)頻率測量范圍：10Hz9999Hz；(2)

13、輸入電壓幅度：300mv；(3)輸入信號(hào)波形：任意周期信號(hào)；(4)顯示位數(shù)；4位；(5)電源：220V、50Hz。2.2 電路設(shè)計(jì)2.2.1 設(shè)計(jì)原理及整體電路設(shè)計(jì) 頻率，即是周期信號(hào)在單位時(shí)間（1S）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測得這個(gè)周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率就可以表示：f=N/T圖2-1即為數(shù)字頻率計(jì)的原理。被測信號(hào)經(jīng)過放大整形將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈動(dòng)信號(hào)。時(shí)基信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)。計(jì)數(shù)譯碼顯示電路由計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器和LED顯示器構(gòu)成。它對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測脈沖信號(hào)通過閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒

14、信號(hào)結(jié)束時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù) 。放大整形閘門電路計(jì)數(shù)譯碼顯示時(shí)基信號(hào)發(fā)生器圖2-1 數(shù)字頻率計(jì)原理圖數(shù)字頻率計(jì)由時(shí)基電路、控制電路、閘門電路、計(jì)數(shù)鎖存電路、脈沖形成電路和譯碼顯示電路組成。圖2-2數(shù)字頻率計(jì)的整體框圖。邏輯控制電路鎖存器計(jì)數(shù)器時(shí)基電路放在整形閘門電路譯碼器顯示器圖2-2 數(shù)字頻率整體框圖2.2.2部分芯片功能介紹2.2.2.1 555介紹(1)電路組成及其引腳，如圖2-3,2-4.圖2-3.圖2-4.(2)555的工作原理它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器C1同相比較端和低電平比較

15、器C2的反相輸入端的參考電平為和。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接。 Vco是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。 T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給接于

16、腳7的電容器提供低阻放電電路2.2.2.2 74LS273介紹74LS273是具有復(fù)位功能、上升沿觸發(fā)的8位數(shù)據(jù)鎖存器，18個(gè)引腳。其功能表見表4，由表可知，當(dāng)RD 0時(shí)，不論CP，D如何變化，觸發(fā)器可實(shí)現(xiàn)異步清零，即觸發(fā)器為“0”態(tài)。當(dāng)RD1時(shí)，只有在CP脈沖上升 沿到來時(shí)，根據(jù)D端的取值決定觸發(fā)器的狀態(tài)，如無CP脈沖上升沿到來，無論有無輸人數(shù)據(jù)信號(hào)，觸發(fā)器 保持原狀態(tài)不變。圖2-5，2-6分別為74LS273引腳圖，功能表。圖2-5. 圖2-6.2.2.2.3 74LS48介紹74LS48芯片是一種常見的數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，下面是該元件的一些參數(shù)

17、與應(yīng)用技術(shù)等資料。圖2-7為74LS48引腳圖，圖2-8為74LS48功能表。圖2-7.圖2-8.2.2.2.4 七段LED顯示介紹通過發(fā)光二極管芯片的適當(dāng)連接構(gòu)成8字形，在使用時(shí)使某些筆段上發(fā)光二極管發(fā)光即可顯示09數(shù)字。LED七段碼顯示器，又稱LED數(shù)碼管，它有共陰和共陽兩種連接方式如圖2-9所示：共陰：以陰極為公共極，接低電平，當(dāng)陽極筆上加上高電平時(shí)該筆段發(fā)光；共陽：以陽極為公共極，接高電平，當(dāng)陰極筆上加上底電平時(shí)該筆段發(fā)光；共陰LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)是高電平輸出，共陽LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)是底電平輸出。數(shù)碼管使用共陽連接，要顯示的位送入高電平，其要求顯示的段為低電平，即可實(shí)現(xiàn)顯示。

18、 圖2-9 共陰和共陽兩種連接方式2.2.3 單元電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.3.1 放大整形電路設(shè)計(jì)由三極管及電阻構(gòu)成的幅度擴(kuò)展電路和555構(gòu)成的施密特觸發(fā)電路構(gòu)成整形電路，如圖2-10所示。三極管U14及R1，R2，R3構(gòu)成信號(hào)幅度擴(kuò)展電路，當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度擴(kuò)展。用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器作用是將輸入的周期信號(hào)，如正弦波，三角波或者其他周期性變化的波形變化成脈沖波形，其周期不變。圖2-10.2.2.3.2 時(shí)基電路及控制電路設(shè)計(jì) 時(shí)基電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)（1秒正脈沖）到來時(shí)，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器無脈沖輸入。時(shí)基電路可以由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)，

19、如圖2-11左側(cè)部分所示。 控制電路可以由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路來構(gòu)成。 邏輯控制電路利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)結(jié)束后產(chǎn)生的負(fù)跳來產(chǎn)生鎖存信號(hào)，同時(shí)鎖存信號(hào)經(jīng)反向又產(chǎn)生清零信號(hào)，鎖存信號(hào)的脈沖寬度由單穩(wěn)態(tài)電路本身的時(shí)間常數(shù)決定。圖2-11.2.2.3.3 計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)脈沖通過計(jì)數(shù)電路進(jìn)行有效計(jì)算，按照設(shè)計(jì)要求每秒鐘都必須對(duì)計(jì)數(shù)器清零一次，當(dāng)檢測到被測信號(hào)的下降沿時(shí)，閥門打開，用74LS160構(gòu)成的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器開始對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)閥門時(shí)間到后計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。電路如圖2-12。圖2-12.2.2.3.4 顯示電路設(shè)計(jì)被放大整形后信號(hào)進(jìn)入CD4026，由CMOS管構(gòu)成的十進(jìn)制計(jì)時(shí)器對(duì)進(jìn)來的脈沖信號(hào)

20、進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿十個(gè)脈沖后，溢出信號(hào)讓5腳輸出一個(gè)脈沖進(jìn)行進(jìn)位處理。在計(jì)數(shù)器計(jì)滿之后，顯示控制端會(huì)獲得一個(gè)控制信號(hào)，使各顯示器從緩存區(qū)獲得前一秒的計(jì)數(shù)值，并通過譯碼器進(jìn)行譯碼顯示。電路如圖2-13。圖2-13.3 總原理圖、元器件清單及系統(tǒng)仿真3.1 總原理圖（如圖3-1所示）圖3-1.3.2 元器件清單元件序號(hào)型號(hào) 主要參數(shù)數(shù)量備注L1L2L3L47SEG-DIGTIAL4顯示管U1U2U3U474LS484譯碼器U5U674LS2732鎖存器U7U8U9U1074LS1604計(jì)數(shù)器U11U12U135553施密特觸發(fā)器U14AD704P1放大電路器件U1574LS081與門U1674LS041非門R1R2R3R4R5R6R7R8R