數(shù)字頻率計的課程設計

1、引 言近年來，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.在電子系統(tǒng)非常廣泛應用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費用的微波爐和電視、先進的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設計過程中無一不用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。數(shù)字集成電路具有結(jié)構(gòu)簡單（如其中的晶體管是工作于飽和與截止2種狀態(tài)，一般不設偏置電流）和同類型電路單元多（如一個計數(shù)系統(tǒng)需要很多同類型的觸發(fā)器和門電路）的特點，因而容易是高集成度

2、和歸一化。由于數(shù)字集成電路與電子計算機的發(fā)展緊密相關(guān)，因而發(fā)展很快，目前已是集成電路中產(chǎn)量最高、集成度最大的一種器件。集成電路的類型很多，從大的方面可分為模擬和數(shù)字集成電路兩大類。雖然它們都可模擬具體的物理過程，但其工作方式有著很大的不同。甚至可能完全不同。電路中的工作信號通常是用電脈沖表示的數(shù)字信號。這種工作方式的信號，可以表達2種截然不同的現(xiàn)象。如以有脈沖表示“1”，無脈沖便表示“0”；以“1”表示“真”，則“0”便表示“假”，等等。反之亦然。這就是“數(shù)字信號”的含義。所以，“數(shù)字量”不是連續(xù)變化的量，其大小往往并不改變，但在時間分布上卻有著嚴格的要求，這是數(shù)字電路的一個特點。數(shù)字式頻率計

3、基于時間或頻率的A/D轉(zhuǎn)換原理，并依賴于數(shù)字電路技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的數(shù)字測量儀器。由于數(shù)字電路的飛速發(fā)展，所以，數(shù)字頻率計的發(fā)展也很快。通常能對頻率和時間兩種以上的功能數(shù)字化測量儀器，稱為數(shù)字式頻率計(通用計數(shù)器或數(shù)字式技術(shù)器)。在電子測量技術(shù)中，頻率是一個最基本的參量，對適應晶體振蕩器、各種信號發(fā)生器、倍頻和分頻電路的輸出信號的頻率測量，廣播、電視、電訊、微電子技術(shù)等現(xiàn)代科學領(lǐng)域。因此，數(shù)字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。1 概述1.1 數(shù)字頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測

4、量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。1.2 數(shù)字頻率計的基本原理頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。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

5、化的信號。如配以適當?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)字頻率計是一種應用很廣泛的儀器電子系統(tǒng)非常廣泛的應用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。2 數(shù)字頻率計的原理電路的設計2.1 基本設計原理與方案2.1.1 數(shù)字頻率計的基本設計原理基本設計原理是直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間

6、間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。2.1.2 數(shù)字頻率計的整體電路設計方案數(shù)字頻率計主要由4個基本單元組成：可控制的計數(shù)鎖存、譯碼顯示系統(tǒng)、石英晶體振蕩器及多級分頻系統(tǒng)、帶

7、衰減器的放大整形系統(tǒng)和閘門電路。該原理電路我們將設計4個基本單元電路，而后利用四個基本單元電路繪制整機框圖，畫出總電路圖，并且對電路圖進行原理分析，利用Multisim、Protel軟件進行繪制原理圖和仿真模擬實驗現(xiàn)象，記錄調(diào)試分析的結(jié)果。2.2 單元電路的設計和元器件的選擇數(shù)字頻率計的原理框圖如圖11-1-1所示。他主要由5個模塊組成，分別是：脈沖發(fā)生器電路、測頻控制信號發(fā)生器電路、計數(shù)模塊電路、鎖存器、譯碼驅(qū)動電路。當系統(tǒng)正常工作時，脈沖發(fā)生器提供的1 Hz的輸入信號，經(jīng)過測頻控制信號發(fā)生器進行信號的變換，產(chǎn)生計數(shù)信號，被測信號通過信號整形電路產(chǎn)生同頻率的矩形波，送入計數(shù)模塊，計數(shù)模塊對輸

8、入的矩形波進行計數(shù)，將計數(shù)結(jié)果送入鎖存器中，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)，顯示譯碼驅(qū)動電路將二進制表示的計數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應的能夠在七段數(shù)碼顯示管上可以顯示的十進制結(jié)果。在數(shù)碼顯示管上可以看到計數(shù)結(jié)果。 2.2.1 放大整形電路放大整形電路由晶體管9014和74LS00等組成。其中9014組成放大器將輸頻率為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。由于輸入的信號幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設計中采用了這個信號調(diào)理電路對輸入的波形

9、進行阻抗變換、放大限幅和整形，信號調(diào)理部分電路具體實現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如圖1所示： 圖1放大整形電路圖2.2.2 石英晶體振蕩器（1） 石英晶體振蕩器原理 若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機械變形；反之若在極板間施加機械力，又會在相應的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機械變形振動，同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。（2） 石英晶體振蕩

10、器的電路圖 石英晶體具有優(yōu)越的選頻性能。將石英晶體引入普通多諧振蕩器就能構(gòu)成具有較高頻率穩(wěn)定性的石英晶體多諧振蕩器。我們知道，普通多諧振蕩器是一種矩形波發(fā)生器，上電后輸出頻率為的矩形波。根據(jù)傅里葉分析理論，頻率為的矩形波可以分解成無窮多個正弦波分量，正弦波分量的頻率為（），如果石英晶體的串聯(lián)諧振頻率為，那么只有頻率為的正弦波分量可以通過石英晶體（第個正弦波分量，），形成正反饋，而其它正弦波分量無法通過石英晶體。頻率為的正弦波分量被反相器轉(zhuǎn)換成頻率為矩形波。因為石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率僅僅取決于石英晶體本身的參數(shù)，所以對石英晶體以外的電路元件要求不高。用反相器與石英晶體構(gòu)成的振蕩電路如圖2所

11、示。利用二個非門U1A、U2A自我回饋，使它們工作在線性狀態(tài)，然后利用石英晶體JU來控制振蕩頻率，同時利用電容C1來作為二個非門之間的耦合，二個非門輸入和輸出之間并接的電阻R1和R2作為負反饋組件用，由于回饋電阻很小，可以近似認為非門的輸入和輸出的壓降相等。電容C2是為了防止寄生振蕩。例如：電路中的石英晶振頻率是4MHZ，則電路的輸出頻率為4MHZ。 圖2-石英晶體振蕩電路2.2.3 分頻器 由于石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，就需要分頻電路。例如，振蕩器輸出4MHZ的信號，通過D觸發(fā)器（74LS74）（圖3）進行4分頻變成1MHZ，然后送到10分頻計數(shù)器（74LS90，該計數(shù)器可

12、以用8421碼制，也可以用5421碼制），經(jīng)過六次10分頻而獲得1HZ的方波信號作為秒脈沖信號。圖3-74LS74四分頻電路圖4-分頻器輸出波形2.2.4 閘門電路與邏輯控制電路（1） 閘門電路閘門電路的作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖。是由與門組成，該電路有二個輸入端和一個輸出端，輸入端的一端接門控信號，另一端接整形后的被測方波信號。當標準時間信號（1s正脈沖）來到時，閘門開通，即門控信號為高電平“1”時，此時被測信號的脈沖通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)；而門控信號為低電平“0”時，閘門關(guān)閉 ，計數(shù)器無時鐘脈沖輸入?？梢?，門控信號的寬度一定時，閘門的輸出值正比于被測信號的頻率，通過計數(shù)顯示系統(tǒng)把閘門的輸出

13、結(jié)果顯示出來，就可以得到被測信號的頻率。（2）邏輯控制電路在時基信號結(jié)束時產(chǎn)生的負跳變用來產(chǎn)生鎖存信號，鎖存信號的負跳變又用來產(chǎn)生清零信E，脈沖信號和清零信號可由雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。根據(jù)tw=0.7RextCext可以計算出各個參數(shù)。這樣當脈沖從74221 的1腳輸入可以產(chǎn)生鎖存信號和清零信號，其要求剛好滿足D和E的要求。當手動開關(guān)S按下時，計數(shù)器清零。由二塊74221芯片組成的邏輯控制電路2.2.5 脈沖形成電路（1） 電路原理及電路圖脈沖形成電路的作用是將輸入的周期性信號，如正弦波、三角波或者其他呈周期性變化的波形變換成脈沖波，其周期不變。

14、將其他波形變換成脈沖波的電路有很多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，采用集成555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電路如圖5所示。 圖5-集成555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路及仿真結(jié)果（2）仿真結(jié)果分析及結(jié)論仿真結(jié)果分析及其結(jié)論：555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是負脈沖觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，穩(wěn)態(tài)時輸出為低電平，暫穩(wěn)態(tài)時輸出為高電平，且其在暫穩(wěn)態(tài)維持時間僅與電路本身的參數(shù)R、C有關(guān)，與外界觸發(fā)脈沖的幅值和寬度有關(guān)。2.2.6 時基電路此電路由555定時器組成一個多諧振蕩器，要求產(chǎn)生一個標準信號（高電平持續(xù)時間為1s），振蕩器的頻率f=1/(t1+t2)=0.8Hz，其中t1=1S，t2=0.25S由公式

15、t1=0.7(R1+R2C)和t2=0.7R2C因此，我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R1取47K歐姆，R2取39K歐姆，電容取10F。再加入一個100K的可變電阻，來改變電路占空比。這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。如圖6所示。圖6-時基電路2.2.7 鎖存器鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時所計得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)地顯示此時計數(shù)器的值。1s計數(shù)時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號IV，將些時計數(shù)器的值送譯碼顯示器。選用兩個8位鎖存器74LS273可以完成上述功能。當鎖存信號CP的正跳變來到時，鎖存的輸出等于輸入，從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。高電平結(jié)束后，無論D為何值，

16、輸出端的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)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.電路連接圖如圖7所示。 圖7-鎖存器連接電路圖2.2.8 計數(shù)器計數(shù)器是按十進制計數(shù)的。需要注意的是，如果在系統(tǒng)中不接鎖存器，則顯示器上的顯示數(shù)字就會隨計數(shù)器的狀態(tài)不停變化，只有在計數(shù)器停止計數(shù)時，顯示器上顯示的數(shù)字才能穩(wěn)定，所以，計數(shù)器后面必須接入鎖存器。計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù)。根據(jù)設計要求，最高測量頻率為 9999Hz ，應采用 4 位十進制計數(shù)器?？梢赃x用現(xiàn)成的用74LS90芯片集成的 10 進制計數(shù)器(如圖8所示)。圖8-74LS90芯片集成的十進制計數(shù)器2.2.9 譯碼器與顯示器（1） 譯碼器

17、本設計采用的是由74LS48芯片集成的譯碼器（圖9）。圖9-74LS48芯片集成的譯碼器電路圖（2） 顯示系統(tǒng)發(fā)光二極管(LED)由特殊的半導體材料砷化鎵、磷砷化鎵等制成，可以單獨使用，也可以組裝成分段式或點陣式LED顯示器件(半導體顯示器)。 分段式顯示器(LED數(shù)碼管)由7條線段圍成8字型，每一段包含一個發(fā)光二極管。外加正向電壓時二極管導通，發(fā)出清晰的光，有紅、黃、綠等色。只要按規(guī)律控制各發(fā)光段的亮、滅，就可以顯示各種字形或符號。 LED數(shù)碼管有共陽、共陰之分。圖10(a)是共陰式LED數(shù)碼管的原理圖，圖10(b)是其表示符號。使用時，公共陰極接地，7個陽極ag由74LS48集成的七段譯碼器來驅(qū)動(控制)，如圖10(c)所示。圖10-數(shù)字顯示譯碼器2.3 數(shù)字頻率計的完整電路圖及基本原理（1） 數(shù)字頻率計完整電路圖數(shù)字頻率計由4個基本單元組成；可控制的計數(shù)鎖存、譯碼顯示系統(tǒng)，石英晶體振蕩器及多級分頻系統(tǒng)，帶衰減器的放大整形系統(tǒng)和閘門電路。經(jīng)過前面章節(jié)的分析設計，得出數(shù)字頻率計的完整電路圖（圖11）如下。 圖11-數(shù)字頻率計完整電路圖（2） 數(shù)