實(shí)驗(yàn)16 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)16 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握數(shù)字頻率計(jì)的組成原理。2. 掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試。3. 學(xué)習(xí)集成電路合理選擇與使用。二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)一個 4 位的數(shù)字頻率計(jì)，設(shè)計(jì)要求如下：1. 4 位十進(jìn)制數(shù)字顯示。2. 測試范圍為 1 Hz100kHz。3. 閘門時間: 1mS, 10mS，0.1S，1S 可手動選擇。4. 量程分為四檔：×1000，×100, ×10, ×1。三、實(shí)驗(yàn)原理在模擬和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計(jì)。數(shù)字頻率計(jì)實(shí)際上就是一個脈沖計(jì)數(shù)器，用來記錄 1 秒內(nèi)通過閘門的脈沖個數(shù)。通常頻率計(jì)是由輸入整形

2、電路、時鐘振蕩電路、分頻器、量程選擇開關(guān)、計(jì)數(shù)器、鎖存器和顯示器等組成。圖 2.16.1 為數(shù)字頻率計(jì)的圖 2.16.1 數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖原理框圖。在圖 2.16.1 中，由于計(jì)數(shù)脈沖信號必須為方波信號，所以要用施密特電路對輸入波形進(jìn)行整形，分頻器輸出的信號必須滿足閘門時間要求。例如閘門時間為 1 秒時，這個秒脈沖加到與門上，就能檢測到待測信號在 1 秒內(nèi)通過與門的個數(shù)。脈沖個數(shù)由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，由七段顯示器顯示頻率的單位應(yīng)為 Hz。又例如閘門時間為 1mS 時，顯示頻率的單位應(yīng)該為 kHz。數(shù)字頻率計(jì)各級的波形圖 2.16.2 所示，設(shè)待測信號 A 的周期為x，閘門時間為。當(dāng)門控信號 B 為

3、高電平時，它和被測信號 A 相與后通過閘門，形成計(jì)數(shù)脈沖信號 C，直到門控信號結(jié)束，閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。單穩(wěn) 1 的輸出信號 D 送到鎖存器的使能端，鎖存器將計(jì)數(shù)結(jié)果鎖存，并送到譯碼顯示電路。計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)后，在單穩(wěn) 2 的暫態(tài)輸出E的作用下將計(jì)數(shù)器清零。等到當(dāng)門控信號 B 再次變?yōu)楦唠娖綍r，開始下次計(jì)數(shù)。若在閘門時間 內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為，則被測頻率x 為： x = /為了準(zhǔn)確地測量頻率，應(yīng)滿足>>x 。四、設(shè)計(jì)方案提示數(shù)字頻率計(jì)可以從以下幾部分進(jìn)行考慮：1. 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路這一部分是頻率計(jì)必不可少的。即外部整形后的脈沖，通過計(jì)數(shù)器在單位時間里進(jìn)行圖 2.16.2 數(shù)字頻率計(jì)

4、的波形 計(jì)數(shù)、譯碼和顯示。計(jì)數(shù)器可選用十進(jìn)制的中規(guī)模(TTL/CMOS)集成計(jì)數(shù)器，例如選 74LS161、74LS390、74LS90 等。譯碼顯示可采用共陰極或共陽極的配套器件。例如譯碼器選擇 74LS248，顯示器可選用數(shù)碼顯示器 LC5011-11。2. 整形電路由于待測的信號是多種多樣的，有三角波、正弦波、方波等，所以要使計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，必須將輸入的波形整形。通常采用的是施密特集成觸發(fā)器，如 74LS14。施密特集成觸發(fā)器也可以用 555 (7555) 或其它門電路構(gòu)成。3. 分頻器與量程選擇分頻器一般由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。晶體振蕩器產(chǎn)生 1MHz 的時鐘信號，用 6 個十進(jìn)制計(jì)數(shù)器去分頻，

5、獲得頻率為 1MHz、1kHz、100Hz、10Hz 和 1Hz 的時基信號，再經(jīng)過 2 分頻后，可以得到 1S，1mS, 10mS，0.1S，1S 等閘門信號?？捎眯D(zhuǎn)開關(guān)選擇閘門時間。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器用 74LS160、74LS161、74LSL90、74SL290、74LS390 等均可。由于輸入頻率有高有低，所以當(dāng)測量低頻信號時，量程開關(guān)選擇在 1 或 10 位置上，而測量高頻信號時，應(yīng)設(shè)置在 100 或 1000 的位置；在電路處理上，應(yīng)將閘門時間縮短為 1S、0.1S、10mS、1mS 等。例如當(dāng)閘門時間為 1mS 測得的數(shù)值，其數(shù)顯值的單位為 kHz；10mS 時測得的頻率為數(shù)顯值

6、×100Hz（或0.1kHz），余類推。所以在實(shí)驗(yàn)中可選用 1/1000、1/100、1/10、1 秒四檔作為脈沖輸入的門控時間，完成量程的選擇。4. 單穩(wěn)態(tài)電路單穩(wěn)態(tài)電路的作用是保證鎖存器只在每次計(jì)數(shù)結(jié)束才鎖存顯示值，防止顯示的閃爍。另一個作用是保證計(jì)數(shù)器的數(shù)值被鎖存后再對計(jì)數(shù)器清零。單穩(wěn)態(tài)電路可選用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS121，74LS123，或用 555 構(gòu)成。鎖存器可選用 74LS273 或 74LS373。5. 選做內(nèi)容計(jì)數(shù)、譯碼和顯示部分可選用中規(guī)模集成的和四合一集成塊 CL102。也可以用專用大規(guī)模頻率計(jì)數(shù)器 ICM7216 芯片設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)。下面介紹一下專用八位

7、通用頻率計(jì)數(shù)器 ICM7216 的特點(diǎn)及性能。ICM7216 是用 CMOS 工藝制造的專用數(shù)字集成電路，專用于頻率、周期、時間等測量。ICM7216 為 28 管腳，其電源電壓為 5V，針對不同的使用條件和用途，ICM7216 有四種類型產(chǎn)品，其中顯示方式為共陰極 LED 顯示器的為 ICM7216B 型和 ICM7216D 型，而顯示方式為共陽級的 LED 顯示器的為 ICM7216A 型 和 ICM7216C 型。A、C、D 型的管腳排列定義略有區(qū)別，但功能一樣，使用時參閱有關(guān) ICM7216 產(chǎn)品手冊即可。五、可選用器材1. 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱1個2. 雙蹤示波器 1臺3. 頻率計(jì) 1臺4. 晶振 (1MHZ) 1片5. 數(shù)顯：LC5011-11 4個6. 電阻、電容 若干7. 集成電路 施密特觸發(fā)器 74LS14 1片 D觸發(fā)器 74LS74 1片 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS123 1片 或 74LS121 2片 計(jì)數(shù)器 74LS90 10片 或 74LS390 5片 定時器 7555/555 2片 譯碼驅(qū)動 74LS248 4片 鎖存器