數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1、設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)。2、基本要求：（1） 測(cè)頻率范圍：10Hz 10K Hz。為保證測(cè)量精度分為三個(gè)頻段： 10Hz 100 Hz 100Hz 1K Hz 1 K Hz 10K Hz當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)規(guī)定的頻段上限時(shí)，設(shè)有超量程指示。三個(gè)頻段之間用手動(dòng)切換。（2） 輸入波形：低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的方波，幅度為5V 。（3） 測(cè)量誤差：±1%。（4） 顯示和響應(yīng)時(shí)間：測(cè)量結(jié)果用三位半導(dǎo)體數(shù)碼管顯示，要求顯示數(shù)碼穩(wěn)定清晰。三個(gè)頻段的最大顯示數(shù)分別為99.9 Hz，999. Hz，9.99 K Hz，為此需要控制小數(shù)點(diǎn)位置，并用兩個(gè)發(fā)光二

2、極管分別顯示頻率單位：Hz 或K Hz，詳見(jiàn)表2.2。頻率范圍小數(shù)點(diǎn)位置單位響應(yīng)時(shí)間10Hz f <100 Hz××.×Hz12秒100Hz f <1KHz×××.Hz2秒1 KHz f < 10KHz×.××K Hz2秒3、擴(kuò)展要求實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。二、基本工作原理頻率測(cè)量的方法常用的有測(cè)頻法和測(cè)周法兩種。（1） 測(cè)頻法測(cè)頻法的基本思想是讓計(jì)數(shù)器在閘門(mén)信號(hào)的控制下計(jì)數(shù)1秒時(shí)間，計(jì)數(shù)結(jié)果是1秒內(nèi)被測(cè)信號(hào)的周期數(shù)，即被測(cè)信號(hào)的頻率。若被測(cè)信號(hào)不是矩形脈沖，則應(yīng)先變換成同頻率的矩形脈沖。測(cè)

3、頻法的原理框圖如圖2-2-1所示。圖中，秒脈沖作為閘門(mén)信號(hào)，當(dāng)其為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。顯然，在同樣的閘門(mén)信號(hào)作用下，被測(cè)信號(hào)的頻率越高，測(cè)量誤差越小。當(dāng)被測(cè)頻率一定時(shí)，閘門(mén)信號(hào)高電平的時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量誤差越小。但是閘門(mén)信號(hào)周期越長(zhǎng)，測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間也越長(zhǎng)。例如，閘門(mén)信號(hào)高電平時(shí)間為1秒，被測(cè)信號(hào)頻率的真值為2Hz，如圖2-2-2所示。由圖可知，無(wú)論被測(cè)信號(hào)的頻率是多少，測(cè)量時(shí)可能產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差均為±1Hz，即 f測(cè)-f真=±1Hz所以，最大相對(duì)誤差為 max= （f測(cè)-f真）/ f真=±1/ f真由上式可知，在閘門(mén)信號(hào)相同時(shí)，測(cè)頻法的相

4、對(duì)誤差與被測(cè)信號(hào)的頻率成反比。因此測(cè)頻法適合于測(cè)量頻率較高的信號(hào)。（2） 測(cè)周法當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，為保證測(cè)量精度，常采用測(cè)周法。即先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期，再換算成頻率。測(cè)周法的實(shí)質(zhì)是把被測(cè)信號(hào)作為閘門(mén)信號(hào)，在它的高電平的時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號(hào)源作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖。若計(jì)數(shù)結(jié)果為N，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率為f1，則被測(cè)信號(hào)的周期為 T = T1·N被測(cè)信號(hào)的頻率為 f = 1/T1·N = f1/N利用測(cè)周法所產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差，顯然也等于±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期。如果被測(cè)信號(hào)周期的真值為T(mén)真= T1·N，則T測(cè)= T1·（N±1） max=

5、（f測(cè)-f真）/ f真= T真/T測(cè) 1=±1/（N±1）由上式可知，對(duì)于一定的被測(cè)信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率越高，則N的值越大，因而相對(duì)誤差越小。（3） 低頻段的測(cè)量鑒于上述困難，對(duì)于低頻信號(hào)，為了達(dá)到規(guī)定的精度，要采取一些比較特殊的方法。例如，可考慮將被測(cè)信號(hào)倍頻后再用測(cè)頻法測(cè)量。或?qū)㈤l門(mén)信號(hào)展寬。由于倍頻電路比較復(fù)雜，所以一般采用后一種方法，實(shí)際上閘門(mén)信號(hào)展寬與被測(cè)信號(hào)倍頻在效果上是相同的。閘門(mén)信號(hào)展寬比較容易做到，例如采用分頻電路就可以實(shí)現(xiàn)。若閘門(mén)信號(hào)高電平時(shí)間從1秒展寬到10秒，則相對(duì)誤差可以按比例下降，但響應(yīng)時(shí)間也增大相同的比例。（4） 測(cè)頻法的參考框圖 圖2-2-3

6、是測(cè)頻法的參考框圖。被測(cè)信號(hào)為矩形波時(shí)，整形電路可省略。對(duì)信號(hào)的低頻段采用閘門(mén)信號(hào)展寬的方法，因此分別采用1秒和10秒兩個(gè)閘門(mén)信號(hào)，頻段控制可以采用三位（K2、K1、K0）或二位控制信號(hào)。在測(cè)量過(guò)程中，由于計(jì)數(shù)器的輸出總是不斷變化的，如果這時(shí)譯碼器實(shí)時(shí)地將計(jì)數(shù)值譯碼，顯示器就會(huì)不斷地跳動(dòng)，無(wú)法讀數(shù)；或者跳動(dòng)太快，由于人地視覺(jué)殘留，看起來(lái)顯示器總是顯示8。為了在測(cè)量過(guò)程中能穩(wěn)定清晰地顯示數(shù)碼，譯碼器必須具有鎖存功能。三、單元電路設(shè)計(jì)參考1、 鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器為了能穩(wěn)定清晰地顯示頻率，只有在一次測(cè)量結(jié)束后再將結(jié)果通過(guò)鎖存器傳輸給譯碼器，并且這個(gè)結(jié)果由鎖存器鎖存。下一次測(cè)量過(guò)程中，由于鎖存器地鎖存

7、作用，計(jì)數(shù)器輸出的變化不會(huì)影響顯示的內(nèi)容，顯示器仍然顯示原來(lái)鎖存的內(nèi)容。在下一次測(cè)量結(jié)束才更新鎖存器、譯碼器和顯示器的內(nèi)容。因此，所選用的譯碼器必須兼有鎖存功能，同時(shí)譯碼器還應(yīng)具有足夠地驅(qū)動(dòng)能力，以便直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。2、 BCD碼計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器輸出給譯碼器地信號(hào)應(yīng)為BCD碼，因此采用十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器較為方便。為了滿足測(cè)量誤差的要求，在10Hz f <100 Hz 段，將閘門(mén)信號(hào)展寬為10秒。在顯示時(shí)加上小數(shù)點(diǎn)和單位后，顯示的最大值為99.9Hz。因此，在這一頻段，需要三個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)一千進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在100Hz f <1KHz 段，閘門(mén)信號(hào)為1秒，顯示的最大值為999.

8、Hz。也是三個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)。在1 KHz f < 10KHz，閘門(mén)信號(hào)為1秒，最大計(jì)數(shù)值為9999 Hz，需要四個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，而顯示只有三位，因此將最低一位的計(jì)數(shù)結(jié)果舍去，顯示最大值為9.99 KHz。舍去的尾數(shù)不會(huì)超過(guò)最大相對(duì)誤差。3、 閘門(mén)信號(hào)信號(hào)產(chǎn)生電路閘門(mén)信號(hào)信號(hào)產(chǎn)生電路包括矩形波發(fā)生器和分頻電路兩部分。分頻的級(jí)數(shù)取決于矩形波發(fā)生器的輸出頻率。由于閘門(mén)信號(hào)的精度直接影響整機(jī)的精度，因此要選擇輸出頻率十分穩(wěn)定的矩形波發(fā)生器。矩形波發(fā)生器的電路形式很多?？梢杂眠\(yùn)放、TTL與非門(mén)、CMOS門(mén)電路、施密特反相器、集成定時(shí)器和石英晶體振蕩器等器件實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)頻率要求、成本等

9、要求選擇合適的方案。分頻電路可以采用十進(jìn)制或十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)而成。為了減少分頻的級(jí)數(shù)矩形波發(fā)生器的輸出頻率不能太高也不能太低，否則，調(diào)試和校準(zhǔn)閘門(mén)信號(hào)十分困難。振蕩器中的R、C參數(shù)的選擇也應(yīng)恰當(dāng)。R或C很大時(shí)，誤差往往較大。4、 控制電路控制電路是單元設(shè)計(jì)中最重要的任務(wù)?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)的質(zhì)量關(guān)系到元器件數(shù)量的多少，線路是否可靠，甚至?xí)P(guān)系到整個(gè)方案能否實(shí)現(xiàn)。控制電路主要包括三個(gè)部分：l 三個(gè)不同頻段時(shí)，小數(shù)點(diǎn)位置的改變，顯示單位的變化，三級(jí)或四級(jí)BCD計(jì)數(shù)器的選擇，閘門(mén)信號(hào)10秒或1秒的選擇。l 譯碼器鎖存脈沖和計(jì)數(shù)器清零脈沖的產(chǎn)生及其與閘門(mén)信號(hào)時(shí)序的配合。l 超量程指示。（1） 三個(gè)頻段控

10、制三個(gè)頻段的控制可以采用三位控制碼，也可以采用二位控制碼。表2.2.2列出了三個(gè)頻段控制的要求。表中采用的閘門(mén)信號(hào)為10秒和1秒兩種。頻率范圍控制碼小數(shù)點(diǎn)位置單位計(jì)數(shù)器閘門(mén)時(shí)間K2K1K010Hz f <100 Hz001中間××.×Hz三位BCD10S100Hz f <1KHz010低位×××.Hz三位BCD1S1 KHz f < 10KHz100高位×.××KHz四位BCD1S 小數(shù)點(diǎn)位置的改變和顯示單位的選擇可以用組合邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂拼a閘門(mén)信號(hào)G時(shí)鐘脈沖EN2控制碼閘門(mén)信號(hào)G時(shí)

11、鐘脈沖EN2K2K1K0K2K1K0000××100T1QD1001T10Vi101××010T1Vi110××011××111××在三個(gè)不同頻段，十進(jìn)制計(jì)數(shù)的位數(shù)和閘門(mén)信號(hào)時(shí)間的選擇方法可以由圖2-2-4表示。選擇器1用來(lái)選擇三位或四位BCD碼計(jì)數(shù)器；選擇器2用來(lái)選擇閘門(mén)信號(hào)（10秒或1秒）。它們的真值表如表2.2.3所示。數(shù)據(jù)選擇器可以用門(mén)電路實(shí)現(xiàn)也可以采用集成數(shù)據(jù)選擇器。（2） 鎖存脈沖和清零脈沖的產(chǎn)生由于在閘門(mén)信號(hào)的高電平期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，低電平時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，因此鎖存脈沖應(yīng)在閘門(mén)信號(hào)的

12、下降沿后產(chǎn)生。在鎖存脈沖為低電平期間，鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行傳輸功能，即輸入信號(hào)通過(guò)內(nèi)部的傳輸門(mén)送到譯碼器的輸入端。當(dāng)鎖存脈沖由0變成1時(shí)，輸入信號(hào)被鎖存，所以輸入信號(hào)的變化不再影響譯碼器的譯碼結(jié)果。鎖存結(jié)束后，可以將計(jì)數(shù)器清零，為第二次測(cè)量做好準(zhǔn)備。對(duì)清零脈沖的時(shí)序，有幾種不同的方案，如圖2-2-5所示。方案1利用閘門(mén)信號(hào)的上升沿產(chǎn)生清零脈沖，這樣，計(jì)數(shù)時(shí)間要減少一個(gè)清零脈沖的脈寬，是否會(huì)影響頻率計(jì)的測(cè)量誤差，應(yīng)作仔細(xì)分析。方案2是利用鎖存脈沖的上升沿產(chǎn)生清零脈沖。這樣可以保證閘門(mén)信號(hào)的高電平期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。但是如果鎖存器的鎖存延遲時(shí)間超過(guò)計(jì)數(shù)器清零的延遲時(shí)間，就可能使鎖存器種鎖存的各位信號(hào)

13、全部是零。方案3是在方案2的基礎(chǔ)上再加一級(jí)單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路，鎖存后延遲一段時(shí)間再對(duì)計(jì)數(shù)器清零。這樣鎖存和清零之間就有足夠的時(shí)間，工作比較可靠。鎖存脈沖和清零脈沖，可以用單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生。單穩(wěn)態(tài)電路可以用門(mén)電路構(gòu)成，也可以用集成定時(shí)器或集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。若對(duì)脈寬沒(méi)有嚴(yán)格要求，也可以用較為簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)。圖2-2-6為CMOS單穩(wěn)延時(shí)電路及其時(shí)序圖。如果CMOS與非門(mén)內(nèi)部已有輸入保護(hù)二極管，則圖2-2-6中的二極管可以省略。 （3）超量程指示電路圖2-2-7是超量程指示電路的參考方案。該方案的餓設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)出現(xiàn)超量程時(shí)，BCD計(jì)數(shù)器的最高位輸出端Q4就從1變?yōu)?，利用Q4的這個(gè)下跳邊沿，使觸發(fā)器F0的輸出端Q0由0變成1。因此，當(dāng)鎖存脈沖到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器F1的輸出端Q1變成1，使作為超量程指示用的發(fā)光二極管亮。如果由于輸入信號(hào)的頻率減小或切換了頻段，下一次測(cè)量不再超量程時(shí)，則在下一次測(cè)量結(jié)束后，發(fā)光二極管應(yīng)熄滅。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，用清零脈沖使Q0復(fù)位，但由于Q1仍維持1，因此下一次測(cè)量結(jié)束之前，發(fā)光二極管不會(huì)熄滅。四、可供選擇的元器件型號(hào)名稱型號(hào)名稱