《簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)》word版

1、簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)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(cè)量方案、3測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量就顯得更為重要。測(cè)量頻率的方法有多種,其中電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻有兩種方式：一是直接測(cè)頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測(cè)頻法，如周期測(cè)頻法。直接測(cè)頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測(cè)量，間接測(cè)頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測(cè)量。本文闡述了用數(shù)字電路設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字頻率計(jì)的過(guò)程。關(guān)鍵詞 數(shù)字頻率計(jì) 鎖存器 計(jì)數(shù)器 閘門電路 時(shí)基電路目 錄中文摘要TOC o

2、 1-3 h u 1.設(shè)計(jì)原理要求.1 HYPERLINK l _Toc31742 1.1 設(shè)計(jì)原理.1 HYPERLINK l _Toc19150 1.2 主要功能要求.1 HYPERLINK l _Toc24080 1.3 主要技術(shù)指標(biāo).1 HYPERLINK l _Toc24612 1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖及其工作原理.1 HYPERLINK l _Toc13708 1.5 頻率計(jì)的基本組成框圖.2 HYPERLINK l _Toc13535 1.6 測(cè)量頻率的原理框圖.3 HYPERLINK l _Toc16629 2 框圖各個(gè)部分的設(shè)計(jì)及其主要參數(shù)的確定.3 HYPERLINK l

3、_Toc9328 2.1 邏輯控制電路.3 HYPERLINK l _Toc12535 2.2 鎖存器.4 HYPERLINK l _Toc15343 2.3 脈沖形成電路.5 HYPERLINK l _Toc18705 2.4 閘門電路.6 HYPERLINK l _Toc6266 2.5 時(shí)基電路.73芯片功能介紹.83.1 74LS48的引腳及功能表.83.2 555的引腳及功能表.93.3 74LS90 引腳圖及功能表.103.4 74LS00引腳圖及功能表.113.5 74LS273引腳圖及功能表.12總結(jié).13 HYPERLINK l _Toc21125 參考文獻(xiàn).14附錄一、簡(jiǎn)易

4、頻率計(jì)電路圖.15附錄二、元器件參數(shù)列表 .161 設(shè)計(jì)原理及要求1.1 設(shè)計(jì)原理數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)量信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置，它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波和尖端沖信號(hào)的頻率，而且還可以測(cè)量它們的周期。經(jīng)過(guò)改裝，可以測(cè)量脈沖寬度，做成數(shù)字式脈寬測(cè)量?jī)x；可以測(cè)量電容，做成數(shù)字式電容測(cè)量?jī)x；在電路中增加傳感器，還可以做成數(shù)字脈搏計(jì),計(jì)價(jià)器等。因此，數(shù)字頻率計(jì)在測(cè)量物理量方面應(yīng)用廣泛。所謂“頻率”就是周期性信號(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(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可以表示為：f=N/T (1-1)1.2 主要功能要求4位十進(jìn)制數(shù)顯示

5、、小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)定位；1.3 主要技術(shù)指標(biāo)頻率測(cè)量范圍 1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ； 頻率準(zhǔn)確度 fx/fx10-2；被測(cè)信號(hào)幅度Vxm=0.2V5V（正弦波、方波、三角波） 1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖及其工作原理 計(jì)數(shù)譯碼顯示閘門電路脈沖形成電路f溫控電路時(shí)基信號(hào)發(fā)生器圖1-1 基本工作原理 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)一般由脈沖電路，擋位轉(zhuǎn)換器，時(shí)基信號(hào)發(fā)生器，門控電路，閘門電路，計(jì)數(shù)譯碼器，顯示器等幾部分組成。 其中脈沖形成電路的作用是：將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率 。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)

6、間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來(lái)到時(shí)，閘門開通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在一秒時(shí)間內(nèi)累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)得頻率 =NHz。 1.5 頻率計(jì)的基本組成框圖 譯碼顯示器鎖存器計(jì)數(shù)器閘門電路器時(shí)基電路放大整形電路邏輯控制電路Vfx鎖存計(jì)數(shù)清“0”TxN (a) (b) 圖1-2 數(shù)字頻率計(jì)的基本組成及工作過(guò)程 如上圖所示，數(shù)字頻率計(jì)的工作過(guò)程是：被測(cè)信號(hào) 經(jīng)脈沖形成電路整形，變換成上圖中（b）中的脈沖波形，其周期Ts與被測(cè)信號(hào)的周期相同。時(shí)基電路輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，設(shè)其高電平持續(xù)時(shí)間為1s，則計(jì)數(shù)器的

7、計(jì)數(shù)時(shí)間就為1s，計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)圖所示就是被測(cè)信號(hào)的頻率。邏輯控制單元的作用有兩個(gè)：其一，產(chǎn)生清“0”脈沖，計(jì)數(shù)器每次從零開始計(jì)數(shù)；其二，產(chǎn)生鎖存信號(hào)，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。 1.6 測(cè)量頻率的原理框圖頻率測(cè)量：測(cè)量頻率的原理框圖如下圖.測(cè)量頻率共有4個(gè)檔位。被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時(shí)基信號(hào)的到來(lái)。時(shí)基信號(hào)有555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門開通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測(cè)信號(hào)通過(guò)閘門，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器即開始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，這樣就達(dá)到了測(cè)量頻率的目的。譯碼顯示衰減放大整形電路計(jì)數(shù)電路閘門電路被

8、測(cè)信號(hào)K1K2K3K4fx控制電路時(shí)基電路振蕩器 圖1-3 測(cè)量頻率原理框圖2 框圖各個(gè)部分的設(shè)計(jì)及其主要參數(shù)的確定2.1 邏輯控制電路根據(jù)上圖（b）所示的時(shí)序波形，在標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)II結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)跳變用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào)V，鎖存信號(hào)V的負(fù)跳變又用來(lái)產(chǎn)生清“0”信號(hào)IV，它們的脈沖寬度由本身電路的參數(shù)所決定。因此這兩個(gè)脈沖信號(hào)IV和V可以由兩個(gè)單態(tài)穩(wěn)定觸發(fā)器產(chǎn)生，其電路如下圖所示。其中74LS123是集成電路可重觸發(fā)的單穩(wěn)定觸發(fā)器，其內(nèi)部有兩個(gè)完全獨(dú)立的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。74LS123的功能表如下表所示。 圖2-1 邏輯控制電路表2-1 邏輯控制電路功能表 輸入輸出說(shuō)明ABQ 001穩(wěn)態(tài)00110

9、110觸發(fā)0111 設(shè)鎖存器信號(hào)和清“0”信號(hào)的脈沖寬度tw相同，如果Tw=0.01s，可由式Tw=0.45RextCext來(lái)計(jì)算時(shí)間常數(shù)的值。因?yàn)門w=0.45RextCext ， 若取Rext=10K，則Cext=2.2uF 。 2.2 鎖存器鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束的計(jì)數(shù)器進(jìn)行鎖存，使顯示器上獲得穩(wěn)定的測(cè)量值。因?yàn)橛?jì)數(shù)器在1s內(nèi)要計(jì)成千上萬(wàn)的輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字隨計(jì)數(shù)器的輸出而變化，不便于計(jì)數(shù)。所以必須加一個(gè)鎖存器將其固定。選用8D鎖存器74lLS273可以完成上述鎖存功能。如下圖所示，2片74lLS273構(gòu)成的16位二進(jìn)制數(shù)的輸出鎖存器連接電路。當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP

10、的正跳變到時(shí)，鎖存器的輸出等于輸入，既Q=D，從而將4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無(wú)論輸入端D為何值，輸出端D的狀態(tài)保持原來(lái)的狀態(tài)Qn不變。所以在計(jì)數(shù)器的時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。 圖2-2 鎖存器 連接電路2.3 脈沖形成電路脈沖形成電路的作用是將輸入的周期性信號(hào)如正弦波、三角波或者其他呈周期性的變化波形變換成脈沖波，其周期不變。將其他波形變換成脈沖波的電路有多種，如施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，比較器等，其中施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較多。構(gòu)成施密特觸發(fā)器的器件有運(yùn)算放大器、集成邏輯門、集成觸發(fā)器、集成定時(shí)器555等。下面介紹采用集成電路555構(gòu)成施密特觸發(fā)

11、器，其電路如下圖所示： 圖2-3 脈沖形成電路連接圖 圖2-4 脈沖形成電路轉(zhuǎn)換波形圖 圖中R1與R2的作用是將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)。因?yàn)?55構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平VT+=2Vcc/3，下觸發(fā)電平VT-=Vcc/3.回差電平 = VT+ - VT-即 VT=2Vcc/3 - Vcc/3= Vcc/3 輸入信號(hào)的直流電平Vxo應(yīng)滿足下列關(guān)系： Vcc/3 Vxo 2Vcc/3輸入信號(hào)的幅度Vxm與直流電平Vx0和回差 有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)， 越小，對(duì)輸入信號(hào)的幅度 要求越小。如果需要減少回差，可以在555 的控制CO端接入一正電源電壓。 如果取+Vcc=+5V，則由上式可得回差 =1.67V

12、，則輸入信號(hào)幅度 大于0.83V。 為使 U。=2.5V，則取R1=R2=10 K 。 2.4 閘門電路如下圖所示，閘門電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（1s正脈沖）來(lái)到時(shí)，閘門開通，被測(cè)信號(hào)的脈沖通過(guò)閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖結(jié)束時(shí)（為低電平）閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器無(wú)時(shí)鐘脈沖輸入?？梢?jiàn)，閘門電路的邏輯功能可以由一個(gè)與非門來(lái)完成，如下圖所示。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為1s的脈沖是由定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器電路產(chǎn)生的（當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間精度要求較高時(shí)，應(yīng)通過(guò)晶體振蕩器分頻獲得），此電路的振蕩周期T的表達(dá)式為T0.7(2R2+R1)C1 （2-1）可以計(jì)算電阻 、 及電容C的值，若取電容C=10uF

13、， 則 = /0.7C=35.7 k 取標(biāo)準(zhǔn)值36 K 。 = /0.7C- =103.9 K。 取 =91 K， =47 K 。測(cè)量頻率的誤差與閘門信號(hào)的精度直接相關(guān)，因此，為保證在1s內(nèi)被測(cè)信號(hào)的周期量誤差在 量級(jí)，則要求閘門信號(hào)的精度為 量級(jí)。例如，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為1kHz時(shí)，在1s的閘門脈沖期間計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)1000次，由于閘門脈沖精度為 ，閘門信號(hào)的誤差不大于0.1s，固由此造成的計(jì)數(shù)誤差不會(huì)超過(guò)1，符合2* 的誤差要求。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率增高時(shí)，在閘門脈沖精度不變的情況下，計(jì)數(shù)器誤差的絕對(duì)值會(huì)增大，但是相對(duì)誤差仍在2* 范圍內(nèi)。 圖2-5 標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生與閘門電路連線圖2.5

14、時(shí)基電路如圖所示， 555定時(shí)器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/(R1+2*R2)*C) （2-2）因此,我們可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)通過(guò)計(jì)算確定了 取430K, 取500K,電容取1uF.這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在R1和R2之間接了一個(gè)10K的電位器便于在后面調(diào)節(jié)使得555能夠產(chǎn)非常接近1KHz的頻率。 圖2-7時(shí)基電路3芯片功能介紹3.1 74LS48的引腳及功能表74LS48是控制七段顯示器顯示的集成譯碼電路之一，其引線排列圖如圖3-1所示。A、B、C、D為BCD碼輸入端，A為最高位, YaYg為輸出端，分別驅(qū)動(dòng)七段顯示

15、器的ag輸入端，高電平觸發(fā)顯示，可驅(qū)動(dòng)共陰極發(fā)光二極管組成的七段顯示器顯示。其它端為使能端。它的使能端的功能如下：一 消隱輸入BI/RBO。 當(dāng)BI=0時(shí)， 不論其它各使能端和輸入端處于何種狀態(tài)， YaYg均輸出低電平， 顯示器的七個(gè)字段全熄滅。這個(gè)端子是個(gè)雙功能端子， 既可作輸入端子， 也可作輸出端子。 作輸入端子用時(shí)， 它是消隱輸入BI； 作輸出端子用時(shí)， 它是滅零輸出RBO。二 滅零輸出BI/RBO。RBO為滅零輸出。當(dāng)RBI=0，輸入ABCD=0000時(shí)，RBO=0， 利用該滅零輸出信號(hào)可將多位顯示中的無(wú)用零熄滅。 圖3-1 74LS48引腳圖輸入輸出A3 A2 A1 A0abcDEf

16、g012345678911111111111000000010010001101000101011001111000100111111111111011010111111110011111011111111011011010*101000101010001110110011111011101112131415111111101010111100110111101111111111000100001000010000110110100010001110111110LT1000 0 0 0001001001001001001001001 表3-2 74LS48功能表3.2 555的引腳及功能表55

17、5定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門開通的基準(zhǔn)時(shí)間。NE555引腳圖1GND電源負(fù)極5CVOLT控制2TRIG觸發(fā)6THR閾值3OUT輸出7DISC放電4RESET復(fù)位8VCC電源正極 555管腳圖圖3-3 555的引腳圖輸入輸出X導(dǎo)通(2/3)VCC(2/3)VCC(1/3)VCC導(dǎo)通(2/3)VCC(1/3)VCC不變不變 圖3-4 555功能表3.3 74LS90 引腳圖及功能表74LS90邏輯電路圖如圖3-5所示，74LS90 可以獲得對(duì)稱的十分頻計(jì)數(shù)，辦法是將QD 輸出接到A 輸入端，并把輸入計(jì)數(shù)脈沖加到B 輸入端，在QA 輸出端處產(chǎn)生對(duì)

18、稱的十分頻方波。 圖3-5 74LS90引腳圖Reset Inputs復(fù)位輸入 輸出 R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) QD QC QB QA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L LH X L X L COUNT COUNT COUNT COUNT L X L X L X X L X L L X 圖3-6 74LS90功能表3.4 74LS00引腳圖及功能表74LS00 是常用的2輸入與非門集成電路，他的作用很簡(jiǎn)單顧名思義就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)與非門。 圖3-7 74LS00引腳圖輸入輸出圖3-8 74LS00功能表3.5 74LS273

19、引腳圖及功能表74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， 1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作數(shù)據(jù)鎖存器,地址鎖存器。D0D7：出入； Q0Q7：輸出；第一腳WR：主清除端，低電平觸發(fā)，即當(dāng)為低電平時(shí)，芯片被清除，輸出全為0（低電平）；CP（CLK）：觸發(fā)端，上升沿觸發(fā)，即當(dāng)CP從低到高電平時(shí)，D0D7的數(shù)據(jù)通過(guò)芯片，為0時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存，D0D7的數(shù)據(jù)不變。 圖3-9 74LS273引腳圖及功能表 總結(jié)通過(guò)本次設(shè)計(jì)，使我進(jìn)一步加深了對(duì)數(shù)電模電和電路知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，掌握了簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試的方法。并且使我更加熟練的應(yīng)用仿真軟件，讓我學(xué)習(xí)到了如

20、何運(yùn)用軟件測(cè)試電路的可行性，并且對(duì)電路的調(diào)試改進(jìn)都有了一個(gè)很大的提高。 以前上課都是基本的東西，而現(xiàn)在卻是用以前學(xué)的東西來(lái)實(shí)踐。在這個(gè)過(guò)程中，我遇到了很多困難，比如如何運(yùn)用仿真軟件畫圖，如何組織一些比較專業(yè)的語(yǔ)言，以及上網(wǎng)、圖書館查找資料。雖說(shuō)很費(fèi)勁，但是樂(lè)趣也不少。做完這次設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)電的要求較高，相信數(shù)電在今后的應(yīng)用也會(huì)比較廣泛，會(huì)占據(jù)非常重要的地位。課堂中的學(xué)習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們還需要自己多去自學(xué)，去探索去研究。這樣在以后的學(xué)習(xí)工作中才能節(jié)節(jié)進(jìn)步，不斷創(chuàng)新。而且要涉獵各方面知識(shí)，提高自己綜合能力，取得更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步。 通過(guò)此次設(shè)計(jì)，我也了解了團(tuán)隊(duì)的作用。在遇到困難時(shí)，能夠向隊(duì)員請(qǐng)教，共同完成。此次