簡易頻率計課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 技術要求及系統結構 ……………………………………………………1</p><p>　　1.1技術要求 ……………………………………………………………1</p><p>　　1.2系統結構 ……………………………………………………………1</p><p>

2、;　　2設計方案及工作原理………………………………………………………2</p><p>　　2.1 算法設計…………………………………………………………… 2</p><p>　　2.2 工作原理…………………………………………………………… 3</p><p>　　3組成電路設計及其原理…………………………………………………… 6</p><p

3、>　　3.1時基電路設計及其工作原理 ……………………………………… 6</p><p>　　3.2閘門電路設計 ……………………………………………………… 7</p><p>　　3.3控制電路設計 ……………………………………………………… 8</p><p>　　3.4小數點控制電路 …………………………………………………… 9</p>&

4、lt;p>　　3.5整體電路…………………………………………………………… 10</p><p>　　3.6 元件清單……………………………………………………………10</p><p>　　4設計總結……………………………………………………………………11</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………………… 11</p&g

5、t;<p>　　附錄1…………………………………………………………………………12</p><p>　　附錄2…………………………………………………………………………17</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　簡易數字頻率計是一種用四位十進制數字顯示被測信號頻率（1Hz—100KHz）的數字測量儀器.它

6、的基本功能是測量正弦波，方波，三角波信號，有四個檔位（×1，×10，×100，×1000），并能使用數碼管顯示被測信號數據，本課程設計講述了數字頻率計的工作原理以及其各個組成部分，記述了在整個設計過程中對各個部分的設計思路、對各部分電路設計方案的選擇、元器件的篩選、以及在設計過程中的分析，以確保設計出的頻率計成功測量被測信號。</p><p>　　關鍵詞：簡易數字頻率計

7、十進制 信號頻率 數碼管 工作原理 </p><p><b>　　技術要求及結構</b></p><p>　　本設計可以采用中、小規(guī)模集成芯片設計制作一個具有下列功能的數字頻率測量儀。</p><p><b>　　1.1技術要求</b></p><p>　?、?要求測量頻率范圍1Hz－100

8、KHz，量程分為4檔，即×1、×10、×100、×1000。</p><p>　?、?要求被測量信號可以是正弦波、三角波和方波。</p><p>　?、?要求測試結果用數碼管表示出來，顯示方式為4位十進制。</p><p><b>　　1.2 系統結構</b></p><p>

9、　　數字頻率計的整體結構要求如圖1-1所示。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進行處理、測量，檔位轉換用于選擇測試的項目------頻率、周期或脈寬，若測量頻率則進一步選擇檔位。</p><p>　　圖1-1 數字頻率計系統結構框圖</p><p>　　2 設計方案及工作原理</p><p><b>　　2.1 算法設計</b></

10、p><p>　　頻率是周期信號每秒鐘內所含的周期數值。可根據這一定義采用如圖2-1所示的算法。圖2-2是根據算法構建的方框圖。</p><p><b>　　被測信號</b></p><p>　　圖2-2 頻率測量算法對應的方框圖</p><p>　　在測試電路中設置一個閘門產生電路，用于產生脈沖寬度為1s的閘門信號。改閘門信

11、號控制閘門電路的導通與開斷。讓被測信號送入閘門電路，當1s閘門脈沖到來時閘門導通，被測信號通過閘門并到達后面的計數電路（計數電路用以計算被測輸入信號的周期數），當1s閘門結束時，閘門再次關閉，此時計數器記錄的周期個數為1s內被測信號的周期個數，即為被測信號的頻率。測量頻率的誤差與閘門信號的精度直接相關，因此，為保證在1s內被測信號的周期量誤差在10 ?³量級，則要求閘門信號的精度為10 ??量級。例如，當被測信號為1kHz

12、時，在1s的閘門脈沖期間計數器將計數1000次，由于閘門脈沖精度為10 ??，閘門信號的誤差不大于0.1s，固由此造成的計數誤差不會超過1，符合5*10 ?³的誤差要求。進一步分析可知，當被測信號頻率增高時，在閘門脈沖精度不變的情況下，計數器誤差的絕對值會增大，但是相對誤差仍在5*10 ?³范圍內。</p><p>　　但是這一算法在被測信號頻率很低時便呈現出嚴重的缺點，例如，當被測信號

13、為0.5Hz時其周期是2s，這時閘門脈沖仍未1s顯然是不行的，故應加寬閘門脈沖寬度。假設閘門脈沖寬度加至10s，則閘門導通期間可以計數5次，由于數值5是10s的計數結果，故在顯示之間必須將計數值除以10.</p><p><b>　　2.2 工作原理</b></p><p>　　輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數電路要求被測信號為矩形波，

14、所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。</p><p>　　頻率測量：測量頻率的原理框圖如圖2-3.測量頻率共有4個檔

15、位。被測信號經整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號有555定時器構成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經整形分頻后，產生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數器的時鐘信號，計數器即開始記錄時鐘的個數，這樣就達到了測量頻率的目的。</p><p>　　周期測量：測量周期的原理框圖2-4.測量周期的方法與測量頻率的方法相反，即將被測信號經整形、二分頻電

16、路后轉變?yōu)榉讲ㄐ盘枴７讲ㄐ盘栔械拿}沖寬度恰好為被測信號的1個周期。將方波的脈寬作為閘門導通的時間，在閘門導通的時間里，計數器記錄標準時基信號通過閘門的重復周期個數。計數器累計的結果可以換算出被測信號的周期。用時間Tx來表示：Tx=NTs式中：Tx為被測信號的周期；N為計數器脈沖計數值；Ts為時基信號周期。</p><p>　　時基電路：時基信號由555定時器、RC組容件構成多諧振蕩器，其兩個暫態(tài)時間分別為<

17、/p><p>　　T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC</p><p>　　重復周期為 T=T1+T2 。由于被測信號范圍為1Hz~1MHz，如果只采用一種閘門脈沖信號，則只能是10s脈沖寬度的閘門信號，若被測信號為較高頻率，計數電路的位數要很多，而且測量時間過長會給用戶帶來不便，所以可將頻率范圍設為幾檔： 1Hz~999Hz檔采用1s閘門脈寬；0.01kHz~9.99kHz檔

18、采用0.1s閘門脈寬；0.1kHz~99.9kHz檔采用0.01s閘門脈寬。多諧振蕩器經二級10分頻電路后，可提取因檔位變化所需的閘門時間1ms、0.1ms、0.01ms。閘門時間要求非常準確，它直接影響到測量精度，在要求高精度、高穩(wěn)定度的場合，通常用晶體振蕩器作為標準時基信號。在實驗中我們采用的就是前一種方案。在電路中引進電位器來調節(jié)振蕩器產生的頻率。使得能夠產生1kHz的信號。這對后面的測量精度起到決定性的作用。</p>

19、<p>　　計數顯示電路：在閘門電路導通的情況下，開始計數被測信號中有多少個上升沿。在計數的時候數碼管不顯示數字。當計數完成后，此時要使數碼管顯示計數完成后的數字。</p><p>　　控制電路：控制電路里面要產生計數清零信號和鎖存控制信號?？刂齐娐饭ぷ鞑ㄐ蔚氖疽鈭D如圖2-5.</p><p>　　3 組成電路設計及其工作原理</p><p>　　3.

20、1 時基電路設計及其工作原理</p><p>　　圖3-1 (a) 多諧振蕩器</p><p>　　如圖3-1(a)，由555定時器和外接元件R1、R2、C構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端 Ct 放電，使電路產生振蕩。電容C在和之間充電和放電，其波形如圖6－3 (b)所示。輸

21、出信號的時間參數是</p><p>　　T＝tw1＋tw2， tw1＝0.7(R1＋R2)C， tw2＝0.7R2C </p><p>　　555電路要求R1 與R2 均應大于或等于1KΩ ，但R1＋R2應小于或等于3.3MΩ。</p><p>　　外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能

22、力。</p><p>　　圖3-1(b) 時基電路與分頻電路</p><p>　　本設計由兩部分組成: </p><p>　　如圖3-1(b)所示，第一部分為555定時器組成的振蕩器(即脈沖產生電路),要求其產生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.43/((R1+2*R2)*C),因此,我們可以計算出各個參數通過計算確定了R1取430歐姆,R3取50

23、0歐姆,電容取1uF.這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在R1和R3之間接了一個10K的電位器便于在后面調節(jié)使得555能夠產生非常接近1KHz的頻率。第二部分為分頻電路,主要由4518組成（4518的管腳圖，功能表及波形圖詳見附錄），因為振蕩器產生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時基信號要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙BCD加計數器，由兩個相同的同步4級計數器構成，計數器級為D型觸發(fā)器，具有內部可交換CP

24、和EN線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數，在單個運算中，EN輸入保持高電平，且在CP上升沿進位，CR線為高電平時清零。計數器在脈動模式可級聯，通過將Q³連接至下一計數器的EN輸入端可實現級聯，同時后者的CP輸入保持低電平。</p><p>　　如圖3-2所示，555產生的1kHz的信號經過三次分頻后得到3個頻率分別為100Hz、10Hz和1Hz的方波。</p><p>　　圖3-

25、2 時基電路與分頻電路波形圖</p><p>　　3.2 閘門電路設計</p><p>　　如圖3-3所示，通過74151數據選擇器來選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的CBA接撥盤開關來對選頻進行控制。當CBA輸入001時74151輸出的方波的頻率是1Hz；當CBA輸入010時74151輸出的方波的頻率是10Hz；當CBA輸入011時74151輸出的方波的頻率是1

26、00Hz；這里我們以輸出100Hz的信號為例。分析其通過4017后出現的波形圖（4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見附錄1）。4017是5位計數器，具有10個譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端，時鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制，INH為低電平時，計數器清零。100Hz的方波作為4017的CP端，如圖3-3，信號通過4017后，從Q1輸出的信號高電平的脈寬剛好為100Hz信號的一個周期，相當于

27、將原信號二分頻。也就是Q1的輸出信號高電平持續(xù)的時間為10ms，那么這個信號可以用來導通閘門和關閉閘門。</p><p><b>　　圖3-3 閘門電路</b></p><p>　　圖3-4 閘門電路波形 </p><p>　　3.3 控制電路設計</p><p>　　通過分析我們知道控制電路這部分是本實驗的最為關鍵和難

28、搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個小的模塊，通過控制選擇所要測量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時控制電路還要產生74160的清零信號，4511的鎖存信號.</p><p>　　控制電路,計數電路和譯碼顯示電路詳細的電路如圖3-5所示。當74153的CBA接001、010、011的時候電路實現的是測量被測信號頻率的功能。當74153的CBA接100的時候實現的是測量被測信號周期的功能。當74153的CBA接101

29、的時候實現的是測量被測信號脈寬的功能。圖3-6是測試被測信號頻率時的計數器CP信號波形、PT端輸入波形、CLR段清零信號波形、4511鎖存端波形圖。其中第一個波形是被測信號的波形圖、第二個是PT端輸入信號的波形圖、第三個是計數器的清零信號。第四個是鎖存信號。PT是高電平的時候計數器開始工作。CLR為低電平的時候，計數器清零。根據圖得知在計數之前對計數器進行了清零。根據4511（4511的管腳圖和功能表詳見附錄1）的功能表可以知道，當鎖存

30、信號為高電平的時候，4511不送數。如果不讓4511鎖存的話，那么計數器輸出的信號一直往數碼管里送。由于在計數，那么數碼管上面一直顯示數字，由于頻率大，那么會發(fā)現數字一直在閃動。那么通過鎖存信號可以實現計數的時候讓數碼管不顯示，計完數后，讓數碼管顯示計數器計到的數字的功能。根據圖可以看到，當PT到達下降沿的時候，此時45</p><p>　　3.4 小數點控制電路</p><p>　　在測

31、量頻率的時候，由于分4個檔位，那么在不同的檔的時候，小數點也要跟著顯示。如CBA接011測量頻率的時候，它所測信號頻率的范圍是0.100KHz～9.999KHz，那么在顯示的時候四個數碼管的第二個數碼管的小數點要顯示。CBA接010測量頻率的時候，它所測信號頻率的范圍是0.01KHz～9.99KHz，那么顯示的時候，最高位的數碼管的小數點也要顯示。對比一下兩個輸入的高低電平可以發(fā)現CA位不一樣，顯示的小數點就不一樣。我們可以想到可以通過

32、74153數據選擇器來實現小數點顯示的問題。具體的實現方法見圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 小數點控制電路</p><p>　　3.5 整體電路 整體電路圖見附錄2</p><p>　　3.6 元件清單 </p><p>　　在本設計中所用的各種元器件經統計如表3-1所示。</p><p>

33、　　表3-1 元器件清單</p><p><b>　　4 設計總結 </b></p><p>　　首先感謝王老師給我們創(chuàng)造這次機會進行課程設計，讓我們在為期一周的電子課程設計中懂得了更多，學到了更多。電子設計是我們必需要學會的技能，而熟練的使用protel等電路設計軟件是我們應該具備的基本技能，這次實習恰恰給我們提供了一個應用自己所學知識的機會。</p>

34、<p>　　在設計的過程中發(fā)現了本學期學過的數字電路的知識掌握的不牢。同時在設計的過程中，遇到了一些以前沒有見到過的元件，但是通過查找資料來學習這些元件的功能和使用。設計過程是一個考驗人耐心的過程，尤其是在使用protel畫原理圖時，更需要我們細心的去做每一步，而555定時器，74151,74153等引腳比較多，而且要根據原理使用，只有耐心做好每一步，才能順利的完成課程設計。</p><p>&l

35、t;b>　　參考文獻</b></p><p>　　1．何小艇，電子系統設計，浙江大學出版社，2001年6月</p><p>　　2．姚福安，電子電路設計與實踐，山東科學技術出版社，2001年10月</p><p>　　3．王澄非，電路與數字邏輯設計實踐，東南大學出版社，1999年10月</p><p>　　4．李銀華，電子線

36、路設計指導，北京航空航天大學出版社，2005年6月</p><p>　　5．康華光，電子技術基礎，高教出版社，2003</p><p>　　6.張豫滇 . 電子電路課程設計 . 第1版 . 南京：河海大學出版社，2005.8</p><p>　　7.謝自美 . 電子線路設計.實驗.測試 . 第2版 . 武昌：華中科技大學出版社，2000.7</p>&

37、lt;p><b>　　附錄1</b></p><p>　　CC 4518十進制同步加/減計數器</p><p><b>　　簡要說明</b></p><p>　　CC4518 為雙 BCD 加計數器，該器件由兩個相同的同步 4 級計數器組成。計數器級為 D 型觸發(fā)器。具有內部可交換 CP 和 EN 線，用于在時鐘上升

38、沿或下降沿加計數。在單個單元運算中，EN 輸入保持高電平，且在 CP 上升沿進位。CR 線為高電平時，計數器清零。計數器在脈動模式可級聯，通過將 Q3 連接至下一計數器的 EN 輸入端可實現級聯。同時后者的 CP輸入保持低電平。</p><p><b>　　4518 管腳圖</b></p><p>　　4518功能表及波形圖</p><p>　

39、　CC4017------十進制計數器/脈沖分配器</p><p><b>　　簡要說明：</b></p><p>　　CC4017 是 5 位 Johnson 計數器，具有 10 個譯碼輸出，CP，CR，INH 輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制，INH為低電平時，計數器在時鐘上升沿計數；反之計數功能無效。CR為

40、高電平時，計數器清零。Johnson 計數器提供了快速操作，2 輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出，防鎖選通，保證了正確的計數順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應時鐘周期內保持高電平。</p><p><b>　　4017管腳圖</b></p><p>　　4017功能表及波形圖</p><p>　　CC4511 4線－七段所存譯碼器/驅動器&l

41、t;/p><p><b>　　簡要說明</b></p><p>　　CC4511是 BCD－7 段所存譯碼驅動器，在同一單片結構上由 COS/MOS 邏輯器件和 n－p－n 雙極型晶體管構成。這些器件的組合，使 CC4511 具有低靜態(tài)耗散和高抗干擾及源電流高達 25mA 的性能。由此可直接驅動 LED 及其它器件。 LT 、BI 、LE 輸入端分別檢測顯示、亮度調節(jié)、存

42、儲或選通一BCD碼等功能。當使用外部多路轉換電路時，可多路轉換和顯示幾種不同的信號。</p><p><b>　　4511管腳圖</b></p><p><b>　　4511功能表</b></p><p><b>　　數碼管的管腳圖</b></p><p><b>

43、;　　數碼碼功能表</b></p><p>　　74160十進制同步計數器（異步清除）</p><p>　　160 的清除端是異步的。當清除端/MR 為低電平時，不管時鐘端CP 狀態(tài)如何，即可完成清除功能。160 的預置是同步的。當置入控制器/PE 為低電平時，在 CP 上升沿作用下，輸出端 Q0－Q3 與數據輸入端 P0－P3 一致。對于54/74160，當 CP 由低至高跳

44、變或跳變前，如果計數控制端 CEP、CET為高電平，則/PE 應避免由低至高電平的跳變，而 54/74LS160 無此種限制。160 的計數是同步的，靠 CP 同時加在四個觸發(fā)器上而實現的。當 CEP、CET 均為高電平時，在 CP 上升沿作用下 Q0－Q3 同時變化，從而消除了異步計數器中出現的計數尖峰。對于 54/74160，只有當CP 為高電平時，CEP、CET 才允許由高至低電平的跳變，而 54/74LS160的 CEP、CET

45、 跳變與 CP 無關。160 有超前進位功能。當計數溢出時，進位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為 Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯成 N 位同步計數器。對于 54/74LS160，在 CP 出現前，即使 CEP、CET、/MR 發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。</p><p>　　74160 管腳圖 74160 功能表<

46、;/p><p>　　說明：H－高電平 L－低電平 X－任意</p><p><b>　　7404 六反向器</b></p><p><b>　　邏輯圖</b></p><p>　　74132 四2輸入與非門（有施密特觸發(fā)器）</p><p><b>　　管腳圖：&