简易数字频率计电路设计

I简易数字频率计电路设计电子与信息工程数字电子课程设计IIII摘要请对内容进行简短的陈述，一般不超过300字关键字：周期；频率；数码管，锁存器，计数器，中规模电路，定时器在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。本章要求设计一个简易的数字频率计，测量给定信号的频率，并用十进制数字显示。数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、数码管、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。电子与信息工程数字电子课程设计IIIIII目录前言...................................................................................11.数字频率计的原理.......................................................................22.系统框图...............................................................................33.系统各功能单元电路设计.................................................................33.1时基电路设计..................................................................33.2放大整形电路.................................................................43.3逻辑控制电路..................................................................53.4锁存单元........................................................................63.5分频电路.......................................................................73.6显示器.........................................................................73.7报警电路........................................................................84.系统总电路图..........................................................................10结束语..........................................................................11参考文献........................................................................12电子与信息工程数字电子课程设计11前言数字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。电子与信息工程数字电子课程设计221.数字频率计的原理所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数．若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为fx=N/T。因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成，图1总体结构图从原理图可知，被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N/THz。可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲Ⅳ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。清零信号锁存信号ⅣⅤTNⅣⅤⅢⅡⅠ整形放大电路计数器锁存器译码器逻辑控制电路显示器时基电路闸门ⅠⅡⅢ电子与信息工程数字电子课程设计332.系统框图图2系统框图3.系统各功能单元电路设计3.1时基电路设计555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路RD1是置零输入端。只要在RD1端加上低电平，输出端Uo便被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作必须使RD1处于高电平。当U11UR1.U12UR2时，比较器C1的输出U1=0，比较器C2的输出UC2=1，SR锁存器被置0，TD导通，同时U0为低电平。当U11UR1，U12UR2时，UC2=1，U1=1,锁存器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。当U11UR1，U12UR2时，UC2=0，U1=1故锁存器被置1，U0为高电平，同时TD截止。当U11UR1，U12UR2时，UC2=0，U1=0,锁存器处于Q=Q1=1的状态，U0为高电平，同时TD截止。时基电路的作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。由个555定时器产生一个脉冲信号，将555定时器产生的脉冲信号送入逻辑控制电路，再由逻辑控制电路送入计数器电子与信息工程数字电子课程设计44本设计时基电路采用的是555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号的电路如图所示。C5R8R1012356748C455510uF0.1K0.086K图3时基电路电阻参数可以由振荡频率计算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)根据计算公式f=1.43/((R8+2R10)*C)，取C=1uF.已知f=1000HZ算得R8=0.86KR10=1K3.2放大整形电路放大整形电路可以采用晶体管3DGl00和74LS00，其中3DGl00组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。R1R2R3R4Q1D1123U1A564U1B8910U1C32U1AC1Vi47uFVcc5V10K10K10K40K图4放大整形电路图计算过程：Vce=0.5Vcc，已知Vcc=0.5V，得Vce=0.25VVce=Vcc-IcRe,IcQ=0.5A,IBQ=（Vcc-VBEQ）/Rb=0.025A放大倍数=IcQ/IBQ=200把信号Vi加到整形放大电路的输入端时，得到该级的输入电压U01=AU1（UP-UN），其中AU1是输入级的电压增益。U01传送到中间级进行电压放大，从而在该级的输出端产生U02=AU1AU2（UP-UN）.输出级输出电压。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，输入信号从低电平上升的过程中电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输入电压波形的边沿变得很陡。利用施密特触发器的回差特性将它整形成规则的电子与信息工程数字电子课程设计55矩形波。若负向阀值取为，则回差电压。整形后输出波形如图5所示。由于输入信号的干扰在输出中表现为2个矩形脉冲。若减小负向阀值取为，则回差电压。此时整形后输出波形如图5所示，消去了干扰。当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，出现输出电压变化滞后现象。①当Vi=0V时，即Vi12/3Vcc、Vi21/3Vcc,此时Vo=1。以后Vi逐渐上升,只要不高于阀值电压(2/3Vcc),输出Vo维持1不变。②当Vi上升至高于阀值电压（2/3Vcc）时，则Vi12/3Vcc、Vi21/3Vcc，此时定时器状态翻转为0，输出Vo=0，此后Vi继续上升，然后下降，只要不低于触发电位（1/3Vcc），输出维持0不变。③当Vi继续下降，一旦低于触发电位（1/3Vcc）后，Vi12/3Vcc、Vi21/3Vcc，定时器状态翻转为1，输出Vo=1。因为所选元器件的工作触发均由高低电平来实现，因此计频时需要对不同的波形来进行整形。该部分主要由一个555芯片来实现，在时基电路产生的脉冲信号输入到放大整形电路，产生的波形如图4，完成由正弦波和三角波到方波的整形，为了便于观察和调试，在本电路中引进了一个示波器来进行观察。实验中截图如下：图5整形波形3.3逻辑控制电路在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ，锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号。脉冲信号和清零信号两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。由74LS123的功能表可得当R=B=1的情况下，触发脉冲从A端输入，在触发脉冲的负跳变作用下输出端Q非可落得一正脉冲。前面时基电路产生的脉冲信号从B端输入在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q电子与信息工程数字电子课程设计66可获得一正脉冲,Q非端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足Ⅳ和V的要求。电路中的脉冲经由闸门进入下个单元工作。手动复位开关S按下时，计数器清“0”。R9Q1Q2C3R4A5B6Q1Q2C3R4A5B6C6R10R11C3123+5V5V10k10k10k74LS12374LS124图6逻辑控制电路3.4锁存单元锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，具有记忆功能。它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存器的作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值．闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ，将此时计数器的值送译码显示器。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。将计数器所得到的输出值输入到锁存器中，锁