數(shù)字頻率計的設(shè)計

1、數(shù)字頻率計的設(shè)計摘要:本論文是一種直接用十進(jìn)制數(shù)字來顯示被測信號頻率的測量裝置。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波的頻率，而且還可以測量其它各種單位時間內(nèi)變化的物理量的頻率。該頻率計是首先將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率。時鐘電路提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進(jìn)行控制，當(dāng)閘門信號為高電平時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門送入計數(shù)顯示電路進(jìn)行顯示；當(dāng)閘門信號為低電平時，閘門關(guān)斷，計數(shù)器沒有時鐘脈沖輸出，計數(shù)器停止計數(shù)。關(guān)鍵詞:頻率 顯示 閘門 秒信號引言隨著無線電技術(shù)的發(fā)展與普及，“頻率”已成為廣大群眾所熟悉的物理量。調(diào)節(jié)收音機(jī)上的頻率刻度盤可以使我們選聽到自己所喜

2、歡的電臺節(jié)目；調(diào)節(jié)電視機(jī)上的微調(diào)旋鈕可使電視機(jī)對準(zhǔn)電視臺的廣播頻率，獲得圖像清晰的收看效果，這些已成為人們的生活常識。人們在日常生活、工作中更離不開計時。學(xué)校何時上、下課？工廠幾時上、下班等這些都涉及到計時。頻率、時間的應(yīng)用，在當(dāng)代高科技中顯得尤為重要。例如，郵電通訊，大地測量，地震預(yù)報等等，都與頻率、時間密切相關(guān)，只是其精密度和準(zhǔn)確度比人們?nèi)粘Ｉ钪械囊蟾叩枚嗔T了。 本次設(shè)計主要采用計數(shù)法制成一個測量范圍在09999hz的頻率計。該頻率計閘門信號的采樣時間為1s，并采用4位數(shù)碼管顯示。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波的頻率，而且還可以測量其它各種單位時間內(nèi)變化的物理量的頻率。一、數(shù)字頻率

3、計的組成數(shù)字頻率計電路主要由串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、整形電路、10分頻電路、時鐘電路、閘門形成及控制電路、計數(shù)顯示電路等組成。電路組成框圖1-1如下: 待測信號 整形電路 10分頻電路 閘門形成及控制電路 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源 時鐘電路 計數(shù)顯示電路 電路組成框圖1-1二、設(shè)計所用集成電路簡介1.集成電路ne555概述ne555是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，它常應(yīng)用于信號的產(chǎn)生與變化、電路的檢測與控制。芯片采用雙列直插式封裝，有八個管腳。ne555引腳圖2-1和功能如下 圖2-1引出端功能符號：: 置位控置制端，也稱電平觸發(fā)端: 復(fù)位端，低電平有效q: 電路的輸出端co: 電壓控制端th: 復(fù)位

4、控制端dis: 放電端vcc: 電源端gnd: 接地腳2.集成電路cd4518概述 集成電路cd4518是一個雙bcd碼加法計數(shù)器。它有兩個時鐘輸入端cp和en，若使用時鐘上升沿觸發(fā)，信號就從cp端輸入，同時en端應(yīng)接高電平1，若使用時鐘下降沿觸發(fā)，信號就從en端輸入，此時的cp端應(yīng)該為低電平0，而且復(fù)位端mr也要保持低電平0，只有滿足了這些條件，電路才會處于計數(shù)狀態(tài)，否則計數(shù)器沒辦法工作。cd4518引腳圖22和功能如下：圖22引出端功能符號：cp： 時鐘輸入端 mr： 消除端 en： 計數(shù)允許控制端1q0-1q3;2q0-2q3：計數(shù)輸出端 gnd：接地端 vcc：電源端3.集成電路cd4

5、060概述集成電路cd4060 采用16腳dip封裝，是由一個振蕩器和 14 級二進(jìn)制串行計數(shù)器位組成。振蕩器的結(jié)構(gòu)可為晶體振蕩電路或rc振蕩電路。它將晶體振蕩器的振蕩頻率32768hz信號分頻為2hz的時鐘信號，送到cd4017,作為它的時鐘輸入信號，用來產(chǎn)生1s寬的閘門信號。復(fù)位端mr 為高電平時，計數(shù)器清0而且振蕩器工作停止。所有的計數(shù)器都為主-從觸發(fā)器，在的下降沿，計數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對時鐘的上升和下降時間無限制。cd4060的管腳圖2-3和功能如下: 圖2-3引出端功能符號：mr： 復(fù)位端：時鐘輸入端 cout：時鐘輸出端：反向時鐘輸出端q4-q10

6、,q12-q14：計數(shù)器輸出端vcc： 正電源端 gnd： 接地端4.集成電路cd4017概述集成電路cd4017是十進(jìn)制計數(shù)/時序譯碼器，又稱十進(jìn)制計數(shù)脈沖分頻器，它結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，性能穩(wěn)定，工藝成熟，使用方便。cd4017的基本功能是對cp端輸入脈沖的個數(shù)進(jìn)行十進(jìn)制計數(shù)，并按照輸入脈沖的個數(shù)順序?qū)⒚}沖分配在 y0y9 這10個輸出端。 整個輸出時序就是y0y9依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平(一般為低電平),寬度等于時鐘周期。cd4017共有三個輸入端cp、mr、en 和10 個譯碼輸出端（y0y9）。mr為復(fù)位清0端，當(dāng)在mr端輸入高電平或正脈沖時，計數(shù)器清0，所有輸出中只有對應(yīng)“0”狀態(tài)

7、時y0端輸出高電平，其余輸出端(y1y9)均為低電平；時鐘輸入端cp有一個施密特觸發(fā)器它具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升時間和下降時間無限制 ,用于上升沿計數(shù)；en為計數(shù)有效端，用于下降沿計數(shù)，彼此間有互鎖關(guān)系，若利用cp計數(shù)時，en端應(yīng)接地（低電平），而要利用en端計數(shù)時，cp端應(yīng)接高電平，反之則形成互鎖；co為進(jìn)位端，cd4017每輸入10個脈沖，就可得到一個進(jìn)位脈沖，所以co也可以作為下一級計數(shù)器的時鐘信號。cd4017管腳圖2-4和功能如下：圖2-4引出端功能符號：co: 進(jìn)位端cp : 時鐘輸入端 y0y9:譯碼輸出端 mr : 復(fù)位清0端 en : 計數(shù)有效端vcc: 正電源

8、gnd: 接地端5.集成電路cd40110概述集成電路cd40110是可逆計數(shù)譯碼顯示電路，它是集計數(shù)、譯碼、鎖存、驅(qū)動為一體的四合一電路，它既可以作加法計數(shù)，又可以作減法計數(shù)。由于電路內(nèi)部有一個時鐘信號預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個時鐘輸入端計數(shù)工作時，另一個時鐘輸入端可以是任意狀態(tài)；mr為清零端，為高電平時計數(shù)器清零；qco為進(jìn)位脈沖輸出端，作加法計數(shù)時，每當(dāng)計數(shù)滿10后，輸出一個進(jìn)位脈沖；qbo為借位脈沖輸出端，作減法計數(shù)時，每當(dāng)計數(shù)滿10后輸出一個借位脈沖，他們一般為高電平；為觸發(fā)器控制端，0時計數(shù)器工作，1時計數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)不計數(shù)；le為鎖存控制端，當(dāng)le=0時正常顯示，當(dāng)le=1時顯示數(shù)

9、被鎖定。cd40110的引腳圖2-5和功能如下： 圖2-5引出端功能符號：ag: 數(shù)碼筆段輸出端le: 鎖存控制端mr: 清零端: 觸發(fā)器控制端cpu: 加計數(shù)時鐘輸入端cpd: 減計數(shù)時鐘輸入端qco: 進(jìn)位脈沖輸出端qbo: 借位脈沖輸出端vcc: 正電源端gnd: 接地端三、單元電路分析1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源它可以將220v的直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，給整個電路提供了6v直流穩(wěn)壓電源。該電路由變壓器（起降壓作用）、整流、濾波、穩(wěn)壓幾個部分組成。當(dāng)輸入電壓上升，輸出電壓隨著上升，取樣電路中的元件分得的電壓就上升，vt3的基極電壓也上升，集電極電壓就會下降，導(dǎo)致vt2的基極電壓下降，vt1的基極

10、電壓也隨著下降，而vt1的集射極電壓升高，使輸出電壓又恢復(fù)到+6v。相反，當(dāng)輸入電壓下降，輸出電壓隨著下降，r3、r4、rp1分得的電壓下降，vt3的基極電壓下降，集電極電壓就會上升，vt2的基極電壓隨著上升，vt1的基極電壓也上升，使輸出電壓又恢復(fù)到+6v。電路圖3-1如下： 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源3-12.整形電路整形電路是將待測信號如正弦波、三角波或其它呈周期性變化的波形，整形變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，其周期不變。施密特觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一,它可以把變化緩慢的脈沖波形變換成為數(shù)字電路所需要的矩形脈沖。 本設(shè)計由ne555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖3-2a所示，將高觸發(fā)端th和低觸發(fā)端t

11、連接在一起作為信號輸入端ui。設(shè)待測信號為三角波，輸入整形電路后輸出為脈沖波形，二者頻率相同，波形如圖3-2b所示。當(dāng)輸入信號ui 1/3vcc時,uo輸出為高電平；若ui增加,使得1/3vccui2/3vcc時,電路維持原態(tài)不變,輸出uo仍為高電平；如果輸入信號增加到ui2/3vcc時，uo從高電平翻轉(zhuǎn)成低電平；當(dāng)輸入信號ui 2/3vcc時，電路維持原態(tài)不變，輸出uo仍為低電平； ui繼續(xù)降低到ui 1/ 3vcc時，uo又從低電平翻轉(zhuǎn)成高電平。輸出電壓uo是一個矩形波。由圖3-2b可以看出，回差電壓=2/3vcc-1/3vcc=1/3vcc。 3-2a圖3-2b3.10分頻電路 分頻電路

12、的作用是對輸入的脈沖信號進(jìn)行分頻，取得不同量程所需要的時間基準(zhǔn)信號，實現(xiàn)量程控制。cd4518為雙十分頻器，可對輸入信號進(jìn)行10、100分頻，擴(kuò)大測量范圍。測量范圍可通過s1、s2、s3調(diào)整，s1閉合，電路未經(jīng)分頻電路，測量范圍為099hz；s2閉合，電路為10分頻，測量范圍為0999hz；s3閉合，電路為100分頻，測量范圍為09999hz (s1s3不能同時閉合)。4.時鐘電路實現(xiàn)頻率測量必備環(huán)節(jié)為時鐘電路，它用來產(chǎn)生控制計數(shù)器計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時間信號即閘門信號，閘門脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的方波信號，再經(jīng)分頻器分頻得到的，它的精度決定了頻率計的頻率測量精度。在此頻率計中，時鐘電路由晶體振蕩

13、器和cd4060等元件組成。晶體振蕩器jt的振蕩頻率為32768hz，頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)，是專為數(shù)字時鐘電路設(shè)計的。而cd4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，它還包含振蕩電路所需的非門，使用很方便。cd4060為14級二進(jìn)制計數(shù)器，它可以將32768hz的信號分頻為2hz的信號，而且它的兩個時鐘輸出端直接和內(nèi)部的非門串接，可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。vd5為發(fā)光二極管，時鐘電路正常工作時，發(fā)光二極管以2hz的頻率閃爍。5.閘門形成及控制電路閘門電路的作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖。時鐘電路產(chǎn)生的2hz時鐘信號送到cd4017（十進(jìn)計數(shù)器），作為它的時鐘輸入信號 ，用來產(chǎn)生1

14、s寬的閘門信號，并在每一個測量周期內(nèi)產(chǎn)生一個計數(shù)器清0信號。1s寬的閘門信號控制cd40110接受計數(shù)脈沖的周期，cd40110在1s內(nèi)接受了多少個計數(shù)脈沖，直接譯碼顯示出計數(shù)脈沖數(shù)，而閘門控制時間為1s，所以，數(shù)碼管顯示的就是我們要求的被測信號的頻率。6計數(shù)顯示電路 在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿，在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字，電路里產(chǎn)生計數(shù)清0信號和鎖存控制信號。這些都由集計數(shù)、譯碼、鎖存、驅(qū)動為一體的四合一電路cd40110來完成。它不僅可作加法計數(shù)，還可以作減法計數(shù)，不僅如此，它還有計數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼

15、輸出等功能。所以，它將計數(shù)器輸出的二進(jìn)制代碼翻譯成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)并顯示出來。顯示部分的led采用共陰極七段數(shù)碼顯示器。四整體電路分析數(shù)字頻率計實際上是一個脈沖計數(shù)器，即在單位時間里計數(shù)的脈沖個數(shù)，如圖4-1計數(shù)時序波形圖所示: 為閘門脈沖，假設(shè)閘門時間為1s,計數(shù)數(shù)值為n個脈沖，則被測信號的脈沖頻率為：f=nhz 圖4-1工作原理： 被測信號ui首先經(jīng)過整形電路，轉(zhuǎn)變成計數(shù)器所需要的脈沖信號如圖4-1中，它的周期等于被測信號的周期，然后送給cd4518進(jìn)行分頻來擴(kuò)大量程。s1閉合最大測量范圍為099，s2閉合最大測量范圍為0999，s3閉合最大測量范圍為09999。時鐘電路提供準(zhǔn)確的時間脈沖信

16、號如圖4-1中，它是由晶體振蕩器jt產(chǎn)生的32768hz的信號，經(jīng)過14級二進(jìn)制計數(shù)器分頻得到的。它用來控制計數(shù)和保持狀態(tài)。當(dāng)脈沖信號為高電平時，計數(shù)器為計數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時，計數(shù)器保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)就被送到顯示器進(jìn)行顯示，然后對計數(shù)器清0，準(zhǔn)備下一次計數(shù)。脈沖信號為高電平持續(xù)1秒鐘，計數(shù)器統(tǒng)計的脈沖數(shù)n如圖4-1中就是被測信號的頻率，即f=nhz。 脈沖信號為高電平持續(xù)的時間，我們稱為閘門時間，閘門時間可以大于或者小于1s。閘門時間越長，測得的頻率值越準(zhǔn)確，但是每測一次頻率的間隔就越長，閘門時間越短測的頻率值就越快，但得到的頻率精度會受到影響。電路原理圖4-2如下所示：電路原理圖4-2五.調(diào)

17、試方法和要求1.主要性能指標(biāo)(1)穩(wěn)壓電源輸出電壓為（60.2）v(2) 施密特觸發(fā)器正常工作時，在cd4518的1腳可以測到方波輸入信號。(3)時鐘電路正常工作時，通過cd40110產(chǎn)生正確的控制信號。2.調(diào)試方法 (1)接通電源,調(diào)節(jié)電位器rp1,使直流穩(wěn)壓電源輸出電壓(60.2)v同時測各集成電路電源插腳的電源電壓是否正常。(2)接通電源，檢查整形電路是否正常工作，如果電路正常工作，則應(yīng)該在ne555的3腳輸出接近方波信號。(3)斷電后插上集成電路，再接通電源。如果時鐘電路正常，那么發(fā)光二極管vd5就會以2hz的頻率閃爍，在vt6的集電極會產(chǎn)生1s的低電平閘門信號。(4)合上撥碼開關(guān)s1

18、s3中的任意一個（不可以同時合上兩個或三個），計數(shù)器將以1s為周期重復(fù)測量并顯示被測信號的頻率（開關(guān)在不同位置時，顯示結(jié)果就不同），顯示結(jié)果如下表。頻率測量記錄 單位：hz撥碼開關(guān)位置s1s2s3測量頻率099099909999六元件清單 1.元器件明細(xì)表6-1如下：代號名稱規(guī)格代號名稱規(guī)格r1碳膜電阻器4.7 vd3二極管in5397r2碳膜電阻器3kvd4二極管in5397r3碳膜電阻器1.5kvd5發(fā)光二極管led紅色r4碳膜電阻器3.9kvd二極管in4001r5碳膜電阻器2mvd5發(fā)光二極管led紅色r6碳膜電阻器120kvd6二極管in4148r7碳膜電阻器100vd7二極管in4148續(xù)表代號名稱規(guī)格