數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題: 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 姓 名: hcg 學(xué) 院: 工學(xué)院 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí): 12級(jí)（2）班 學(xué) 號(hào): 12100513 日 期 2014年06月1日 2014年06月30日 指導(dǎo)教師: 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 目  錄 1 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求3 1.1設(shè)計(jì)的要求與參數(shù)3 1.2設(shè)計(jì)的任務(wù)與時(shí)間安排32 摘要43.方案論證與選擇54.單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇 7 4.1 多諧振蕩器電路的設(shè)計(jì)7 4.2 分頻器電路的設(shè)計(jì)8 4.3 單穩(wěn)電路的設(shè)計(jì)  8 4.4放大

2、整形電路的設(shè)計(jì)  9 4.5閘門電路的設(shè)計(jì)  10 4.6 計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì)10  4.7 鎖存器電路的設(shè)計(jì)11 4.8 譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)125.系統(tǒng)電路總圖及原理146.主要元器件的選擇 147.經(jīng)驗(yàn)體會(huì)158.參考文獻(xiàn)16 設(shè)計(jì)題目：數(shù)字頻率計(jì)             作者：hcg      指導(dǎo)老師： 

3、0;        （ 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院    合肥    230036 ） 1.設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1.1設(shè)計(jì)的要求與參數(shù)數(shù)字頻率計(jì)是用來(lái)測(cè)量正弦信號(hào)，矩形信號(hào)等波形工作頻率的儀器，其測(cè)量結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示。要求采用中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字頻率測(cè)量?jī)x。其基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下： （1）被測(cè)信號(hào)的頻率范圍為1Hz10KHz，分為兩個(gè)頻段，即1999Hz, 110, KHz，用3位數(shù)碼管顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并用發(fā)光二極管表示單位

4、，如綠燈亮表示Hz, 紅燈亮表示KHz。 （2）具有自校和測(cè)量?jī)煞N功能，可用儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)脈沖校準(zhǔn)測(cè)量精度。 （3）具有超量程報(bào)警功能，在超出目前量程檔的測(cè)量范圍時(shí)，發(fā)出燈光信號(hào)報(bào)警。 （4）測(cè)量誤差小于5%。 （5）多諧振蕩器采用1M晶振電路，閘門用與門實(shí)現(xiàn)，顯示用共陽(yáng)極數(shù)碼管。 1.2 設(shè)計(jì)的任務(wù)與時(shí)間安排（1）理論設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫時(shí)間：4天。（2）電路圖的計(jì)算機(jī)繪圖，電路設(shè)計(jì)修改，電路焊接調(diào)試時(shí)間：5天。 （3）答辯時(shí)間：1天。 2. 摘要 頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器，是一種專門對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。其最基本的工作原理為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測(cè)

5、信號(hào)的頻率f=N/T。   頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：分頻電路、鎖存電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及放大整形電路。在一個(gè)測(cè)量周期過(guò)程中，被測(cè)周期信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過(guò)放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個(gè)輸入端。主門的另外一個(gè)輸入端為分頻電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開(kāi)啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過(guò)主門，從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來(lái)完成各種測(cè)量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)置。  在傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器中，示波器在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)測(cè)量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測(cè)量頻率并顯示被測(cè)信

6、號(hào)的頻譜，但測(cè)量速度較慢，無(wú)法實(shí)時(shí)快速的跟蹤捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化。正是由于頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化，因此，頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。  在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計(jì)被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測(cè)試中。頻率計(jì)能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過(guò)使用頻率計(jì)能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。 在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中，頻率計(jì)被用來(lái)對(duì)各種電子測(cè)量設(shè)備的本地振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn)。  在無(wú)線通訊測(cè)試中，頻率計(jì)既可以被用來(lái)對(duì)無(wú)線通訊基站的主時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，還可以被用來(lái)對(duì)無(wú)線電臺(tái)的跳頻信號(hào)和頻率調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分析。 3.方案論證與選擇 交流電信號(hào)或

7、脈沖信號(hào)的頻率是指單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電振動(dòng)的次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)。用數(shù)學(xué)模型可表示為：  f=N/t  式中f頻率。N電振動(dòng)次數(shù)或脈沖數(shù)。t產(chǎn)生N次電振動(dòng)或脈沖所需要的時(shí)間。  首先必須把各種被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的另一必備環(huán)節(jié)是分頻器對(duì)多諧振蕩器進(jìn)行分頻。所謂分頻，就是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。一般計(jì)數(shù)器則采用十位計(jì)數(shù)器，N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器也就是N分頻器，其N進(jìn)位信號(hào)也可作為N分頻信號(hào)。  如圖3.1.a所示為數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)原理總框圖

8、，被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)放大與整形電路傳入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，變成其所要求的信號(hào)，此時(shí)數(shù)字頻率計(jì)與被測(cè)信號(hào)的頻率相同，分頻電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，此時(shí)利用所獲得的基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門信號(hào)，當(dāng)1s信號(hào)傳入時(shí)，閘門開(kāi)通，被測(cè)量的脈沖信號(hào)通過(guò)閘門，其計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。根據(jù)公式得被測(cè)信號(hào)的頻率f=NHz。 矩形信號(hào)被測(cè)正弦波放大整形閘門計(jì)數(shù)器鎖存器分頻器（多級(jí)十進(jìn)制）單穩(wěn)1單穩(wěn)2譯碼顯示多諧振蕩器自檢Sc0.001s0.01s0.1s1s鎖存清零SASB 單穩(wěn)觸發(fā)器電路的一個(gè)重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時(shí)基信號(hào)輸入，使計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)

9、字停留一段時(shí)間，以便觀測(cè)和讀取數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，控制電路的任務(wù)就是打開(kāi)主控門計(jì)數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然后清零，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行。 控制電路如圖所示： 4.單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇 4.1 多諧振蕩器電路的設(shè)計(jì) （1）石英晶體振蕩器原理 若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得

10、多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。 (2)石英晶體振蕩器的電路圖4.2 分頻器電路的設(shè)計(jì) （1）由于石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，需要得到秒脈沖，就需要分頻電路。采用1MHz的晶振電路，故用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160進(jìn)行6次十分頻而獲得1Hz的方波信號(hào)作為秒脈沖信號(hào)。 （2）分頻器電路圖:4.3 單穩(wěn)電路的設(shè)計(jì) (1）單穩(wěn)觸發(fā)器電路的一個(gè)重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時(shí)基信號(hào)輸入，使計(jì)數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時(shí)間，以便觀測(cè)和讀取數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，控制電路的任務(wù)就是打開(kāi)主控門計(jì)數(shù)，關(guān)上主控門顯示，然

11、后清零，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行。故可采用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121的外部連接方法。 （2）單穩(wěn)觸發(fā)器的電路圖： 4.4放大整形電路的設(shè)計(jì) （1）放大整形電路由晶體管9014和74LS00等組成。其中9014組成放大器將輸入頻率為f的周期信號(hào)如正弦波三角波等進(jìn)行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對(duì)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。 由于輸入的信號(hào)幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過(guò)大可能燒毀器件，過(guò)小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的波形進(jìn)行阻抗變換，放大限幅和整形。（2）放大整形電路：4.5閘門電路的設(shè)計(jì) （1）閘

12、門電路由與門組成，該電路有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，輸入端的一端接門控信號(hào)，另一端接整形后的被測(cè)方波信號(hào)。閘門是否開(kāi)通受門控信號(hào)的控制，當(dāng)門控信號(hào)為高電平時(shí)，閘門開(kāi)啟，而門控信號(hào)為低電平時(shí)，閘門關(guān)閉。 顯然，只有在閘門開(kāi)啟的時(shí)間內(nèi)，被測(cè)信號(hào)才能通過(guò)閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間就是閘門開(kāi)啟時(shí)間?？梢?jiàn)，門控信號(hào)的寬度一定時(shí)，閘門的輸出值正比于被測(cè)信號(hào)的頻率，計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)再把閘門的輸出結(jié)果顯示出來(lái)，就可以得到被測(cè)信號(hào)的頻率。（2)閘門電路： 4.6 計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì) (1)為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。其特點(diǎn)是計(jì)數(shù)脈沖作為時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)接于各位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端，在每次時(shí)鐘脈沖沿到

13、來(lái)之前，根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖沿到來(lái)時(shí)，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。  由于頻率計(jì)的測(cè)量范圍110KHz，因此采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160，它不僅可用于對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，還可用于分頻；此電路則需分頻，N位進(jìn)制計(jì)數(shù)器就是N分頻器。  被測(cè)信號(hào)由閘門開(kāi)通送入計(jì)數(shù)器，記錄所測(cè)信號(hào)頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測(cè)得頻率值；待閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進(jìn)行下次循環(huán)，計(jì)數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計(jì)完成一次測(cè)量。 被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路變成方波，加到門控電路產(chǎn)生閘門信號(hào)

14、，在此期間內(nèi)，周期為ST的標(biāo)準(zhǔn)脈沖通過(guò)閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。頻率計(jì)測(cè)周期的基本原理正好與測(cè)頻相反，即被測(cè)信號(hào)用來(lái)控制閘門電路的開(kāi)通與關(guān)閉，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖。 由于用3位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，故用3個(gè)74160即可。（2）計(jì)數(shù)器電路圖：4.7 鎖存器電路的設(shè)計(jì) （1）鎖存器是構(gòu)成各種時(shí)序電路的存儲(chǔ)單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。在確定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的技術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過(guò)觸發(fā)脈沖控制，將測(cè)量的數(shù)據(jù)寄存起來(lái)，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采

15、用一般的8位并行輸入寄存器。  此電路采用74LS273鎖存器，其作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)鎖記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。當(dāng)1s計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，通過(guò)邏輯電路產(chǎn)生信號(hào)送入鎖存器，將此時(shí)計(jì)數(shù)的值送入譯碼顯示器。選用兩個(gè)8位鎖存器74LS273可以完成上計(jì)數(shù)功能。當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的正跳變來(lái)到時(shí)，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計(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D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來(lái)的狀態(tài)的Q不變。所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。（2）鎖存器電路： 4.8 譯碼顯示電路的設(shè)計(jì) （1）七段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器分

16、為BS201/202(共陰極)和BS211和212（共陽(yáng)極）兩種，本實(shí)驗(yàn)采用共陽(yáng)極的譯碼器，所謂共陽(yáng)極就是把發(fā)光二極管的陽(yáng)極都連到一起接地，與其搭配的譯碼器輸出低電平為有效。從鎖存器出來(lái)的信號(hào)是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后被鎖存在鎖存器中的信號(hào)，是二進(jìn)制的數(shù)，在顯示器上不能直接顯示，需要譯碼器將二進(jìn)制的數(shù)譯碼成為十進(jìn)制的數(shù)，然后才能在顯示器上讀出頻率。（2）譯碼顯示電路圖：5.系統(tǒng)電路總圖及原理（1）實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。  采用1MHz石英晶體振蕩器做成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。一般計(jì)數(shù)器則采用十位計(jì)數(shù)器，N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器也就是N

17、分頻器，其N進(jìn)位信號(hào)也可作為N分頻信號(hào)。被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)放大與整形電路傳入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，變成其所要求的信號(hào)，此時(shí)數(shù)字頻率計(jì)與被測(cè)信號(hào)的頻率相同，分頻電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，此時(shí)利用所獲得的基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)觸發(fā)控制電路，進(jìn)而得到一定寬度的閘門信號(hào)，當(dāng)1s信號(hào)傳入時(shí)，閘門開(kāi)通，被測(cè)量的脈沖信號(hào)通過(guò)閘門，其計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。根據(jù)公式得被測(cè)信號(hào)的頻率f=NHz。  綠燈亮表示Hz, 紅燈亮表示KHz。在超出目前量程檔的測(cè)量范圍時(shí)，發(fā)出燈光信號(hào)報(bào)警。（2）電路總圖：6主要元器件的選擇（1）石英晶體振蕩器一個(gè)（2）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160芯片9片，74121兩片，742

18、73兩片， 7447三片。（3）兩個(gè)反相器7404（4)若干電阻，電容，導(dǎo)線，開(kāi)關(guān)。（5）與非門3個(gè)，與門一個(gè)，三極管1個(gè)（6）3個(gè)BCD數(shù)碼管，2個(gè)LED燈（分別為紅綠），發(fā)光二極管1個(gè)。7經(jīng)驗(yàn)體會(huì) 經(jīng)過(guò)一周的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)，我對(duì)于數(shù)字頻率計(jì)的組成與功用有了了解與掌握，并且對(duì)于數(shù)字頻率計(jì)的個(gè)部分電路有了各設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了論證與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)頻率計(jì)的電路過(guò)程中對(duì)于邏輯控制電路有了更深一步的認(rèn)識(shí)，了解并掌握了各種芯片的功能與連接，并且對(duì)于譯碼顯示器、計(jì)數(shù)器與鎖存器的工作有了認(rèn)識(shí)與了解。 對(duì)于被測(cè)信號(hào)的處理也比從前的理論掌握的更加準(zhǔn)確；在這一周的設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)了自己許多的不足，在設(shè)計(jì)中遇到了一些困難，設(shè)計(jì)的電路經(jīng)過(guò)測(cè)試并不能達(dá)到要求的功能，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗又重新查找資料進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改。通過(guò)設(shè)計(jì)也達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，了解掌握了數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)并應(yīng)用于實(shí)踐。培養(yǎng)了自己獨(dú)立完成課題的能力與動(dòng)手能力，并加強(qiáng)了對(duì)待事物嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。  8參考文獻(xiàn)1