频率计设计.docx
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频率计设计
目录
1选题背景1
1.1指导思想1
1.2方案论证1
1.2.1利用555和单稳态产生控制信号1
1.2.2利用74HC160组成顺序脉冲发生器来产生控制信号3
1.3基本设计任务4
1.4发挥设计任务4
1.5电路特点4
2电路设计4
2.1总体方框图4
2.2工作原理5
2.3基本电路设计5
2.3.1放大整形电路5
2.3.2标准频率源和控制门6
2.3.3计数电路7
2.3.4溢出显示与超量程换挡电路7
3各主要部件及工作原理9
3.1CD4060分频器介绍9
3.2NE5532简要说明10
3.3数选器74HC151简要介绍11
3.4锁存器74HC573介绍11
4原理总图13
5元器件清单14
6调试过程及仿真结果15
6.1通电前检查15
6.2通电检查15
6.2.1后级计数器模块检查15
6.2.2晶体振荡模块检查15
6.2.3放大整形电路模块检查15
6.3结果分析15
7小结16
8设计体会及今后的改进意见16
8.1体会16
8.2本方案存在的问题及改进意见16
参考文献17
正文
1选题背景
本课题的频率计能够测量正弦波信号的频率，在峰值为0.1V的情况下测试，其测量范围为1-9999Hz,精度达1Hz,测量结果由四个数码管显示。
1.1指导思想
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为计数所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间，当T为1时，f就等于N。
1.2方案论证
对于0.1V的正弦波幅度太小，且正弦波不能直接用计数器计数，必须先将正弦波放大整形成方波，然后在给定1S时间里，让计数器对输入的方波信号进行计数，所计的数就是信号频率。
为保证1S时间的控制信号，需要在电路中设计一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1S的闸门信号。
当1S脉冲来到闸门时，闸门导通，被测信号通过闸门到达后面的计数器电路，计数电路用以计算被测输入信号的周期数，当1S结束后，闸门关闭，此时记录的周期数即为被测信号的频率，然后由锁存器将计数结果锁存下来。
在下一个1S来之前，先将计数器清零，以防止计数重叠。
因此电路就需要产生三个状态信号：
清零、计数、锁存。
产生三个控制状态的的设计方案有两种：
1.2.1利用555和单稳态产生控制信号
采用此设计方案时，需要使555产生一个周期大于1S的方波脉冲，在此可以使555产生一个周期为1.25S的方波脉冲。
周期脉冲的高电平设定为1S（闸门控制信号），在这1S内，被测脉冲由计数器进行计数；低电平设定为0.25S（用于锁存和清零），在1S结束时会有一个下降沿，此时两个单稳态触发器工作，一个是产生锁存信号，另一个则产生清零信号，且是先锁存再清零。
信号频率就会被固定在数码管上显示出来。
控制信号时序图如下：
图1-2由555和74HC123组成的控制电路
虽然用单稳态可以产生所需的控制信号，但是当计数完毕后，锁存信号和清零信号存在竞争现象，中途可能会出现计数到一定的数时回突然变成零的的现象，然后又从零开始计数，这样的话就不清楚哪个是真正的频率值，所以这种情况是不希望出现的，这种方案不可取。
1.2.2利用74HC160组成顺序脉冲发生器来产生控制信号
74HC160是十进制的计数器，会产生0-9这十个数，如果中间1-8设定为1S的话，就可以作为闸门控制信号，而将第一个数0设定为清零信号，最后一个数9设定为锁存信号。
经分析可得，74HC160输入脉冲的频率应为8Hz，可用高精度的石英晶体振荡器来产生8Hz脉冲信号。
具体电路图如下：
图1-3由74HC160组成的控制信号产生电路
上述电路图中，计数器74HC160（U2）脉冲输入端为8Hz方波，首先输出为0000，此时清零信号为低电平，将后面计数器清零；然后输出0001-1000，闸门控制信号产生1S脉冲，后面计数器对输入信号进行计数测频；当输出为1001时，锁存信号变为低电平，将输入信号的频率值固定在数码管上。
这样可实现直接将输入信号的频率值显示在数码管上，而不必在数码管上显示计数过程。
控制信号时序图如下：
图1-4控制信号产生图
综合考虑，方案二是最佳选择。
1.3基本设计任务
设计电路包括放大整形电路、闸门控制电路、清零锁存控制电路、计数显示电路、溢出显示电路。
1.4发挥设计任务
发挥部分为超量程换挡电路。
1.5电路特点
电路特点为此频率计既可以测正弦波小信号的频率，又可以测5V左右方波信号的频率，而且放大电路的输入信号可以为其它波形。
当频率大于10000Hz时，在要求不太高的场合下，可以换挡只让其高位显示。
2电路设计
2.1总体方框图
此频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种装置。
其工作原理框图如下：
图2-1总体方框图
电源部分：
为放大整形电路提供正负4.5伏电压，为频率计其它部分提供正5伏电压。
标准频率源部分：
由一个32768Hz晶体振荡器、14级二进制分频器CD4060和十进制计数器74HC160组成。
控制门：
由两入与非门74HC00、两入与门74HC08和四入或门74HC4072组成。
溢出显示电路：
由四入与门74HC21组成，外接一蜂鸣器即可。
超量程换挡电路：
由74HC160和数选器74HC151组成。
2.2工作原理
原理：
输入信号为正弦波，经放大器放大整形后变成序列脉冲送到控制电路，它和标准的脉冲信号共同控制控制电路的工作。
标准的脉冲控制信号（时间为1S高电平）由计数器74HC160产生，只有被测信号与标准脉冲信号共同为高电平时控制门才工作，即与非门才能输出高电平，计数器才能对信号进行计数，一直到两信号回到低电平。
此时锁存信号有效，数码管读数就是被测信号的频率。
当下次标准控制脉冲来时，前级计数器先产生一个清零信号将后级计数器的输出端清零，以防计数重叠，然后再次计数。
当被测信号的频率大于9999Hz时，计数器就会产生溢出信号，当有溢出信号时可手动换量程，考虑到换程后精度会下降，所以此处就用了一个换挡开关，只需将显示的数字再乘以10即可。
2.3基本电路设计
2.3.1放大整形电路
放大整形电路只需两个放大器即可。
它将正弦波放大整形成方波，放大器由反向比例放大器组成，整形电路由另一个放大器构成的过零比较器组成。
整形后的方波送到控制门以便计数。
电路原理图如下：
图2-3-1放大整形电路
2.3.2标准频率源和控制门
石英晶体振荡器的振荡频率为32768Hz，经过14级二进制分频器CD4060后最小可输出2Hz的方波信号，而4060的1引脚就可输出8Hz的方波。
此8Hz的方波经过74HC160计数器的分频后，通过逻辑门电路可分别产生清零、计数、锁存这三种控制信号。
其中清零信号时间为0.125s，计数时间为1s,锁存时间为0.125s。
电路图如下：
图2-3-2标准频率源和控制电路
2.3.3计数电路
图2-3-3计数电路
2.3.4溢出显示与超量程换挡电路
当被测信号的频率超过9999Hz时，四个计数器的进位输出端会出现同时为高电平的情况，利用此特点，将进位端同时接入一个四入的与门，与门接一蜂鸣器，就可组成超量程显示电路。
当信号频率大于9999Hz时，蜂鸣器就会鸣叫。
此时可手动换挡，换挡后的数码管数值再乘10就为被测信号的频率，但此换挡后精度下降，所以就只用了一个十倍频档位。
电路分别如下：
图2-3-4
（1）溢出显示电路
图2-3-4
（2）超量程换挡电路
3各主要部件及工作原理
3.1CD4060分频器介绍
CD4060由一振荡器和十四级二进制串行计数器组成，震荡器的结构可以是RC或晶振电路。
CR为高电平时，计数器清零且震荡器使用无效，所有的计数器位均为主从式触发器。
在CP1（CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。
CD4060的外围引脚图如下：
图3-1
（1）cd4060外围引脚
引出端符号意义：
CP1时钟输入端
CP0时钟输出端
CP0反向时钟输出端
Q4-Q10,Q12-Q14计数器输出端
Q14第14级计数器反向输出端
VDD正电源
VSS地
功能表：
图3-1
（2）功能表
3.2NE5532简要说明
NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器，相比较大多数标准运算放大器，如TL082，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。
这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路以及电话通道放大器。
其引脚图为：
图3-2NE5532的外围引脚
3.3数选器74HC151简要介绍
74hc151是8选1数据选择器，其输出满足方程式：
利用数据选择器的“使能端”可实现数据的扩展。
外围引脚：
图3-3
（1）74HC151引脚
74HC151的功能表如下：
图3-3
（2）74HC151功能表
3.4锁存器74HC573介绍
74HC573是八进制三态非反转透明锁存器，是高性能硅门CMOS器件。
当锁存使能端为高电平时，输入与输出同步；当锁存使能端为低电平时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
其输出能直接接到CMOS、TTL接口上，操作电压范围为2.0V-6.0V。
管脚安排：
图3-4
（1）74HC573外围引脚
图3-4
（2）74HC573功能表
4原理总图
图4频率计整机原理图
5元器件清单
表5元器件清单
名称
参数
数量
电阻（陶瓷电阻）
1K
35
20K
1
22M
1
300Ω
1
电容（瓷片电容）
30pF
1
20pF
1
石英晶振
32768Hz
1
蜂鸣器
1
NE5532
2
74HC160
6
74HC573
2
CD4511
4
74HC151
1
74HC4072
1
CD4060
1
74HC00
1
74LS04
1
74HC21
1
电路板
五连孔15cmX15cm
1
导线
若干
焊锡
若干
6调试过程及仿真结果
6.1通电前检查
首先将产生8Hz的晶体振荡电路和放大整形电路与后级电路断开，让后级与晶体振荡电路共地，而放大整形电路单独接地。
理论上这些模块是可以共地的，但由于不同级间会产生影响，所以实际中并不是一起接地的。
然后检查后级电路连线是否正确，连线无误后再做后续工作。
6.2通电检查
6.2.1后级计数器模块检查
将后级计数器的清零端先通过一电阻接高电平，锁存器的锁存端也通过一电阻接高电平。
在低位计数器的脉冲输入端接入1Hz方波脉冲，检查数码管是否正常计数。
若正常计数，则将计数器的清零端和锁存器的锁存端接到它们原来在的接线上；若不正常计数应遵循由后向前的原则进行排查。
6.2.2晶体振荡模块检查
给晶体振荡电路供5V电源，用信号发生器的频率档位测量CD4060引脚1的频率，若为8Hz，则继续后续工作；若不为8Hz，则调整电容的值即可。
6.2.3放大整形电路模块检查
给运放NE5532接入正负4.5V电压以及地，接入幅度为0.1V的正弦波，频率在1-9999Hz之间，用示波器测输出信号。
若放大出的信号和理论上的相同，则可以将所有模块接到一起；若放大出的信号失真，调整
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