数字频率计.doc
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数字频率计
1设计任务描述
1.1设计题目：
数字频率计
1.2设计要求:
1.2.1设计目的:
（1）掌握数字周期测量计的构成、原理与设计方法;
（2）熟悉集成电路的使用方法。
1.2.2基本要求
（1）要求被测信号为方波,峰值为3V到5V（和TTL兼容）,被测信号周期范围:
10us到1s;
（2）设计石英晶体震荡器及分频系统,闸门时间:
1ms,10ms,1s,10s;
（3）可控制的计数、锁存、译码显示系统。
1.2.3发挥部分
（1）被测信号为三角波信号;
（2）数据溢出报警
2设计思路
数字周期测量计的设计思路比较明显，主要实现五个功能即可：
被测信号的整形标准信号的产生；被测信号分频；利用闸门将两个信号进行比较；将比较结果，即数字的周期经过计数、锁存、译码、显示。
鉴于以上所需实现的功能，对每一步的器件选择就有了大致的设想。
非矩形波整形成矩形波，在这里，我想到了555定时器的一种派生产品，施密特触发器。
其功能后文详，此处不再赘述。
标准信号的产生，我选择的是超小型触发器--NL27WZ04，它的结构精简，而其工作最佳状态恰在本设计的要求之内，兼具造价低这一经济效益于一身，让我无法不把它收进设计之中。
被测信号的分频我使用的是74LS290，接成异步十进制计数器，四片级联使每一级的数量级降低十位，如此就可以实现分频。
最后是计数、锁存、译码、显示过程，这部分的器件分别选用了74LS160、74273、7448、七段显示器。
最后，在计数器上加装一个超量程报警器。
选用74LS85。
寄存之后的信号必须经过译码器才能显示,故在寄存后面用译码器将信号译码,这样输入进来的信号就能显示出来,显示在电子平上。
需要注意的是显示屏显示的数字并不是实际的周期，需要一个换算的过程：
被测波=显示数字N×闸门单位×2
因为我们做的这个数字周期测量计可能量程方面偏小，所以设置一个超量程报警系统必不可少。
超量程报警系统通过一个555定时器外接少量阻容元件，低电位响，响声时间为10秒。
3设计方框图
4各部分电路设计及参数计算
本设计电路主要分为5大部分，分别是整形电路部分，分频电路部分，主要控制电路部分，计数、译码、锁存电路部分和显示电路部分，以下为具体功能及参数计算。
4.1整形电路
整形电路主要由一个555定时器，一个电阻组成，将定时器的8脚4脚接电源，1脚接地5脚接电容接地，7脚接电阻接5v电源，2脚和6脚相联作为输入端，7脚作为输出端，这样就构成了一个施密特触发器，起到整形作用
4.1.1工作原理
①当Ui由0上升至≤Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。
②当Ui上升，在Ucc*1/3至Ucc*2/3之间，Uc1=1,Uc2=1，触发器保持，Q=U0=1。
③当Ui≥Ucc*2/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平复位，Q=U0=0。
④当Ui由Ucc*下降至≤Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。
图4.1555定时器组成的施密特触发器
若输入电压的波形是个三角波，则对应的输出波形如图7.5所示，它是反相输出的施密特触发器。
图4.2三角波整形为方波
若输入电压为正弦波，同理。
4.1.2电路特点
施密特触发器具有滞回特性，即输出电压由高电平跳变为低电平时所对应的输入电压Ui和由低电平跳变为高电平所对应的输入电压Ui是不同的。
4.2分频电路
分频电路由4个集成同步4位二进制递增计数器74LS161组成。
一级分频原理是每输入4个脉冲波形输出一次信号，这就实现了将周期扩大4倍的功能。
二级分频是将一级分频后的信号再次处理，将周期扩大10倍，三级，四级同理，这样就将石英晶体振荡器的发出的周期为信号分别变为100HZ,10HZ,1HZ和0.1HZ的信号，在通过相应的闸门传输。
4.3主要控制电路
主控电路主要包括两个555定时器组成的延时电路和一与门的控制门电路组成，作用是控制整个系统的传输。
4.3.1延时电路
此电路是由两个555定时器组成的，555定时器的作用是单稳电路延时作用，连接方式入下图4.3
图4.3555定时器组成的延时电路
Uo1----为一次延时输出端,用于给我锁寸信号
Uo2----为二次延时输出端,用于输出清零信号
4.3.2参数计算
输出脉冲宽度等于暂稳态时间,也就是电容充电时间.
Uc（0+）=0,Uc（∞）=Vcc,Uc（Tw）=2Vcc/3;
Tw=τln[Uc（∞）-Uc（0+）]/[Uc（∞）-Uc（Tw）]
=RCln（Vcc-0）/（Vcc-3/2Vcc）
=RCln3
=1.1RC
=1.1×910MΩ×0.01μF
=10s
R——电阻，Ω/kΩ/MΩ；
C——电容，μF；
f——频率，HZ；
tω——报警器报警时间，s。
5工作过程分析
我所做的数字周期测量计的工作过程大体为：
信号通过选择开关直接或经过整形放大间接输入分频电路；由NL27WZ04Q超小型振荡器产生符合题设要求大小的标准周期频率，将标准周期信号与被测信号的分频周期一同送入与门，输入计数器的CP端，使计数器工作；另两片555组成的控制电路可控制锁存器工作的延迟时间，使数字的显示有间隔时间。
测量需要一个周期小的波，本设计用的是超小振荡器产生4MHz的波，也就是波长为1/4μs的波。
然后将它的波长先扩大4倍，得到1μs波长的波，我们以它为基准波，扩大4倍的原因是便于计算。
然后将被测波与基准波进行依次与运算，从而得到了被测波的的一个高电平相当于几个基准波的高电平，我们把得到的数记为N。
由于课题要求测量范围是1HZ到999HZ，所以，得到被测波的高电平的范围是0.5s到5μs，所以可以得出N的范围是5到0.5*106，设计一个闸门，对基准波进行扩大，而使N的值变小以达到四位显示器能显示的范围。
把基准波分别扩大10倍，100倍和1000倍得到10μs，100μs和1000μs的基准波，这就解决了数位太多的问题。
将上一步得到的脉冲为N的波就可以给计数器进行计数，需要有四位显示，所以设计了四个计数器，每个计数器满10则向下一位进1，分别对应个位，十位，百位，千位。
6元器件清单
原件名称
数量
说明介绍
74LS290
4
计数器
74LS273
4
锁存器
74LS48
4
译码器
5G55
5
延时
七段显示器
4
显示频率值
电容
6
滤波
74LS160
4
分频器
超小型振荡器
1
产生稳定频率
电阻
6
限流
74LS85
4
比较器
74H76JK
1
11翻转
7主要元器件介绍
7.174160同步十进制计数器：
74160为十进制计数器，直接清除。
两个高电平有效允许输入EP和ET及动态进位输出使计数器易于级联；ET允许动态进位输出
图7.174160同步十进制计数器管脚图
输入
输出Qn
时钟
清除
置数
EP
ET
X
L
X
X
X
清除
↑
H
L
X
X
置数
↑
H
H
H
H
计数
X
H
H
L
X
不计数
X
H
H
X
L
不计数
表7.174160同步十进制计数器功能表
7.27448共阴七段译码器/驱动器：
有效高电平输出：
内部有升压电阻因而无需外部电阻；输出最大电压5.5V；吸收电流6.4mA
图7.27448共阴七段译码器/驱动器管脚图
十进制数或功能
输入
BI/RBO
输出
LT
RBI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
0
H
X
L
L
L
L
H
ON
ON
ON
ON
ON
ON
OFF
1
H
X
L
L
L
H
H
OFF
ON
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
2
H
X
L
L
H
L
H
ON
ON
OFF
ON
ON
OFF
ON
3
H
X
L
L
H
H
H
ON
ON
ON
ON
OFF
OFF
ON
4
H
X
L
H
L
L
H
OFF
ON
ON
OFF
OFF
ON
ON
5
H
X
L
H
L
H
H
ON
OFF
ON
ON
OFF
ON
ON
6
H
X
L
H
H
L
H
OFF
OFF
ON
ON
ON
ON
ON
7
H
X
L
H
H
H
H
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
8
H
X
H
L
L
L
H
ON
ON
ON
ON
ON
ON
ON
9
H
X
H
L
L
H
H
ON
ON
ON
OFF
OFF
ON
ON
10
H
X
H
L
H
L
H
OFF
OFF
OFF
ON
ON
OFF
ON
11
H
X
H
L
H
H
H
OFF
OFF
ON
ON
OFF
OFF
ON
12
H
X
H
H
L
L
H
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
13
H
X
H
H
L
H
H
ON
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
14
15
H
H
X
X
H
H
H
H
H
H
L
H
H
H
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
OFF
BI
X
X
X
X
X
X
X
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
RBI
H
L
L
L
L
L
L
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
LT
L
X
X
X
X
X
X
ON
ON
ON
ON
ON
ON
ON
表7.27448共阴七段译码器/驱动器功能表
7.3集成异步计数器74LS290
图7.374290集成异步计数器管脚图
复位输入
R0
（1）R0
（2）
置位
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