输入信号的幅度Uxm与直流电平Uxo和回差△UT有关,一般说来,△UT越小,对输入信号的幅值Uxm要求越小,如果需要减小回差,可以在555的控制端CO接入一个正电压。
如果取+Ucc=+5V,回差△UT=1.67V。
对于图3.2所示的波形图,若取Uxo=1/3Ucc+1/2△UT=2.5V,则输入信号幅度为Uxm>1/2△UT=0.83V.为使Uxo=2.5V,对于图3.1所示电路,则取R3=R4=10KΩ。
2.2时基电路和闸门电路
如图2.1所示,闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号,决定了被测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数的计数个数,其精度很大程度上决定了频率计的频率测测量精度。
当要求频率测量精度高时,应使用晶体振荡器通过分频获得。
在此简单数字频率计的中,时基信号采用由555定时器构成的多谐振荡器电路,当标准时间信号(1s高电平)来到时,闸门开通,被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数;标准时间脉冲结束时(为低电平),闸门关闭,计数器无时钟脉冲输入。
例如,时基信号的作用时间为1s,闸门电路将打开1s,若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为1000个,则被测信号的频率就是1000Hz。
设标准时基为1s的脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器电路产生的,由555定时器构成的多谐振荡气的周期计算公式为:
周期计算公式:
t=t1+t2=0.693(R1+2R2)C;占空比为:
D=t2/(t1+t2)=R2/(R1+2R2)<50%,t1为正方波的宽度,t2为负方波的宽度;若取振荡器的频率f0=1/(t1+t2)=0.8HZ,则振荡器的输出波形如图2.4所示,其中t1=1s,t2=0.25s。
图2.3标准脉冲产生的闸门电路
2.4闸门电路各波形特点
2.3计数电路
计数器用4个74LS190同步十进制可逆计数器构成。
作用是对放大整形电路输出的频率信号进行计数,并将输出的数值输入到寄存器。
如图2.5所示。
图2.5计数电路图
U10的CKA接外来信号,U7、8、9、10的CKB均接相应的QA。
U10的Q3接U9的CKA,U9的Q3接U8的CKA,U8的Q3接U7的CKA。
四个芯片的R01、R02均接地,R91、R92连在一起接时基信号的反向信号。
当R91、R92同为高电平时,四位十进制计数器同时清零。
当R91。
R92同为低电平时,四位十进制计数器正常计数
2.4寄存电路、译码电路和显示电路
图2.6寄存、译码、显示电路
寄存器可选用4个寄存器74LS175构成。
寄存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行寄存,使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
因为计数器在一秒内要计算成千个输入脉冲,若不加寄存器,显示器上的数字将随机数器的输出变化而变化,不便于读数。
当时钟脉冲CP的上升沿到来时,寄存器的输出等于输入,即Q=D。
从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位、千位的输出值送到寄存器的输出端。
正脉冲结束后,无论输入端D为何值,输出端Q的状态仍然保持原来的状态。
译码器采用4个CD4511共阴极显示译码器构成。
译码/驱动器CD4511的作用是将输入的高低电平信号转化为数码管需要的高低电平信号,并控制数码灯的亮灭。
3.整体电路的设计
3.1总电路分析
如图3所示,被测信号(三角波、正弦波、方波)输入由555定时器组成的施密特触发器整形成与输入信号同频率的矩形脉冲。
将该脉冲输入由74LS90组成的十进制计数器用作时钟信号。
另一片555定时器接成的多谐振荡器输出的高电平时间为1S,低电平时间为0.25S的矩形脉冲信号通过闸门,输给74LS175,做寄存的时钟信号,同时输给计数器74LS90的R01、R02控制计数器的计数和清零。
当取反后的时基信号来个上升沿时,寄存器寄存0000。
高电平阶段计数器清零,寄存器一直显示0000不变。
低电平时,计数器开始计数,寄存器清零。
当再来个上升沿时寄存器寄存刚才1S内计数器所计的数据,高电平时,计数器清零,寄存器数据保持不变。
低电平时,寄存器清零,计数器计数。
如此循环工作。
若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N,则被测信号频率为f=NHz。
本电路可实现直接测量输入信号的频率,输入的频率范围1~9999HZ。
3.2总电路图
在上述子模块电路的基础上,画出整个电路的总电路图。
如图3所示:
图3整体电路图
4.电路的调测与分析
4.1计数、显示电路的调测
如图3所示,连接好电路后。
开始仿真,计数器开始计数,并将相应的计的数通过CD4511芯片译码给七段译码显示器进行显示所计的数。
4.2调试电路的注意事项
在通电调试前,一定要认真检查电路是否有错接、漏接等。
因此要用万用表欧姆档,测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常,测量各个元器件之间的连接是否正常。
用电压表把各个芯片所用的电压调整到规定的数值。
检查各个芯片的接地是否连接牢固。
检查无误,方可通电调试。
5.所用芯片及其它器件说明
本次设计选用的器件有74LS90,CD4511,74LS175,555定时电路,共阴极七段LED数码管等,下面是这些元器件在频率计数器中的应用及原理。
5.1555定时器
555定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图如右图所示
图5.1555集成电路内部结构
555集成电路是8脚封装,双列直插型,如图5.2(A)所示,按输入输出的排列可看成如图5.2(B)所示。
其中6脚称阈值端(TH),是上比较器的输入;2脚称触发端(TR),是下比较器的输入;3脚是输出端(Vo),它有O和1两种状态,由输入端所加的电平决定;7脚是放电端(DIS),它是内部放电管的输出,有悬空和接地两种状态,也是由输入端的状态决定;4脚是复位端(MR),加上低电平时可使输出为低电平;5脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值;8脚是电源端,1脚是地端。
图5.2555定时器
5.1.1555构成的施密特触发器
图5.3555定时器构成的施密特触发器
4.UI再增大时,对电路的输出状态没有影响。
(a)上升过程
(b)下降过程
5.1.2555构成的多谐振荡器
由555定时器构成的多谐振荡器如图5.4(a)所示,其工作波形见图5.4(b)所示。
接通电源后,电源VDD通过R1和R2对电容C充电,当Uc2C,由电容C放电时间决定;TH=0.7(R1+R2)C,由电容C充电时间决定,脉冲周期T≈TH+TL。
图5.4555构成多谐振荡器
上面仅讨论了由555定时器在本次数字频率计课程设计中的应用及原理。
实际上,由于555定时器灵敏度高,功能灵活,因而在电子电路中获得广泛应用。
5.274LS175寄存器
.其引脚功能如图5.5所示。
图5.574ls175的引脚图及真值表
5.374LS90计数器
集成十进制异步计数器的型号有:
74LS90、74196、74S196,74LS196、74290、74LS290等,它们都是按照8421BCD码进行加法计数的电路(如图5.6),本设计采用的是74LS90计数器。
图5.68421BCD码加法计数状态图
74LS90是TTL系列的十进制计数器,其内部由四个主从触发器和一些附加门电路组成,以提供一个2分频计数器和一个三级的二进制计数器。
其引脚排列如图5.7所示;逻辑功能示意图如图5.8所示。
图5.774LS90的引出端排列图
此芯片有门控置“0”输入端及还有门控置“9”输入端。
为了使用其最大计数长度,须将Q0输出端连到B输入端。
计数输入脉冲加到输入端A上,则输出为BCD计数(见表2)。
若把Q3连接到输入端A上,输出则为二五混合进制(见表3)。
这时输入脉冲加在B端,在Q0的输出上可以得到一个十分频的方波。
74LS90复位/计数功能表(见表4)。
图5.874LS90的逻辑功能示意图
由于本次课程设计的技术指标为1Hz—9999Hz,因此就要求四个计数器级联,图5.10是由74LS90利用输出Q3控制高一位的CP端构成的加计数级联图。