数字频率计的设计设计论文.docx

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数字频率计的设计设计论文

数字频率计的设计设计论文

数字频率计的设计

摘要:

本论文是一种直接用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。

它不仅可以测量正弦波、方波、三角波的频率，而且还可以测量其它各种单位时间内变化的物理量的频率。

该频率计是首先将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率。

时钟电路提供标准的时间脉冲信号。

闸门电路由标准秒信号进行控制，当闸门信号为高电平时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门送入计数显示电路进行显示；当闸门信号为低电平时，闸门关断，计数器没有时钟脉冲输出，计数器停止计数。

关键词:

频率显示闸门秒信号

引言

随着无线电技术的发展与普及，“频率”已成为广大群众所熟悉的物理量。

调节收音机上的频率刻度盘可以使我们选听到自己所喜欢的电台节目；调节电视机上的微调旋钮可使电视机对准电视台的广播频率，获得图像清晰的收看效果，这些已成为人们的生活常识。

人们在日常生活、工作中更离不开计时。

学校何时上、下课？

工厂几时上、下班等这些都涉及到计时。

频率、时间的应用，在当代高科技中显得尤为重要。

例如，邮电通讯，大地测量，地震预报等等，都与频率、时间密切相关，只是其精密度和准确度比人们日常生活中的要求高得多罢了。

本次设计主要采用计数法制成一个测量范围在0～9999Hz的频率计。

该频率计闸门信号的采样时间为1s，并采用4位数码管显示。

它不仅可以测量正弦波、方波、三角波的频率，而且还可以测量其它各种单位时间内变化的物理量的频率。

一、数字频率计的组成

数字频率计电路主要由串联型稳压电源、整形电路、10分频电路、时钟电路、闸门形成及控制电路、计数显示电路等组成。

电路组成框图1-1如下:

待测信号整形电路10分频电路闸门形成及控制电路

串联型稳压电源时钟电路计数显示电路

电路组成框图1-1

二、设计所用集成电路简介

1.集成电路NE555概述

NE555是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，它常应用于信号的产生与变化、电路的检测与控制。

芯片采用双列直插式封装，有八个管脚。

NE555引脚图2-1和功能如下

图2-1

引出端功能符号：

:

置位控置制端，也称电平触发端

:

复位端，低电平有效

Q:

电路的输出端

CO:

电压控制端

TH:

复位控制端

DIS:

放电端

Vcc:

电源端

GND:

接地脚

2.集成电路CD4518概述

集成电路CD4518是一个双BCD码加法计数器。

它有两个时钟输入端CP和EN，若使用时钟上升沿触发，信号就从CP端输入，同时EN端应接高电平1，若使用时钟下降沿触发，信号就从EN端输入，此时的CP端应该为低电平0，而且复位端MR也要保持低电平0，只有满足了这些条件，电路才会处于计数状态，否则计数器没办法工作。

CD4518引脚图2—2和功能如下：

图2—2

引出端功能符号：

CP：

时钟输入端

MR：

消除端

EN：

计数允许控制端

1Q0-1Q3;2Q0-2Q3：

计数输出端

GND：

接地端

VCC：

电源端

3.集成电路CD4060概述

集成电路CD4060采用16脚DIP封装，是由一个振荡器和14级二进制串行计数器位组成。

振荡器的结构可为晶体振荡电路或RC振荡电路。

它将晶体振荡器的振荡频率32768HZ信号分频为2HZ的时钟信号，送到CD4017,作为它的时钟输入信号，用来产生1S宽的闸门信号。

复位端MR为高电平时，计数器清0而且振荡器工作停止。

所有的计数器都为主-从触发器，在

的下降沿，计数器以二进制进行计数。

在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟的上升和下降时间无限制。

CD4060的管脚图2-3和功能如下:

图2-3

引出端功能符号：

MR：

复位端

：

时钟输入端

COUT：

时钟输出端

：

反向时钟输出端

Q4-Q10,Q12-Q14：

计数器输出端

VCC：

正电源端

GND：

接地端

4.集成电路CD4017概述

集成电路CD4017是十进制计数/时序译码器，又称十进制计数脉冲分频器，它结构简单，造价低廉，性能稳定，工艺成熟，使用方便。

CD4017的基本功能是对CP端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Y0～Y9这10个输出端。

整个输出时序就是Y0～Y9依次出现与时钟同步的高电平（一般为低电平）,宽度等于时钟周期。

CD4017共有三个输入端CP、MR、EN和10个译码输出端（Y0～Y9）。

MR为复位清0端，当在MR端输入高电平或正脉冲时，计数器清0，所有输出中只有对应“0”状态时Y0端输出高电平，其余输出端（Y1～Y9）均为低电平；时钟输入端CP有一个施密特触发器它具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升时间和下降时间无限制,用于上升沿计数；EN为计数有效端，用于下降沿计数，彼此间有互锁关系，若利用CP计数时，EN端应接地（低电平），而要利用EN端计数时，CP端应接高电平，反之则形成互锁；CO为进位端，CD4017每输入10个脉冲，就可得到一个进位脉冲，所以CO也可以作为下一级计数器的时钟信号。

CD4017管脚图2-4和功能如下：

图2-4

引出端功能符号：

CO:

进位端

CP:

时钟输入端

Y0～Y9:

译码输出端

MR:

复位清0端

EN:

计数有效端

VCC:

正电源

GND:

接地端

5.集成电路CD40110概述

集成电路CD40110是可逆计数译码显示电路，它是集计数、译码、锁存、驱动为一体的四合一电路，它既可以作加法计数，又可以作减法计数。

由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工作时，另一个时钟输入端可以是任意状态；MR为清零端，为高电平时计数器清零；QCO为进位脉冲输出端，作加法计数时，每当计数满10后，输出一个进位脉冲；QBO为借位脉冲输出端，作减法计数时，每当计数满10后输出一个借位脉冲，他们一般为高电平；

为触发器控制端，

＝0时计数器工作，

＝1时计数器处于禁止状态不计数；LE为锁存控制端，当LE=0时正常显示，当LE=1时显示数被锁定。

CD40110的引脚图2-5和功能如下：

图2-5

引出端功能符号：

a～g:

数码笔段输出端

LE:

锁存控制端

MR:

清零端

:

触发器控制端

CPU:

加计数时钟输入端

CPD:

减计数时钟输入端

QCO:

进位脉冲输出端

QBO:

借位脉冲输出端

VCC:

正电源端

GND:

接地端

三、单元电路分析

1.串联型稳压电源

它可以将220V的直流电转换成稳定的直流电，给整个电路提供了6V直流稳压电源。

该电路由变压器（起降压作用）、整流、滤波、稳压几个部分组成。

当输入电压上升，输出电压随着上升，取样电路中的元件分得的电压就上升，VT3的基极电压也上升，集电极电压就会下降，导致VT2的基极电压下降，VT1的基极电压也随着下降，而VT1的集射极电压升高，使输出电压又恢复到+6V。

相反，当输入电压下降，输出电压随着下降，R3、R4、RP1分得的电压下降，VT3的基极电压下降，集电极电压就会上升，VT2的基极电压随着上升，VT1的基极电压也上升，使输出电压又恢复到+6V。

电路图3-1如下：

串联型稳压电源3-1

2.整形电路

整形电路是将待测信号如正弦波、三角波或其它呈周期性变化的波形，整形变成计数器所要求的脉冲信号，其周期不变。

施密特触发器是数字系统中常用的电路之一,它可以把变化缓慢的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。

本设计由NE555构成的施密特触发器如图3-2a所示，将高触发端TH和低触发端T

  连接在一起作为信号输入端Ui。

设待测信号为三角波，输入整形电路后输出为脉冲波形，二者频率相同，波形如图3-2b所示。

当输入信号Ui＜1/3Vcc时, Uo输出为高电平；若Ui增加,使得1/3Vcc＜Ui＜2/3Vcc时,电路维持原态不变,输出Uo仍为高电平；如果输入信号增加到Ui≥2/3Vcc时，Uo从高电平翻转成低电平；当输入信号Ui＜2/3Vcc时，电路维持原态不变，输出Uo仍为低电平；Ui继续降低到 Ui＜1/3Vcc时，Uo又从低电平翻转成高电平。

输出电压Uo是一个矩形波。

由图3-2b可以看出，回差电压=2/3Vcc-1/3Vcc=1/3Vcc。

3-2a

图3-2b

3.10分频电路

分频电路的作用是对输入的脉冲信号进行分频，取得不同量程所需要的时间基准信号，实现量程控制。

CD4518为双十分频器，可对输入信号进行10、100分频，扩大测量范围。

测量范围可通过S1、S2、S3调整，S1闭合，电路未经分频电路，测量范围为0～99HZ；S2闭合，电路为10分频，测量范围为0～999HZ；S3闭合，电路为100分频，测量范围为0～9999HZ（S1～S3不能同时闭合）。

4.时钟电路

实现频率测量必备环节为时钟电路，它用来产生控制计数器计数的标准时间信号即闸门信号，闸门脉冲由晶体振荡器产生高稳定度的方波信号，再经分频器分频得到的，它的精度决定了频率计的频率测量精度。

在此频率计中，时钟电路由晶体振荡器和CD4060等元件组成。

晶体振荡器JT的振荡频率为32768HZ，频率较低，有利于减少分频器级数，是专为数字时钟电路设计的。

而CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，它还包含振荡电路所需的非门，使用很方便。

CD4060为14级二进制计数器，它可以将32768HZ的信号分频为2HZ的信号，而且它的两个时钟输出端直接和内部的非门串接，可以直接实现振荡和分频的功能。

VD5为发光二极管，时钟电路正常工作时，发光二极管以2HZ的频率闪烁。

5.闸门形成及控制电路

闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲。

时钟电路产生的2HZ时钟信号送到CD4017（十进计数器），作为它的时钟输入信号，用来产生1S宽的闸门信号，并在每一个测量周期内产生一个计数器清0信号。

1S宽的闸门信号控制CD40110接受计数脉冲的周期，CD40110在1S内接受了多少个计数脉冲，直接译码显示出计数脉冲数，而闸门控制时间为1S，所以，数码管显示的就是我们要求的被测信号的频率。

6．计数显示电路

在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿，在计数的时候数码管不显示数字。

当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字，电路里产生计数清0信号和锁存控制信号。

这些都由集计数、译码、锁存、驱动为一体的四合一电路CD40110来完成。

它不仅可作加法计数，还可以作减法计数，不仅如此，它还有计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。

所以，它将计数器输出的二进制代码翻译成相应的十进制数并显示出来。

显示部分的LED采用共阴极七段数码显示器。

四．整体电路分析

数字频率计实际上是一个脉冲计数器，即在单位时间里计数的脉冲个数，如图4-1计数时序波形图所示:

②为闸门脉冲，假设闸门时间为1s,计数数值为N个脉冲，则被测信号①的脉冲频率为：

f=NHZ

①

②

③

图4-1

工作原理：

被测信号Ui首先经过整形电路，转变成计数器所需要的脉冲信号如图4-1中①，它的周期等于被测信号的周期，然后送给CD4518进行分频来扩大量程。

S1闭合最大测量范围为0～99，S2闭合最大测量范围为0～999，S3闭合最大测量范围为0～9999。

时钟电路提供准确的时间脉冲信号如图4-1中②，它是由晶体振荡器JT产生的32768HZ的信号，经过14级二进制计数器分频得到的。

它用来控制计数和保持状态。

当脉冲信号为高电平时，计数器为计数状态，当它为低电平时，计数器保持状态，数据就被送到显示器进行显示，然后对计数器清0，准备下一次计数。

脉冲信号为高电平持续1秒钟，计数器统计的脉冲数N如图4-1中③就是被测信号的频率，即f=NHZ。

脉冲信号为高电平持续的时间，我们称为闸门时间，闸门时间可以大于或者小于1S。

闸门时间越长，测得的频率值越准确，但是每测一次频率的间隔就越长，闸门时间越短测的频率值就越快，但得到的频率精度会受到影响。

电路原理图4-2如下所示：

电路原理图4-2

五.调试方法和要求

1.主要性能指标

（1）稳压电源输出电压为（6±0.2）V

（2）施密特触发器正常工作时，在CD4518的1脚可以测到方波输入信号。

（3）时钟电路正常工作时，通过CD40110产生正确的控制信号。

2.调试方法

（1）接通电源,调节电位器RP1,使直流稳压电源输出电压（6±0.2）V

同时测各集成电路电源插脚的电源电压是否正常。

（2）接通电源，检查整形电路是否正常工作，如果电路正常工作，则应该在NE555的3脚输出接近方波信号。

（3）断电后插上集成电路，再接通电源。

如果时钟电路正常，那么发光二极管VD5就会以2HZ的频率闪烁，在VT6的集电极会产生1S的低电平闸门信号。

（4）合上拨码开关S1～S3中的任意一个（不可以同时合上两个或三个），计数器将以1S为周期重复测量并显示被测信号的频率（开关在不同位置时，显示结果就不同），显示结果如下表。

频率测量记录单位：

HZ

拨码开关位置

S1

S2

S3

测量频率

0～99

0～999

0～9999

六．元件清单

1.元器件明细表6-1如下：

代号

名称

规格

代号

名称

规格

R1

碳膜电阻器

4.7

VD3

二极管

IN5397

R2

碳膜电阻器

3K

VD4

二极管

IN5397

R3

碳膜电阻器

1.5K

VD5

发光二极管

LED红色

R4

碳膜电阻器

3.9K

VD

二极管

IN4001

R5

碳膜电阻器

2M

VD5

发光二极管

LED红色

R6

碳膜电阻器

120K

VD6

二极管

IN4148

R7

碳膜电阻器

100

VD7

二极管

IN4148

续表

代号

名称

规格

代号

名称

规格

R8

碳膜电阻器

1K

VS

稳压二极管

4.2V

R9

碳膜电阻器

10K

VT1

三极管

2ND880

R10

碳膜电阻器

1K

VT2

三极管

2N1815

R11

碳膜电阻器

5.6K

VT3

三极管

2N1815

R12

碳膜电阻器

3.3K

VT4

三极管

2N9014

R13

碳膜电阻器

560

JT

石英晶体管

32768HZ

R14

碳膜电阻器

560

IC1

集成电路

CD4518

R15

碳膜电阻器

560

IC2

集成电路

CD40110

R16

碳膜电阻器

560

IC3

集成电路

CD40110

RP1

电位器

2.2K

IC4

集成电路

CD40110

C1

电解电容器

2200uf

IC5

集成电路

CD40110

C2

电解电容器

100uF

IC6

集成电路

NE555

C3

电解电容器

470uF

IC6

集成电路

CD4060

C4

瓷片电容器

0.01uF

IC7

集成电路

CD4017

C5

涤纶电容器

0.47uF

FUSE

电源保险丝

2A/250V

C6

瓷片电容器

22pF

S1～S3

拨码开关

DIP

VD1

二极管

IN5397

TC

电源变压器

AC220V/7.5V

VD2

二极管

IN5397

LED

数码管

ELS-505HWB

表6-1

参考文献

（1）刘进峰《电子制作实训》北京：

中国劳动社会保障出版社，2006

（2）张伟林《数字电子技术》北京：

中国劳动社会保障出版社，2006

（3）杨元挺《电子技术技能训练》北京：

高等教育出版社，2002.2

（4）许顺隆《轻松学电子元器件与电子电路》北京：

中国劳动社会保障出版

社，2008