简易频率测量仪设计.docx
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简易频率测量仪设计
摘 要
数字频率计是一种能够直接用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。
用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号能够是正弦波、方波或其它周期性转变的信号。
如配以适当的传感器，能够对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率和产品的计件等等.该频率计使咱们能够迅速取得未知信号的频率，其读数方便，原理简单，精准度较高，能读出四位小数，有较高的有效价值.因此，数字频率计是一种应用很普遍的仪器。
关于本次课题“简易频率测量仪”,我选用了双可重单稳态触发器74LS123来操纵电路中的“锁存”和“清零”,计数器74LS90来计数,555芯片来产生时基信号。
运用数字集成芯片给设计减少了很多没必要要的麻烦。
关键词：
数字频率计；译码；时基电路；计数
ABSTRACT
Digitalfrequencymetercanbedirectlyusedasadecimaltoshowthemeasuredsignalfrequencymeasuringdevice.Figuresshowthatthemeasuredsignalwiththefrequencyoftheapparatus,themeasuredsignalcanbesinewave,squarewaveorotherperiodicsignalchange.Suchaswiththeappropriatesensors,cantestawiderangeofphysicalquantities,suchasthefrequencyofmechanicalvibration,speed,soundfrequency,aswellaspiece-rateproductsandsoon.Thefrequencyallowsustoquicklysignalthefrequencyoftheunknown,tofacilitatetheirreading,Theprincipleissimple,highaccuracy,fourdecimalplacesallowedtodelividerange.
Forthisissue,"Simplefrequencymeasurement",Ire-selecteddouble74LS123monostablemultivibratorcircuittocontrolthe"latch"and"Clear",74LS90counter
tocount,555-chiptimebasesignaltogenerate.Theuseofthenumberofintegrate.
Keywords:
Figurefrequencymeter;decoding;time-basecircuit;count
目 录
1绪论……………………………………………………………………………………1
…………………………………………………………………11.2课题的意义……………………………………………………………………1
1.3频率计设计的指导思想………………………………………………………2
1.4本课题要解决的要紧问题……………………………………………………2
2频率计的设计原理……………………………………………………………………3
2.1数字频率计的原理……………………………………………………………3
原理框图………………………………………………………………3
组成图与波形…………………………………………………………4
数字频率计的要紧技术指标…………………………………………………5
3数字频率计的电路设计………………………………………………………………6
时刻基准T产生电路…………………………………………………………6
555电路………………………………………………………………6
晶振……………………………………………………………………7
计数脉冲形成电路……………………………………………………………7
放大电路………………………………………………………………8
整形电路………………………………………………………………9
逻辑操纵电路………………………………………………………………10
计数器………………………………………………………………………14
锁存器………………………………………………………………………16
显示部份……………………………………………………………………17
LED显示原理…………………………………………………………17
LED显示器……………………………………………………………18
七段LED显示器的工作原理………………………………………19
硬件译码显示口……………………………………………………20
4数字频率计的电路总图……………………………………………………………23
总结……………………………………………………………………………………25
致谢……………………………………………………………………………………26
参考文献………………………………………………………………………………27
1 绪论
在现今电子系统超级普遍的应用领域内，处处可见处处置离散信息的数字电路。
供消费用的微波炉和电视、先进的工业操纵系统、空间通信系统、交通操纵雷达系统、医院急救系统等在设计进程中无一不用到数字技术。
数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统靠得住性和速度。
集成电路的类型很多，从大的方面可分为模拟和数字集成电路两大类。
尽管它们都可模拟具体的物理进程，但其工作方式有着专门大的不同。
乃至可能完全不同。
电路中的工作信号一般是用电脉冲表示的数字信号。
这种工作方式的信号，能够表达2种截然不同的现象。
如以有脉冲表示“1”，无脉冲便表示“0”；以“1”表示“真”，那么“0”便表示“假”，等等。
反之亦然。
这确实是“数字信号”的含义。
因此，“数字量”不是持续转变的量，其大小往往并非改变，但在时刻散布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。
数字集成电路具有结构简单（如其中的晶体管是工作于饱和与截止2种状态，一样不设偏置电流）和同类型电路单元多（如一个计数系统需要很多同类型的触发器和门电路）的特点，因此容易实现高集成度和归一化。
由于数字集成电路与电子运算机的进展紧密相关，因此进展专门快，目前已是集成电路中产量最高、集成度最大的一种器件。
这次咱们电子设计的内容确实是简易数字频率计，下面做详细分析和具体设计。
1．1课题的目的
本次设计——简易频率测量仪，用于测量输入信号（正弦波、三角波或方波）的频率，其中要求测量频率的范围为1Hz～10Hz；量程分为3档（即×1，×10，×100）；频率测量准确度为
，显示方式为4位十进制数显示，而且能够测量。
1．2课题的意义
1.通过设计放大电路加深和巩固模拟电子技术知识。
2.熟悉稳压管的工作原理及应用。
3.熟悉基准时刻产生电路的大体工作原理。
4.熟悉计数器、译码器、七段数码管的功能从而巩固数字逻辑电路知识。
5．对电子仪器的系统结构有一个深切的明白得。
6．提高实际设计能力，使工程能力取得实际锻炼.
1.3频率计设计的指导思想
由于所测频率要求最大可达，因此在设计制作频率计时咱们采纳的是直接测频法，即在必然闸门时刻内测量被测信号的脉冲个数。
假设闸门时刻是1秒，那么测得的脉冲数即为所测频率。
因此本课题的核心是计数部份的设计。
1.4本课题要解决的要紧问题
在本课题的设计中会碰到并需要解决的要紧问题是：
设计要求频率计的测量范围较宽，需要测量的最高频率超过了底位计数器74HC4040的最高工作频率。
咱们的解决方法是：
把信号分为%26lt;140HZ和100HZ～2.4GHZ两档输入。
关于%26lt;140HZ档的信号，由于在那个信号范围内信号能够使计数器正常工作，因此信号能够直接输入；关于100HZ～2.4GHZ档的信号，在这一挡的信号输入后先进行16分频，如此信号的频率便%26lt;140MHZ了，能够和第一挡一样在计数器中计数。
计数器在闸门时刻记录完输入信号通过的周期数以后，在送往LCD进行显示之前先乘以16，如此即能够解决这一个难题了。
2 频率计的设计原理
2．1数字频率计的原理
2．1．1原理框图
依照题目要求频率测量的范围是1Hz到10Hz，综合考虑以后，咱们采纳直接测频模块。
以下图2-1为数字频率计的原理框图，其大体原理是时刻门限测量法。
被测信号第一经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，且频率不变。
时钟电路产生时刻基准信号，分频后取得不同单位的门控信号，操纵“与”门开启。
若是利用量程开关选择，那么能够取得不同的频率单位。
图2-1 数字频率计原理框图
例如：
操纵“与”门开启时刻为1s，就能够检测到待测信号在1s内通过“与”门的脉冲个数，测量的频率单位为HZ;如果操纵“与”门开启时刻为1ms时，显示频率的单位那么为KHZ。
脉冲个数由计数器计数，由七段数码管显示。
当门控信号变成低电平常，计数脉冲被切断，同时使时序发生电路产生一个锁存信号，将测量的结果送入锁存器，等到锁存稳固后，时序发生电路再发出一个清零脉冲，使计数器全数复位，等待下一次测量。
2．1．2组成图与波形
组成框图如图2-2所示。
图2-2 组成框图
数字频率计的各级波形如图2-3所示。
图2-3 数字频率计各级波形
设被测信号A的周期为Tx，“与”门的开启时刻为T，当门控信号B为高电平常，被测信号A通过“与”门，形成计数脉冲信号C，直到门控信号B变成低电平，“与”门关闭，计数停止。
在门控信号B变成低电平的同时，使单稳态Ⅰ输出锁存信号D，送到译码／锁存器的使能端，将计数结果锁存，并送到译码显示电路。
单稳态Ⅰ的下降沿又使单稳态Ⅱ输出清零信号E，其作用是将计数器清零，等到当门控信号B再次变成高电平常，开始下次计数。
假设在“与”门开启时刻T内计数器的计数值为N，那么被测频率
fx=N／T（为了准确地测量频率，应知足T>>Tx）
2．2数字频率计的要紧技术指标
●频率准确度一样用相对误差来表示，即
（2-1）
●频率测量范围在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。
频率测量范围要紧由放大整形电路的频率响应决定。
●数字显示位数频率计的数字显示位数决定频率计的分辨率。
位数越多，分辨率越高。
●测量时刻频率计完成一次测量所需要的时刻，包括预备、计数、锁存和复位时刻。
3 数字频率计的电路设计
依照数字频率计电路的结构及各级功能，可按模拟化原那么设计各部份电路。
3.1时刻基准T产生电路
时基电路的作用是产生一个标准的时刻信号（高电平持续时刻为1s），在简单时基电路中，由按时器555组成的多谐振荡器产生（当标准时刻的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频取得）。
3555电路
如图3-1所示，依照门控电路的要求，需要设计正脉冲宽度T1为1s，按时电路的周期可设为1.5～2.0s。
假设振荡器的频率f0=1/（t1+t2）=0.8HZ,那么振荡器的输出波形如图1-3的波形Ⅰ图所示，其中t1=1s,t2=0.25s。
由公式t1=0.7（R1+R2）C和t2=0.7R2C,可计算出电阻R1,R2及电容C的值。
假设取电容C=10uF，那么
R2=t2/Ω取标称值36kΩ
R1=（t1/）﹣R2=107kΩ
取R1=47kΩ，RP=100kΩ
通过调剂周密可调电阻的大小来取得较为精准的输出信号频率。
确信了各元
件的参数以后，就能够够取得振荡电路的原理图。
图3-1 555时基电路图
表3-1 555时基集成芯片功能表
阈值输入（
）
触发输入（
）
复位（
）
输出（
）
放电管T
×
×
0
0
导通
<
<
1
1
截止
>
>
1
0
导通
<
>
1
不变
不变
数字频率计的计时精度取决与振荡电路的输出信号频率精度，而振荡电路的输出信号频率精度取决与电路元件参数的精度。
因此振荡电路中的电阻、电容的参数易受温度等外部因素的阻碍，因此很难取得很高的频率精度。
在精准计时的频率计中，一样采纳由石英晶体组成的振荡器。
3晶振
晶振一样叫做晶体振荡器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经周紧密割磨削并镀上电极焊上引线做成。
这种晶体有一个很重要的特性，若是给他通电，他就会产生机械振荡，反之，若是给他机械力，他又会产生电，这种特性叫机电效应。
他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状、材料、切割方向等紧密相关。
由于石英晶体化学性能超级稳固，热膨胀系数超级小，其振荡频率也超级稳固，由于操纵几何尺寸能够做到很周密，因此，其振荡频率也很准确。
依照石英晶体的机电效应，咱们能够把它等效于一个电磁振荡回路，即谐振回路。
他们的机电效应是机-电-机-电……的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。
在电路中的应用事实上是把它看成一个高Q值的电磁谐振回路。
由于石英晶体的损耗超级小，即Q值超级高，做振荡器历时，能够产生超级稳固的振荡，作滤波器历时，能够取得超级稳固和峻峭的带通或带阻曲线。
3.2计数脉冲形成电路
这部份电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。
它一样由放大整形电路和主门（与门）电路组成，被测输入周期信号（频率为fx,周期为Tx）经放大整形得周期为Tx的窄脉冲，送至主门的一个输入端。
主门的另一个操纵端输入的是时刻基准产生电路产生的闸门脉冲。
在闸门脉冲开启主门期间，周期为Tx的窄脉冲才能通过主门，在主门的输出端产生输出。
在闸门脉冲操纵下的主门输出脉冲，被送入计数器计数，因此将主门输出的脉冲称为计数脉冲，相应的这部份电路称为计数脉冲产生电路。
3放大电路
如图3-2所示，其中3DG100组成的放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
图3-2 放大电路
三极管的要紧参数及其测试
●直流电流放大系数β（hFE）集电极直流电流ICQ与基极直流电流IBQ之比，即
β（hFE）=ICQ/IBQ
①交流电流放大系数-β（hfe）三极管在有信号输入时，集电极电流的转变量△IC与基极电流的转变量△IB之比，即
-β（hfe）=△IC∕△IB
②穿透电流ICEO、基极b开路，集电极c与发射极e间加反向电压时的集电极电流。
硅管的ICEO在几微安以下。
③反向击穿电压V（BR）CEO基极b开路、集电极c与发射极e间的反向击穿（ICEO开始上升时）电压。
●集电极最大许诺电流ICMβ值下降到额定值的1/3时所许诺的最大集电极电流。
●集电极最大许诺功耗PCM集电结上许诺损耗功率的最大值。
V（BR）CEO、ICM、PCM通常由器件手册查得。
β（hFE）、-β（hfe）、ICEO能够用晶体管特性图示仪进行测量。
三极管的大体应用:
三极管（又称晶体管）具有电流放大作用。
组成放大器时，晶体管工作在放大区，以NPN管为例，其极间电压为VBE﹥0（正向偏置），VBC﹤0（反向偏置），IC=βIB。
组成开关电路时，工作在饱和区和截止区。
在饱和区时，IB﹥IC，在截止区时，VBE﹤0（反向偏置），VBC﹤0（反向偏置）。
整形电路
由于被测信号是多种多样的，有三角波、正弦波等，要使计数器准确计数，必需将输入的波形整形，以达到标准的方波信号。
施密特触发器是整形电路经常使用的电路，能够由门电路组成。
另外，也能够直接利用集成施密特触发器。
施密特触发器，又称做“具有电压滞后特性的数字传输门”。
其特点如下：
（1）与单稳态触发器不同，施密特触发器不属于边沿峻峭脉冲触发型电路，它依托于“电平触发”。
（2）输入电平的阈值电压由低到高为UT+，由高到低为UT-，且UT+﹥UT-，输出电压的转变滞后于输入电压，形成回环。
常将UT+称为正向阈值电压，UT-称为负向阈值电压，二者的“回差”称为回差电压。
（3）施密特触发器输出高电平和低电平两个状态的维持与转换完全取决于输入电压UI的大小。
当输入电压升到略大于UT+或下降到略小于UT-时，施密特触发器的状态才会迅速翻转，从而输出波形为边沿峻峭的矩形脉冲。
施密特触发器的电压传输特性如图3-3所示。
图3-3 施密特触发器电压传输特性
由门电路组成施密特触发器如图3-4所示。
（a）由门电路组成整形电路（b）专用芯片
图3-4 整形电路
电路（a）利用“与非”门74LS00组成施密特触发器，二极管D起电平偏移作用，假设为硅管导通压降为0.7V。
在经常使用的TTL和CMOS集成电路中，都有施密特flip-flop，如74LS14和CC40106，如图（b）所示。
74LS14的典型数值是V+=1.7V，；CC40106的阈值电压范围是
3.6V>V+>2.2V，1.6V>V->0.3V（VDD=5V）。
另外，施密特触发器还能将高、低电平边沿有干扰的信号变成规整的距形波信号。
3.3逻辑操纵电路
操纵和谐整机工作，即预备—测量—显示。
如图3-5所示。
图3-5 逻辑操纵电路的工作进程
操纵电路的功能确实是产生各类操纵信号，操纵、和谐各电路单元的工作，使整机按“预备—测量—显示”的工作程序完成自动测量的任务。
如图3-6所示，依照数字频率计的原理框图及各级电路波形，设计相应的操纵电路。
依照图2-4（A）所示波形，在时基信号即与门信号（B）终止时产生的负跳变用来产生锁存信号（D），锁存信号（D）的负跳变又用来产生清零信号（E）。
脉冲信号D和E可由两个稳态触发器74LS123产生，它们的脉冲宽度由电路的时刻常数决定。
设锁存信号D和清零信号E的脉冲宽度tw相同，若是要求tw=0.02s，tw=0.45RextCext=0.02s假设取Rext=10kΩ,那么Cext=tw/0.45Rext=4.4uF取标称值4.7uF
图3-6 逻辑操纵电路
74LS123的芯片图如图3-7所示，由74LS123的功能表3-2可得，当1RD=1B=1，触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变转变作用下，输入端1Q可取得一正脉冲，1Q端可取得一负脉冲，其波形关系正好知足波形图D和E的要求。
手动复位开关S按下时，计数器清零。
图3-7双可重触发单稳态触发器
依照电路内部结构，集成单稳态触发器分为非重触发单稳态触发器与可重触发单稳态触发器。
非重触发单稳态触发器的常见产品有74LS121，功能它有两个负跳变触发输入端1A和2A及一个正跳变触发输入端B。
其中，B端具有施密特电路的功能，它对触发脉冲的边沿要求不苛刻，而对触发脉冲的电平有必然要求，典型值为1.2V。
图3-8所示的波形图说明了非重触发单稳态触发器的输入、输出波形关系。
B为一列输入脉冲，Q为输出脉冲。
在触发脉冲B1的上升沿（正跳变）作用下，输出Q变成高电平，并“停留”一段时刻tw后自动返回低电平，称此“停留”时刻tw的单稳态触发器的“延迟”时刻。
在这段时刻内，输入脉冲B2…可不能改变Q的高电平状态，只有等触发器延迟时刻tw完成后，Q才返回为低电平，故称为非重
触发。
表3-2 74LS121（左）、74LS123（右）功能表
可重触发单稳态触发器的常见产品有74LS123或74LS121。
这是一个双单稳态触发器，每一个触发器功能如表3-1所示。
触发器的输入、输出波形关系如图3-7所示。
输入脉冲B1动身后还能够借助B2再触发，使输出脉冲展宽，故称为可重触发。
由图可见，未加重触发脉冲时的输出端Q的脉宽为tw1，加重触发脉冲以后的脉宽变成tw2，即
tw2=T+tw1
关于74LS123，tw1=0.45RextCext
式中，Rext为其外接按时电阻；Cext为其外接按时电容。
可重触发的单稳态触发器一样都带有复位端和清零端CLR。
在清零端CLR变成低电平常，由表可得，不论这时触发器的输入端A、B为何值，触发器的输出Q=0。
（1）非重触发单稳态触发器的输入、输出波形
（2）可重触发单稳态触发器的输入、输出波形
图3-8 波形图
计数器
时刻计数单元有分计数和秒计数等几个部份。
要实现0.1秒计数，需设计一个10进制计数器；要实现秒计数，需设计一个60进制计数器；要实现分计数，需设计一个10进制计数器，那个地址选用74LS90实现。
十分之一秒计数器和分计数器是十进制，因此只需要将74LS90接成十进制即可。
74LS90是二…五十进制计数器，因此设计一个60进制秒计数器要用两个74LS90，当计数状态一到01100000当即清零。
异步计数器（74LS90/92/93）
所谓异步计数器是指计数器内各触发器的时钟信号不是来自于同一外接输入时钟信号，因此各触发器不是同时翻转的计数器。
这种计数器的计数速度慢。
图3-9 74LS90内部逻辑电路
该电路由4级触发器与几个门电路所组成，有两个时钟输入端CPA和CPB。
其中，CPA和Q0组成一名二进制计数器；CPB和Q3Q2Q1组成五进制计数器；假设将Q0与CPB相连接，时钟脉冲从CPA输入，那么组成8421BCD码十进制计数器，计数时序如下表所示。
假设将Q3与CPA相连，计数脉冲从CPB输入，那么Q0Q3Q2Q1的输出组成二—五混合十进制计数器，计数时序如表。
这时Q0的输出为一对称的十分频方波。
74LS90有两个清零端R0
（1）、R0
（2）和两个置9端R9
（1）、R9
（2）。
其功能如表图3-3，
图3-10 74LS90芯片图
表3-3 74LS90计数时序及功能
3.5锁存器
锁存器的作用是将计数器在1S终止时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳固地显示现在计数器的值。
如图2-4所示，1S计数时刻终止时，逻辑操纵电路发出锁存信号D，将现在计数器的值送译码显示器。
选择8D锁存器74LS273能够完成上述功能。
那时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。
从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
正脉冲终止后，不管D为何值，输出端Q的状态仍维持原先的状态Qn不变。
因此在计数期间内，计数器的输出可不能送到译码显示器。
图3-11 74LS273芯片图
3.6显示部份
3LED显示原理
显示器是单片机应用系统经常使用的设备，包括LED、LCD等，LED显示器由假设干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个笔画或一个点就发光。
操纵相应的二极管导通，就能够显示出对应字符。
LED即发光二极管，它是一种由某些特殊的半导体材料制作成的PN结，由于搀杂浓度很高，当正向偏置时，会产生大量的电子—空穴复合，把多余的能释放变成光能。
LED显示器具有工作电压低、体积小、寿命长（约十万小时）、响应速度快（小于1us），颜色丰硕等特点，LED的正向工作压降一样在1.2V～2.6V，发光工作电流在5mA～20mA，发光强度大体上与正向电流成正比，故电路须串联适当的限流
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