簡易數(shù)字頻率計(jì)

1、數(shù)字電路設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題： 簡易頻率計(jì)數(shù)器 專業(yè)班級： 13電信卓越班 學(xué)生姓名： 黃趙 學(xué)號：130803012指導(dǎo)教師： 許糧老師 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2015年1月4日 簡易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1掌握使用小規(guī)模電路組合成專門功能電路的設(shè)計(jì)方法和步驟；2設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)對0999,1000進(jìn)制計(jì)數(shù)器頻率的精確測量；3 掌握影響測量脈沖波形參數(shù)的定時(shí)原件數(shù)值的計(jì)數(shù)方法。二、方案設(shè)計(jì)與論證數(shù)字頻率計(jì)是一種用數(shù)字顯示的頻率測量儀表，它不僅可以測量正弦信號、方波信號和尖脈沖信號的頻率，而且還能對其他多種物理量的變化頻率進(jìn)行測量，諸如機(jī)械振動次數(shù)，物體轉(zhuǎn)動速度，明暗變化的閃光次數(shù)，單位時(shí)間

2、里經(jīng)過傳送帶的產(chǎn)品數(shù)量等等，這些物理量的變化情況可以有關(guān)傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的信號，然后用數(shù)字頻率計(jì)測量單位時(shí)間內(nèi)變化次數(shù)，再用數(shù)碼顯示出來。方案一、使用石英晶體穩(wěn)頻的多諧振蕩器作為時(shí)基單元 右圖為由門電路組成的石英晶體穩(wěn)頻的多諧振蕩器的電路結(jié)構(gòu)和電路符號。可以看出將石英晶體與對稱式多諧振蕩器的電容串聯(lián)起來，就組成了右圖的石英晶體振蕩器。方波兩個(gè)電容，,充放電，晶振兩個(gè)反相器，2.方案二、使用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器作為時(shí)基單元 右圖為由定時(shí)器和外接元器件，構(gòu)成的多諧振蕩器，腳與腳直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過，向電容充電，以及通過向放電

3、端放電，使電路產(chǎn)生自激振蕩。方波NE555自激振蕩RC充放電通過分析，使用555構(gòu)成的自激多諧振蕩器可以調(diào)節(jié)時(shí)基信號，使測量范圍更加廣，測量更加精確再結(jié)合設(shè)計(jì)電路性能指標(biāo)、器件的性價(jià)比，本設(shè)計(jì)電路選擇方案二。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 簡易數(shù)字頻率計(jì)由主要由四個(gè)部分構(gòu)成：時(shí)基（T）電路、輸入電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個(gè)測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個(gè)輸入端。主門的另外一個(gè)輸入端為時(shí)基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來顯

4、示被測信號的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測量設(shè)置。測量電路被測信號 顯示電路檔位轉(zhuǎn)換總體設(shè)計(jì)圖簡易數(shù)字頻率計(jì)原理圖3.1振蕩器電路設(shè)計(jì)3.1.1 555定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖（A）及管腳排列如圖（B）所示。 它由分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個(gè)5的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器、提供參考電壓，比較器的參考電壓為，加在同相輸入端，比較器的參考電壓為，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放、組成。高電平觸發(fā)信號加在的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后

5、，其結(jié)果作為基本R-S觸發(fā)器端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器端的輸入信號。基本R-S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器、的輸出端控制。 3.1.2 555定時(shí)器的工作原理 由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖(C)所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖(D)所示。設(shè)電容的初始電壓，t時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端，比較器1輸出為高電平，輸出為低電平，即，（1表示高電位，0表示低電位），觸發(fā)器置，定時(shí)器輸出此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容充電，逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由翻轉(zhuǎn)為，這時(shí)，觸發(fā)順保

6、持狀態(tài)不變。所以0t期間，定時(shí)器輸出為高電平。時(shí)刻，上升到，比較器的輸出由變?yōu)?，這時(shí)，觸發(fā)器復(fù)，定時(shí)器輸出。期間，放電三極管導(dǎo)通，電容通過放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)時(shí)比較器輸出由變?yōu)?，觸發(fā)器的，的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時(shí)刻，下降到，比較器輸出由1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的1，0，觸發(fā)器處于1，定時(shí)器輸出。此時(shí)電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出，電容放電時(shí)，0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?.1.3 555定時(shí)器的振蕩周期由圖（D）可知，振蕩周期。為電

7、容充電時(shí)間，為電容放電時(shí)間。充電時(shí)間 放電時(shí)間 矩形波的振蕩周期因此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個(gè)參數(shù)：占空比q，q=（脈寬）/（周期T），指輸出一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間。圖（C）所示電路輸出矩形波的占空比。 3.2時(shí)基電路設(shè)計(jì)：時(shí)基電路: 用555定時(shí)器和電容、電阻組成多諧振蕩器產(chǎn)生1Hz的脈沖，根據(jù)書中的振蕩周期 : T=(R1+R2)C*ln2 取C=10uF，R1=2K，T=1s，計(jì)算得:R2=70.43K，再通過T觸發(fā)器T_FF把脈沖正常高電平為1s的脈沖。 NE555的內(nèi)部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的

8、RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復(fù)位Reset端，通過比較器A1，復(fù)位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。3.3.3 放大整形電路電路設(shè)計(jì) CD4017是5位Johnson計(jì)算器，具有10個(gè)譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端。時(shí)鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無限制。INH為低電平時(shí)，計(jì)算器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)；反之，計(jì)數(shù)功能無效。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。Johnson計(jì)數(shù)器，提供了快速操作，2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計(jì)數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有

9、在對應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10個(gè)時(shí)鐘輸入周期CO信號完成一次進(jìn)位，并用作多級計(jì)數(shù)鏈的下級脈動時(shí)鐘。 4017的引腳圖和真值表 CD4017內(nèi)部是除10的計(jì)數(shù)器及二進(jìn)制對10進(jìn)制譯碼電路。 CD4017有16支腳，除電源腳VDD及VSS為電源接腳，輸入電壓范圍為315V之外，其余接腳為： A、頻率輸入腳：CLOCK(Pin14)，為頻率信號的輸入腳。B、數(shù)據(jù)輸出腳：a、 Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，為*后的時(shí)進(jìn)制輸出接腳，被計(jì)數(shù)到的值，其輸出為Hi，其余為Lo 電位。b、CARRY OUT（Pin12），進(jìn)位腳，當(dāng)4017計(jì)數(shù)10個(gè)脈沖之后，CARRY

10、OUT將輸出一個(gè)脈波，代表產(chǎn)生進(jìn)位，共串級計(jì)數(shù)器使用。D、 控制腳：a、 CLEAR(Pin15)：清除腳或稱復(fù)位(Reset)腳，當(dāng)此腳為Hi時(shí)，會使CD4017的Q0為”1”，其余Q1-Q9為”0”。b、CLOCK ENABLE(Pin13)，時(shí)序允許腳，當(dāng)此腳為低電位，CLOCK輸入脈波在正緣時(shí)，會使CD4017計(jì)數(shù)，并改變Q1-Q9的輸出狀態(tài)。3.3.4 閘門電路: 用一個(gè)與非門74LS00作為脈沖能否通過的閘門，當(dāng)定時(shí)信號Q為高電平時(shí)，閘門打開，輸入信號進(jìn)入計(jì)數(shù)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，否則，其不能通過閘門。 3.3.5計(jì)數(shù)和顯示電路: ,計(jì)數(shù)電路用3片CD40110計(jì)數(shù)器組成1000進(jìn)制的計(jì)數(shù)

11、電路，顯示電路由3個(gè)LED數(shù)碼管組成。 為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。其特點(diǎn)是計(jì)數(shù)脈沖作為時(shí)鐘信號同時(shí)接于各位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端，在每次時(shí)鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準(zhǔn)備好適當(dāng)?shù)臈l件。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖沿到來時(shí)，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。 被測信號經(jīng)過整形電路變成方波，加到門控電路產(chǎn)生閘門信號，Tx=1s，則閘門打開的時(shí)間也為1s，在此期間內(nèi)，周期為的標(biāo)準(zhǔn)脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 40110為十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器/鎖存器/譯碼器/驅(qū)動器，具有加減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器狀 態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。40110有 2個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘

12、輸入端CPU和 CPD分別用作加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入和減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘信號預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘輸入端計(jì)數(shù)工作時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。40110的進(jìn)位輸出CO和借位輸出 BO一般為高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器從09時(shí)，BO輸出負(fù)脈沖；從90時(shí)CO輸出負(fù)脈沖。在多片級聯(lián)時(shí)，只需要將CO和 BO分別接至下級 40110的 CPU和 CPD端，就可組成多位計(jì)數(shù)器。四、總原理圖及元器件清單1總原理圖四、總電路工作原理及元器件清單1.總原理圖：3.元件清單 元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注（單價(jià)） 1CD40110GK7491AG3塊 2CD401762F2X6KE41塊 374LS001

13、塊 4EN555K104G41塊 51N4148二極管2個(gè) 6電解電容100uF1個(gè) 7電容 0.2uF1個(gè) 850k滑動變阻器1個(gè) 9導(dǎo)線若干圖簡易數(shù)字頻率計(jì)電路圖五、仿真： 采用Professional仿真，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求 1、 在信號輸入端輸入100Hz的交流脈沖，仿真，結(jié)果如下: 仿真結(jié)果準(zhǔn)確 2、在信號輸入端輸入150Hz的交流脈沖，仿真，結(jié)果如下: 說明仿真的結(jié)果準(zhǔn)確3、在信號輸入端輸入10Hz的交流脈沖，仿真，結(jié)果如下: 說明仿真的結(jié)果準(zhǔn)確六、安裝與調(diào)試1.電路安裝電路焊接：按照仿真電路圖進(jìn)行電路焊接，焊接時(shí)應(yīng)注意對應(yīng)各芯片引腳，其中應(yīng)特別注意各個(gè)器件的布局與連線（盡量做到?jīng)]有

14、過橋線，不出現(xiàn)短路，脫焊現(xiàn)象）；對器件進(jìn)行焊接時(shí)，焊接時(shí)間不宜過久，以避免燒壞器件；數(shù)碼管要接地，各芯片要注意接地和接電源；焊接時(shí)，最好使用底座來插芯片，以避免電烙鐵溫度太高，損壞芯片等。 2.電路調(diào)試 接通電源之前先用萬用表測量各連線和芯片引腳，檢查是否存在虛焊，短路，開路，沒有接電源的現(xiàn)象，盡量在開始實(shí)驗(yàn)之前排除問題，以得到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)效果。七、性能、功能測試與分析1、.功能電路測試與分析（1） 測試步驟A. 接通電源，調(diào)節(jié)電位器，使時(shí)基電路產(chǎn)生1HZ的脈沖信號；B. 撥動開關(guān)，選擇合適的模式，接入不同信號進(jìn)行調(diào)試；C. 觀察數(shù)碼管顯示的示數(shù)，與輸入信號進(jìn)行比較，記錄并分析實(shí)驗(yàn)誤差。

15、（2） 結(jié)論分析比較數(shù)碼管的示數(shù)和輸入信號，在誤差允許的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的簡易數(shù)字頻率計(jì)可以實(shí)現(xiàn)1S內(nèi)不同輸入信號的頻率計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)合理。焊接實(shí)物圖如圖所示：實(shí)驗(yàn)過程截圖：8、 結(jié)論 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況通過為期兩周的課程設(shè)計(jì)，完成了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，剛開始設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于控制電路這部分比較難搞定，所以在連接電路的時(shí)候，就會停下來設(shè)計(jì)控制電路，為了提高效率，在實(shí)際的操作中，先連好時(shí)基電路，分頻電路測試通過后，再把顯示電路和計(jì)數(shù)電路連好，調(diào)測符合要求。最后搞定控制電路的連接。最后完成的一塊電路板，它所實(shí)現(xiàn)的功能就是可以測被測信號的頻率，周期和脈寬。在調(diào)測的過程中發(fā)現(xiàn)測量頻率時(shí)，檔位在1Hz999Hz，最

16、終得到的結(jié)果的誤差稍微大了點(diǎn)，其他的測量結(jié)果非常接近測量值。問題及改進(jìn)在設(shè)計(jì)的555構(gòu)成多諧振蕩器輸出的方波信號，由于電路里面使用的電容元件，在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，隨著實(shí)驗(yàn)室里面溫度的變化，輸出信號的頻率也會發(fā)生變化，這是造成誤差的一個(gè)原因，為了在驗(yàn)收的時(shí)候提高測量的準(zhǔn)確性，所以在測量前要調(diào)節(jié)電位器，把產(chǎn)生的方波信號接示波器，測量其輸出頻率，調(diào)節(jié)電位器，使輸出的信號非常接近1KHz，這樣的話在后面的測量中會減小誤差。在調(diào)測計(jì)數(shù)顯示電路的時(shí)候，在連接4511元件的時(shí)候忘記了將4511的5端接地，導(dǎo)致數(shù)碼管無法計(jì)數(shù)，在實(shí)驗(yàn)的過程中，連接好電路以后，發(fā)現(xiàn)沒反應(yīng)，然后通過示波器一個(gè)一個(gè)檢測元件的輸入和輸出信號

17、，看看是不是和理論的一樣。找出不符合理論的那部分，對照電路圖進(jìn)行檢查修改，最后發(fā)現(xiàn)有的芯片的使能端沒有接地，導(dǎo)致元件的功能沒有實(shí)現(xiàn)。所以在連接電路的時(shí)候要細(xì)心，這也是要改進(jìn)的地方。不然的話就會出現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)的連接上面的問題。在最終測量頻率很低的時(shí)候，那么本次電路測量頻率的算法就有了一定的缺點(diǎn)。例如，當(dāng)被測信號為0.5Hz時(shí)，其周期為2s，這時(shí)閘門的脈沖仍為1s顯然是不行的。故應(yīng)該加寬閘門脈沖的寬度假設(shè)閘門脈沖寬度加至10S，則閘門導(dǎo)通期間可計(jì)數(shù)5次，由于計(jì)數(shù)值5是10s的計(jì)數(shù)結(jié)果，故在顯示之間必須將計(jì)數(shù)值除以10.加寬閘門信號也會帶來一些問題：計(jì)數(shù)結(jié)果要進(jìn)行除以10的運(yùn)算，每次測量的時(shí)間最少要

18、10s，時(shí)間過長不符合人們的測量習(xí)慣，由于閘門期間計(jì)數(shù)值過少，測量的精度也會下降。為了克服測量低頻信號時(shí)的不足，可以使用另一種算法。將被測信號送入被測信號閘門產(chǎn)生電路，該電路輸出一個(gè)脈沖信號，脈寬與被測信號的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。設(shè)置一個(gè)頻率精度較高的周期信號（例如10KHz）作為時(shí)基信號，當(dāng)閘門導(dǎo)通時(shí)，時(shí)基信號通過閘門到達(dá)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)。由于閘門導(dǎo)通時(shí)間與被測信號周期相同，則可根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值和時(shí)基信號的周期算出被測信號的周期T。T=時(shí)基信號周期*計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值。再根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系，算出被測信號的頻率f。這里面就提供一個(gè)思想。沒有通過實(shí)踐去驗(yàn)證。不可避免，這個(gè)算法也有它自己的缺陷。實(shí)驗(yàn)心得本次實(shí)驗(yàn)讓我們體味到設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的樂苦與甜。設(shè)計(jì)是我們將來必需的技能，這次實(shí)習(xí)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識的機(jī)會，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計(jì)對電路的調(diào)試再到最后電路的成型，都對我所學(xué)的知識進(jìn)行了檢驗(yàn)。在實(shí)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)了以前學(xué)的數(shù)字電路的知識掌握的不牢。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中，遇到了一些以前沒有見到過的元件，但