數(shù)字頻率計(jì)電路

1、第二章 電路的總體設(shè)計(jì)方案2.1方案論證與選擇2.1.1方案的提出方案一 電路整體框架如圖一所示。被測信號經(jīng)過放大，整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈動信號，送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，閘門的一個輸入信號是秒脈沖發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，秒脈沖信號源含有個高穩(wěn)定的石英振蕩器和一個多級分頻器共同決定，其時間是相當(dāng)精確的，計(jì)數(shù)器顯示電路采用七段共陰極LED數(shù)碼管。圖 2-1 方案一 框架圖方案二：本方案采用單片機(jī)程序處理輸入信號并且將結(jié)果直接送往LED顯示，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸入信號前進(jìn)行放大整形，在通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機(jī)系統(tǒng)，采用這種方法可大大提高測試頻率的精度和靈活性，并且能極大的減少外部干擾，采用VDH

2、L編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計(jì)，除被測信號的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分以外，其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)，整個系統(tǒng)非常精簡，而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。但采用這種方案相對設(shè)計(jì)復(fù)雜度將會大大提高并且采用單片機(jī)系統(tǒng)成本也會大大提高。圖2-2 方案二 框架圖方案三:采用頻率計(jì)專用模塊,即大規(guī)模集成電路將計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼、位和段驅(qū)動，量程及小數(shù)點(diǎn)選擇等電路集成在一塊芯片中，該方案在技術(shù)上是可行的，可以簡化電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)對于設(shè)計(jì)要求中的某些指標(biāo)，采用專用模塊來完成比較困難，即擴(kuò)展極為不便。 圖2-3 方案三 框架圖2.1.2方案的的比較方案一：具有設(shè)計(jì)復(fù)雜度小、電路簡潔、功能實(shí)用且成本低廉等

3、特點(diǎn)，其穩(wěn)定性較好基本能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二：采用單片機(jī)處理能較高要求，但成本提高且設(shè)計(jì)復(fù)雜，雖然可以達(dá)到很高的精度要求，但是，VHDL編程語言是我們在學(xué)習(xí)過程中沒有接觸過的，短期內(nèi)也很難掌握并且熟練運(yùn)用。方案三：用專用頻率計(jì)設(shè)計(jì)模塊固然設(shè)計(jì)簡單且穩(wěn)定但系統(tǒng)可擴(kuò)展性能較差。2.1.3方案的選擇綜合三種方案比較：我感覺方案一和我以前學(xué)的專業(yè)知識更接加近些，電路原理容易理解，所設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)穩(wěn)定性好，基本上能夠滿足設(shè)計(jì)要求，所以我采用第一種設(shè)計(jì)方案。圖25 數(shù)字頻率計(jì)組成框圖在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，數(shù)字頻率計(jì)由信號輸入電路、分頻電路、放大整形電路、閘門電路、時基電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)電路、鎖存電路、

4、譯碼顯示電路，小數(shù)點(diǎn)移位電路，量程選擇開關(guān)等組成。所謂頻率，就是周期性信號的在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)，若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為： （21）上圖是數(shù)字頻率計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖。被測信號經(jīng)放大整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號，其頻率與被測信號的頻率fx 相同。時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號，其高電平持續(xù)的時間t1=1s ,當(dāng)1s信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到1s信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在閘門時間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率fx=N Hz 。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖 ，使顯示

5、器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清“0”脈沖，使計(jì)數(shù)器每次測量從零開始計(jì)數(shù)。頻率計(jì)中各信號波形如圖26所示：圖26 頻率計(jì)中各信號波形說明： 1、脈沖信號為被測信號經(jīng)放大整形電路后變成的計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號，其頻率與被測信號的頻率fx相同，或與被測信號的頻率呈一定的比例關(guān)系。 2、信號為時基電路提供的標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號，其高電平持續(xù)時間為1S，當(dāng)此信號來到，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；此信號結(jié)束，則閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。脈沖信號又可稱為閘門時間脈沖，用T表示。 3、脈沖信號為閘門時間脈沖控制下閘門所輸出的脈沖，因?yàn)橐獙⑺腿胗?jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以又將閘門所輸出的信號稱為計(jì)數(shù)脈沖

6、信號。若在閘門時間1S內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率fx=N Hz 。4、脈沖信號即為鎖存信號，是邏輯控制電路產(chǎn)生的，控制鎖存器鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果的控制信號，它由時基信號結(jié)束時產(chǎn)生的負(fù)跳變來產(chǎn)生。5、脈沖信號是計(jì)數(shù)器的清零信號，也是邏輯控制電路所產(chǎn)生，用于控制計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，使計(jì)數(shù)器每次測量從零開始計(jì)數(shù)。它是由鎖存信號結(jié)束產(chǎn)生的負(fù)跳變來產(chǎn)生。在這個總的電路設(shè)計(jì)中包含有幾個不同功能的分電路，每個電路在本設(shè)計(jì)中都有著自己特有的功能，也只有這幾個分電路組合在一起才使得整個的電路實(shí)現(xiàn)其所要達(dá)到的功能。所以還是先介紹一下每一個分電路的功能特點(diǎn)。第三章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1時基電路和閘門電路3.1.1

7、時基電路時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號，其高電平持續(xù)時間為1s，由555定時器構(gòu)成的多諧蕩器產(chǎn)生。a555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時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)部邏輯電路結(jié)構(gòu)如圖31(a)所示及管腳圖如圖31(b)所示：圖31（a）555定時器內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)圖31（b）555定時器管腳圖它由分壓器、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

8、參考電壓比較后，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?；綬-S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器、的輸出端控制。b多諧振蕩器工作原理由555定時器組成的多諧振蕩器如圖32(a)所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖32(b) 所示：圖32(a) 由555定時器構(gòu)成的多諧謝振蕩器圖32(b) 由555定時器構(gòu)成的多諧謝振蕩器工作波形設(shè)電容的初始電壓，t時接通電源，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

9、，定時器輸出此時，定時器內(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，輸出由翻轉(zhuǎn)為，這時，觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間，定時器輸出為高電平。時刻，上升到，比較器的輸出由變?yōu)?，這時，觸發(fā)器復(fù)，定時器輸出。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)時比較器輸出由變?yōu)椋|發(fā)器的，的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時刻，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，定時器輸出。此時電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。表31 555集成定時器的功能表本設(shè)計(jì)需要的時基信號波形如圖3-3所示圖3-3本設(shè)計(jì)要求的時基波形振蕩器的輸出波形如圖3-3

10、所示,其中。由公式和,可計(jì)算出電阻及電容的值.若取電容則， 取 取可得到本設(shè)計(jì)的時基電路，如圖34所示：圖3-4 時基電路3.1.2閘門電路測量控制電路（閘門電路）：用于控制輸入脈沖是否送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 由一個數(shù)字邏輯元件與非門來獨(dú)立完成，其一端輸入高電平持續(xù)時間為1s（0.25s）的時基信號，另一端輸入經(jīng)過放大整形后的未知頻率的待測信號，與非門的輸出端接低位計(jì)數(shù)器的信號輸入端。如圖3-5所示：圖3-5 閘門電路閘門電路部分的與非門選用74LS00，74LS00是四2輸入與非門。其管腳圖如圖3-6所示。圖3-6 74LS00管腳圖表3-2 74LS00真值表3.2放大和整形電路為了能測量不同電

11、平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進(jìn)行放大與整形處理，使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。3.2.1放大電設(shè)計(jì)低頻放大電路采用由3DG100構(gòu)成帶電流串聯(lián)負(fù)反饋的分壓式單管共射放大電路比較合適，工作點(diǎn)穩(wěn)定，工作頻率范圍較寬，放大器輸入阻抗比較大。電路結(jié)構(gòu)如圖3-7所示：圖3-7 低頻信號放大電路在圖3-7所示低頻信號放大電路中，三極管3DG100起電流放大作用，是組成放大器電路的關(guān)鍵元件。直流電源Vcc提供整個放大電路的能源，并且與電阻R1,R2,Rp確定三極管合適的靜態(tài)工作狀態(tài)，即保證三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，使三極管處于正常放大

12、的狀態(tài)。集電極通過一個電阻Re接地，通過該電阻的反饋來自動調(diào)節(jié)Ube的大小，使Ube基本保持不變。為了增大放大倍數(shù)，減少輸入阻抗，在Re的兩端并聯(lián)一個較大的旁路電容Ce，若Ce兩端的交流壓降可以忽略，則電壓放大倍數(shù)將不會因此而下降。電容C的作用是隔直流。高頻放大電路采用的是ucp1651芯片對高頻信號進(jìn)行放大，放大電路如圖3-8所示：圖3-8 高頻信號放大電路3.2.2整形電路設(shè)計(jì)整形電路的作用是將輸入的周期性信號，如正弦波、三角波或其他呈周期性變化的波形變換成脈沖波，其周期不變。將其他波形變換成脈沖波的電路有多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，本設(shè)計(jì)用到是過零比較器，如圖 3-9所

13、示：圖3-9被測信號整形電路在整形電路中比較放大電路采用OP37將輸入得非方波信號（如正弦波，三角波等）轉(zhuǎn)換為方波加以限幅，消波，在利用7404整形使其轉(zhuǎn)換成TTL電平輸出。輸出波形如圖3-10所示：圖3-10 脈沖形成電路波形圖本電路由放大電路與整形電路兩部分組成。對于輸入幅度比較小的正弦波，三角波，方波信號，要測量其頻率大小，首先要進(jìn)行放大整形，變成同頻率的方波信號，實(shí)現(xiàn)此功能的電路如圖3-11所示：圖3-11 放大與整形原理圖3.3邏輯控制電路控制電路是通用電子計(jì)數(shù)器完成邏輯控制的指揮系統(tǒng)，控制著主閘門的開啟和關(guān)閉。在控制電路的協(xié)調(diào)指揮下，全機(jī)各部分電路協(xié)調(diào)動作，完成各項(xiàng)測量工作。通用電

14、子計(jì)數(shù)器的測量程序是計(jì)數(shù)顯示復(fù)零。也就是說，在主門開啟的時間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后由顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來，接著發(fā)出復(fù)零信號使儀器又恢復(fù)到測量前的初始工作狀態(tài)。邏輯控制電路用來產(chǎn)生兩種控制信號，一種是控制鎖存器鎖存的脈沖信號，另一種是產(chǎn)生計(jì)數(shù)器的清零信號，這兩種信號都需要由信號負(fù)跳變觸發(fā)，其中控制鎖存的信號是由時基信號負(fù)跳變觸發(fā)，清零信號則是由鎖存信號的負(fù)跳變觸發(fā)產(chǎn)生，這里就需要用到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，兩種信號各由一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器負(fù)責(zé)產(chǎn)生。經(jīng)選擇采用雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123，手動復(fù)位開關(guān)S按下時，計(jì)數(shù)器清“0”。其電路如圖3-12所示：圖3-12 邏輯控制電路圖 圖3-13 74LS123管腳圖 表

15、3-4 74LS123功能表設(shè)鎖存信號和清零信號的脈沖寬度相同，如果要求 =0.02s,則得若取 =10K 則 取標(biāo)稱值3.4鎖存器3.4.1電路的選擇鎖存器是構(gòu)成各種時序電路的存儲單元，具有0和1兩種狀態(tài)，一旦狀態(tài)確定就能自行保持，即長期保持一位二進(jìn)制碼，直到有外部信號作用時才有可能改變。鎖存器是一種對脈沖電平敏感的存儲單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上獲得穩(wěn)定的測量值。因?yàn)樵?s內(nèi)要計(jì)成千上萬個輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將隨計(jì)數(shù)器的輸出而變化，不便于讀數(shù)。1s計(jì)數(shù)結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號，

16、將計(jì)數(shù)器此時的值送譯碼顯示器，因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。選用8D鎖存器74LS273可以完成上述功能.當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)Qn 不變所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。鎖存器連接如圖3-14所示：圖3-14 鎖存器連接電路圖選用三個8位鎖存器74L273可以完成上述功能。當(dāng)時鎖存信號CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入。從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。高電平結(jié)束后，無論D為何值，輸出端的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以,在計(jì)數(shù)期間內(nèi)

17、，計(jì)數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。D觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表如圖所示：表3-5 D觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表3.4.2 8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器74LS27374LS273是帶清除端的八D觸發(fā)器，只有清除端為高電平時才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，在上升沿鎖存。74LS273的1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時,輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;當(dāng)1腳為高電平時，11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平

18、狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。 74LS273的邏輯功能是，當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，既Q=D。正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)Qn不變。74LS237的引腳圖如圖3-15所示 圖3-15 74LS273管腳圖 當(dāng)脈沖CLK的正跳變到達(dá)，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將從而將六個十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即個位、十位、百位、千位、萬位、十萬位的輸出值送到鎖存器的輸出端，正脈沖結(jié)束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變，所以在計(jì)數(shù)期間計(jì)

19、數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。3.5譯碼顯示電路設(shè)計(jì)3.5.1七段數(shù)字顯示器在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中，都需要將數(shù)字量直觀地顯示出來，一方面供人們直接讀取測量和運(yùn)算的結(jié)果；另一方面用于監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。因此，數(shù)字顯示電路是許多的數(shù)字設(shè)備不可缺少的部分。數(shù)字顯示電路通常由譯碼器，驅(qū)動器和顯示器等幾個部分組成，如圖3-16所示：圖3-16 數(shù)字顯示框圖下面對顯示器和譯碼器驅(qū)動器分別進(jìn)行介紹。電子顯示技術(shù)的應(yīng)用與研究涉及的范圍很廣，包括各種發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理的研究、實(shí)驗(yàn)；各種顯示方式的基本原理及其結(jié)構(gòu)形式，顯示用的材料與器件的選擇和制作工藝；顯示信息的輸入、變換、處理和控制，等等。隨著科學(xué)

20、技術(shù)的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)、軍事、社會與人們生活的發(fā)展，信息的種類和數(shù)量不斷增加。人們生活在信息計(jì)會中，每時每刻都在獲得某種信息。數(shù)碼顯示器是用來顯示數(shù)字，文字或符號的器件，現(xiàn)在已有很多種不同類型的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用與各種數(shù)字設(shè)備中，目前數(shù)碼顯示器件正朝著小型，低功耗，平面化方向發(fā)展。數(shù)碼顯示方式一般有三中：第一種是字形重疊式，它是將不同字符的電極重疊起來，要顯示字符，只需要使相應(yīng)的電極發(fā)光即可，如輝光放電管，邊光顯示管等。第二種是分端式，數(shù)碼是由分布在同一平面上若干端發(fā)光的筆劃組成，如熒光數(shù)碼管等。第三種是點(diǎn)陣式，它由一些按一定規(guī)律排列的可發(fā)光的點(diǎn)陣組成，利用光點(diǎn)的不同的組合便以顯示不同的數(shù)碼，如場發(fā)

21、光記分牌。近年來，由于半導(dǎo)體的制作和加工工藝逐步成熟和完善，發(fā)光二極管（LED： Light Emitting Diode）已日趨在固體顯示中占主導(dǎo)地位。 LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開的。這些優(yōu)點(diǎn)概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化而易與集成電路匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。 LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。 由組成半導(dǎo)體的材料不同而可以得到能發(fā)出不同色彩的LED晶點(diǎn)。近幾年，隨著微電子技術(shù)、自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體制作工藝日趨成熟

22、，導(dǎo)致LED顯示點(diǎn)尺寸越來越小，解析度越來越高，而可將顯示光的三基色（紅、綠、藍(lán)）復(fù)原成全彩色效果，使得發(fā)光二極管（LED）作為顯示器件的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。為了使數(shù)碼管能將數(shù)碼所代表的數(shù)顯示出來，必須將數(shù)碼經(jīng)譯碼器譯出，然后經(jīng)驅(qū)動器點(diǎn)亮對應(yīng)的段計(jì)數(shù)顯示電路采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)/七段譯碼器和七段LED數(shù)碼管組成8位十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示器。內(nèi)部包含十進(jìn)制計(jì)數(shù)和七段譯碼器兩部分，譯碼輸出可以直接驅(qū)動LED數(shù)碼管。R為清零端，當(dāng)R=1時計(jì)數(shù)器全部清零。INH端接閘門控制信號，當(dāng)INH=0時，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；當(dāng)INH=1時，停止計(jì)數(shù)，但顯示的數(shù)字被保留。電路中的RBI與RBO端多級級聯(lián)，作用是自動消隱無效零。例如，計(jì)數(shù)

23、狀態(tài)為“000680”，電路自動消隱左邊三位無效零，顯示為“680”，以符合習(xí)慣。LED顯示LED（Light-Emitting Diode,發(fā)光二極管）有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。LED數(shù)碼顯示管顯示原理和結(jié)構(gòu)單個LED是由7段發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示單元，有10個引腳，對應(yīng)于7個段、一個小數(shù)點(diǎn)和兩個公共端。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。圖2.7.1是八段LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)和原理圖：圖316（a）為八段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖。八段數(shù)碼管由八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和dp，分別與同名管腳相連。 圖3-17 八段LED數(shù)碼管原理和結(jié)構(gòu)八段LED數(shù)碼顯示管原理很簡單，是

24、通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮從而顯示不同字形的。例如，若在共陰LED管的dp、g、f、e、d、c、b、a管腳上分別家上7FH控制電平（即dp上為0伏，不亮；其余為TTL高電平，全亮），則LED顯示管顯示字形“8”。7FH是按dp、g、f、e、d、c、b、a順序排列后的十六進(jìn)制編碼（0為TTL低電平，1為TTL高電平），常稱為字形碼。因此，LED上所顯示的字形不同，相應(yīng)的字形碼也不一樣。八段共陰能顯示的字形及相應(yīng)字形碼如表1所列。該表常放在內(nèi)存中，SGTB為表的起始地址，個地址偏移量為相應(yīng)字形碼對表起始地址的項(xiàng)數(shù)。由于“B”和“8” 、“D”和“0”字形相同，故“B”和“

25、D”均以小寫字母“b”和“d”顯示。 圖316（b）為共陽八段LED管的原理圖。圖中，所有發(fā)光二極管陰極共連后接到引腳G，G腳為控制端，用于控制LED是否點(diǎn)亮。若G腳接地、則LED被點(diǎn)亮；若G腳接TTL高電平，則它被熄滅。圖316（c）為共陽八段LED數(shù)碼顯示管原理圖。圖中，所有發(fā)光二極管陽極共連后接到G腳。正常顯示時G腳接+5V，各發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮取決于adp各引腳上是否低電平0伏。因此，共陰和共陽所需字形碼恰好相反，如表36所列。表3-6八段LED數(shù)碼顯示管字形碼表3.5.2 譯碼顯示電路譯碼器是組合邏輯電路的一個重要的器件，其可以分為：變量譯碼和顯示譯碼兩類。變量譯碼一般是一種較少輸入

26、變?yōu)檩^多輸出的器件，一般分為2n譯碼和8421BCD碼譯碼兩類。顯示譯碼主要解決二進(jìn)制數(shù)顯示成對應(yīng)的十、或十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換功能，一般其可分為驅(qū)動LED和驅(qū)動LCD兩類。在數(shù)字系統(tǒng)中常見的數(shù)碼顯示器通常有：發(fā)光二極管數(shù)碼管(LED數(shù)碼管)和液晶顯示數(shù)碼管(LCD數(shù)碼管)兩種。發(fā)光二極管數(shù)碼管是用發(fā)光二極管構(gòu)成顯示數(shù)碼的筆劃來顯示數(shù)字，由于發(fā)二極管會發(fā)光，故LED數(shù)碼管適用于各種場合。液晶顯示數(shù)碼管是利用液晶材料在交變電壓的作用下晶體材料會吸收光線，而沒有交變電場作用下有筆劃不會聽吸光，這樣就可以來顯示數(shù)碼，但由于液晶材料須有光時才能使用，故不能用于無外界光的場合（現(xiàn)在便攜式電腦的液晶顯示器是用背

27、光燈的作用下可以在夜間使用），但液晶顯示器有一個最大的優(yōu)點(diǎn)就是耗電相當(dāng)節(jié)省，所以廣泛使用于小型計(jì)算器等小型設(shè)備的數(shù)碼顯示。顯示譯碼器由譯碼輸出和顯示器配合使用，最常用的是BCD七段譯碼器。其輸出是驅(qū)動七段字形的七個信號。常見產(chǎn)品型號有74LS48、74LS47等。在本次設(shè)計(jì)中我采用了74LS48。74LS48邏輯功能及說明邏輯功能：燈測試輸入：當(dāng)且時，無論狀態(tài)如何，輸出全部為高電平，都可使被驅(qū)動數(shù)碼管的七段同時點(diǎn)亮，以檢查該數(shù)碼管各段能否正常發(fā)光。利用這個功能可以判斷顯示器的好壞；消隱輸入：也稱滅燈輸入。為消隱輸入，當(dāng)時，無論及輸入為何值，所有各段輸出均為低電平，顯示器處于熄滅狀態(tài)。為滅零輸出

28、；滅零輸入：可以按數(shù)據(jù)顯示需要，將顯示器所顯示的0予以熄滅，而在顯示時不受影響。它在實(shí)際應(yīng)用中是用來熄滅多位數(shù)字前后不必要的零位。將滅零輸入端與滅零輸出端配合使用，很容易實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示系統(tǒng)的滅零控制。圖3-18 74LS48芯片管腳圖表3-7 74LS48芯片功能表3.6計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的核心內(nèi)容就是電子計(jì)數(shù)器,近年來大規(guī)模的集成電路得到廣泛的應(yīng)用,在電子計(jì)數(shù)器電路上也是如此,比如現(xiàn)在的ICM7216集成IC就是CMOS工藝制造的專用IC,專用于對時間,頻率,周期等參數(shù)的測量.我在這里并不是用這個集成IC,我用的是小集成塊74LS90。74LS90是異步二五十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它既可以作

29、二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器連接電路如圖3-19所示：圖3-19計(jì)數(shù)電路圖3-20 74LS90引腳排列表3-8 74LS90功能表通過不同的連接方式，74LS90可以實(shí)現(xiàn)四種不同的邏輯功能；而且還可借助R0（1）、R0（2）對計(jì)數(shù)器清零，借助S9（1）、S9（2）將計(jì)數(shù)器置9。其具體功詳述如下：1計(jì)數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。2計(jì)數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQLQH作為輸出端，為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。3.若將CP2和QA相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。4.若將CP1與QD相連

30、，計(jì)數(shù)脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。5.清零、置9功能。a：異步清零當(dāng)R0（1）、R0（2）均為“1”；S9（1）、S9（2）中有“0”時，實(shí)現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA=0000。b：置9功能當(dāng)S9（1）、S9（2）均為“1”；R0（1）、R0（2）中有“0”時，實(shí)現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA =1001. 74LS90采用的是8421BCD計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)脈沖CP由CP0輸入，Q0接CP1，則該計(jì)數(shù)器先進(jìn)行2進(jìn)制計(jì)數(shù)，再進(jìn)行5進(jìn)制計(jì)數(shù)，從而完成8421BCD的十進(jìn)制計(jì)數(shù)，連接圖如圖3-21所示：圖3-21 8421BCD碼計(jì)

31、數(shù)3.7分頻器電路設(shè)計(jì)高頻率信號從輸入端口進(jìn)入，經(jīng)過放大器放大，在經(jīng)過分頻器進(jìn)行10分頻，得到需要的信號。分頻電路選用集成電路74LS90進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡便。74LS90是異步二五十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。采用1片74LS90實(shí)現(xiàn)10分頻。10分頻電路如圖3-22所示：圖3-22 10分頻電路3.8電源電路設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路用于當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動時穩(wěn)壓電路利用其反饋使輸出電壓保持穩(wěn)定。對于整個電源電路來說穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)是整個電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一環(huán)，它直接影響一個穩(wěn)壓電源的好壞。對于頻率計(jì)電源電路的設(shè)計(jì)，我采用一個7805三端穩(wěn)壓器電源，由三端穩(wěn)壓器

32、提供穩(wěn)定的+5V直流電源供整機(jī)電路使用。電源電路圖如3-23所示：圖3-23 電源電路在上述電路中，電路中使用一個7805來為其他模塊提供穩(wěn)定可靠的電源。電源變壓器將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈沖的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。在整流、濾波電路之后，接上7805穩(wěn)壓電路，從而維持輸出穩(wěn)定的直流電壓。二極管DQ起保護(hù)作用。當(dāng)輸入對地短路時，其點(diǎn)位迅速降為零，而輸出端接有大電容，其電壓仍然接近于源輸出電壓，這時，大電容將通過三端穩(wěn)壓內(nèi)部調(diào)整管釋放電荷，調(diào)整管的PN結(jié)在高電壓下有可能被擊

33、穿，如果裝了二極管D，就能及時將電容上電荷釋放掉，從而保護(hù)了穩(wěn)壓器。C1和C2用于輸入整流濾波，C3提高7805的紋波抑制能力，C4用來改變IC的瞬態(tài)響應(yīng)。第四章 數(shù)字頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)和誤差分析4.1數(shù)字頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)頻率準(zhǔn)確度：一般用相對誤差來表示，即 （41）式中為量化誤差，是數(shù)字儀器所特有的誤差，當(dāng)主控門時間T選定，越低，量化誤差越大為主控門時間相對誤差，主要由時機(jī)電路標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確決定，。頻率測量范圍：在輸入電壓符合規(guī)定要求值時，能夠正常進(jìn)行測量的頻率區(qū)間稱為頻率測量范圍。頻率測量范圍主要由放大整形電路的頻率響應(yīng)決定。本設(shè)計(jì)頻率范圍為1Hz10MHz。數(shù)字顯示位數(shù)：頻率計(jì)的數(shù)字顯示位數(shù)決定了頻率計(jì)的分辨率。位數(shù)越多，分辨率越高。測量時間：頻率計(jì)完成一次測量所需要的，包括準(zhǔn)備、計(jì)數(shù)、鎖存和復(fù)位時間?？傻玫綌?shù)字頻率計(jì)的總電路圖如圖4-1所示：圖4-1