電子電工課程設計頻率計數(shù)器

1、題目 ： 頻率計數(shù)器 班級 ： 學號： 姓名 ： 指導 : 時間: 景德鎮(zhèn)陶瓷學院目錄1、 總體方案與原理說明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12、 時基電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23、 放大整形電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2、 . . . . . . . 34、 邏輯控制電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45、 計數(shù)器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56、 鎖存器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3、 . . . . . . . . . 77、 譯碼電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88、 總體電路原理相關(guān)說明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99、 總體電路原理圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . 1010、 元件清單. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12設計心得體會. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131、總體方案與原理說明交流電信號或脈沖信號的頻率是指單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電振動的次數(shù)或脈沖個數(shù)。用數(shù)學模型可表示為：f=式中f為頻率。N為電振動次數(shù)或脈沖數(shù)。T為產(chǎn)生N次電振動或脈沖所需要的時間。第一步把各種被測信號通過放大整形電路，使其成為規(guī)矩的數(shù)字信號實現(xiàn)頻率測量的另一必備環(huán)節(jié)是時基電路。時基電路就是產(chǎn)生時間標準信號的電路裝置。通常要求精確穩(wěn)定，所以采用1MHz或5MHz石英晶體振蕩器做成標準時間信號發(fā)生器。一般計數(shù)器則采用十位計數(shù)器，N進制的計數(shù)器也就是N分頻器，其N進位信號也可作為N分頻信號。如圖2.

6、1所示為數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理總框圖，被測量信號經(jīng)過放大與整形電路傳入十進制計數(shù)器，變成矩形波信號，此時數(shù)字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路提供標準時間基準信號，此時利用所獲得的基準信號來觸發(fā)控制電路，進而得到一定寬度的閘門信號，計數(shù)時1S內(nèi)，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數(shù)器開始計數(shù)，當1s至1.25S閘門關(guān)閉，停止計數(shù),所得的數(shù)字N就是其頻率.邏輯控制電路數(shù)碼顯示器譯碼器鎖存器計數(shù)器閘門電路放大與整形電路時基電路VX圖11數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理方框圖2、時基電路用于獲得穩(wěn)定的時間基準信號，以此來控制主控門的開啟時間，電路見圖3.1. 圖21 時基電路 本設計中采取用555定時器組成的

7、多諧振蕩器如圖3.1所示。接通電源后，電容被充電，當上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過和T放電，下降。當下降到時，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為當放電結(jié)束時，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時間為當上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復始，于是在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為3、放大整形電路由于輸入的信號可以是正弦波，方波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為方波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成方波。對信號的放大功能由三極管構(gòu)成放大電路來實現(xiàn)，對信號整形的功能由施密特觸發(fā)

8、器來實現(xiàn)。施密特觸發(fā)器電路是一種特殊的數(shù)字器件，一般的數(shù)字電路器件當輸入起過一定的閾值，其輸出一種狀態(tài)，當輸入小于這個閾值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)，而施密特觸發(fā)器不是單一的閾值，而是兩個閾值，一個是高電平的閾值，輸入從低電平向高電平變化時，僅當大于這個閾值時才為高電平，而從高電平向低電平變化時即使小于這個閾值，其仍看成為高電平，輸出狀態(tài)不這；低電平閾值具有相同的特點。為保證測量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器。對幅值較低的被測信號經(jīng)放大后再送入整形器整形。如圖3.2.2為放大整形電路原理圖。此電路采用晶體管3DG100與74LS00等組成，其中3DG100為放大器，可對周期信號進行放大再傳入

9、整形器中對信號進行整形。 圖31放大整形電路4、邏輯控制電路控制電路需要控制幾個模塊。包括計數(shù)電路，鎖存電路，和譯碼顯示電路。通過產(chǎn)生控制信號控制所要控制的模塊，同時會產(chǎn)生清零信號和鎖存信號，使顯示器顯示的測量結(jié)果穩(wěn)定.輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關(guān)閉，同時也控制整機邏輯關(guān)系。本次設計采用74LS123N組成邏輯控制電路，先啟動脈沖置成1，其余觸發(fā)器置成0，此時時基電路傳入脈沖，控制電路開始工作。被測信號通過閘門進入計數(shù)電路，于是計數(shù)器譯碼器開始計數(shù)，記下所測信號頻率值。當控制電路轉(zhuǎn)為其他狀態(tài)時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作，數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到有一次循環(huán)，計數(shù)器清零，數(shù)碼管

10、顯示消失，到此為止，頻率計完成一次測量。脈沖信號可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123N產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。由74LS123N的功能得出，當1、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端可獲得一負脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖2.2所示的波形和的要求，手動復位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清零。邏輯控制電路如圖3.2所示： 邏輯控制電路圖415、計數(shù)器為了提高計數(shù)速度，可采用同步計數(shù)器。采用4個74LS90D二-五-十進制計數(shù)器，該芯片無需額外的元器件就可實現(xiàn)十進制計數(shù)，所以首選。計數(shù)器依次從個位開始計數(shù)，向上為發(fā)出進位信號而是高位開始計數(shù)。其特點是計數(shù)脈沖作為時鐘信號同時接

11、于各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，根據(jù)當前計數(shù)器狀態(tài)，利用邏輯控制電路，準備好適當?shù)臈l件。當計數(shù)脈沖沿到來時，所有應翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時翻轉(zhuǎn)，同時也使用所有應保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由石英晶體多諧振蕩器電路產(chǎn)生，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達到了測量頻率的目的.由于頻率計的測量范圍19999Hz，因此采用十進制計數(shù)器74LS90D，它不僅可用于對脈沖進行計數(shù)，還可用于分頻；此電

12、路則需分頻，N位進制計數(shù)器就是N分頻器。被測信號由閘門開通送入計數(shù)器，記錄所測信號頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止工作；電路則繼續(xù)工作進行下次循環(huán)，計數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，頻率計完成一次測量。數(shù)字頻率計測周期基本原理如圖3.3所示圖51數(shù)字頻率計測周期基本原理圖當被測信號的頻率較低時，采用直接測頻方法由量程誤差一起的測量誤差太大，為了提高測低頻時的準確度，應先測周期，然后計算。被測信號經(jīng)過放大整形電路變成方波，加到門控電路產(chǎn)生閘門信號，如，則閘門打開的時間也為10ms，在此期間內(nèi)，周期為的標準脈沖通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)。若。則計數(shù)器記得的脈沖數(shù)=100

13、00個。若以毫秒為單位，則顯示器上的讀數(shù)為10.000。 以上分析可見，頻率計測周期的基本原理正好與測頻相反，即被測信號用來控制閘門電路的開通與關(guān)閉，標準時基信號作為計數(shù)脈沖。6、鎖存器鎖存器是構(gòu)成各種時序電路的存儲單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種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)。在確定的時間內(nèi)（1s）,計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值.鎖存器的作用通過觸發(fā)脈沖控制.將測得的數(shù)據(jù)寄存起來,送顯示譯碼器.鎖存器可以采用8位并行輸入寄存器.為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定,采用邊沿觸發(fā)方式的器件.在確定的時間內(nèi)計數(shù)器的技

14、術(shù)結(jié)果必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測量的數(shù)據(jù)寄存起來，送入譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器。 此電路采用74LS273N鎖存器，其作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時鎖記得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。當1s計數(shù)結(jié)束時，通過邏輯電路產(chǎn)生信號送入鎖存器，將此時計數(shù)的值送入譯碼顯示器。選用兩個8位鎖存器74LS273N可以完成上計數(shù)功能。當時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計數(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)的Q不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的

15、輸出不會送到譯碼顯示器。圖61鎖存器芯片7、譯碼電路在閘門電路導通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。采用七段共陽數(shù)碼管顯示,譯碼顯示器的作用是把計數(shù)器產(chǎn)生的十進制數(shù)轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號,從而獲得數(shù)字顯示.圖3.5圖71譯碼電路電路8、總體電路原理相關(guān)說明數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測

16、信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。信號的頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T為產(chǎn)生N個脈沖所需的時間。計數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測信號的頻率。如在1s內(nèi)記錄1000個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。9、總體電路原理圖.圖91總體電路11、 元件清單序號名稱備注數(shù)量1二-五-十進制計數(shù)器74LS90D428位鎖存器74LS273N23電子顯示屏322944單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123N25晶體管3DG1

17、00與74LS0056分頻器7429217輸入器件Input108輸出器件Output12參考文獻1 閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎.第四版.高等教育出版社出版社.20062 林濤主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎.清華大學出版社.20063 董詩白主編.模擬電子技術(shù)基礎.高等教育出版社.20064康光華主編.電子技術(shù)基礎.數(shù)字部分.第四版.高等教育出版社.20005 李哲英，電子技術(shù)及其應用基礎（數(shù)字部分），高等教育出版社電子20036陳曉文主編.電子線路課程設計.電子工業(yè)出版社.2004設計心得體會通過這次頻率計數(shù)器課程設計，我不僅加深了對計數(shù)器理論的理解，將理論很好地應用到實際當中去，而且我還學會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新可以是在原有的基礎上進行改進，使之功能不斷完善，成為真己的東西。這個設計過程中，我們花費了大量的時間和精力，更重要的是，我們在學會創(chuàng)新的基礎上