數(shù)字頻率計設(shè)計與制作

1、數(shù)字頻率計設(shè)計與制作王峰, 電子工程系摘 要:數(shù)字頻率計是一種可以用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的測量儀器。被測信號可以是任何周期性變化的信號如正弦波、方波、三角波等等。如果加入放大電路，通過傳感器則可以對許多微弱的、規(guī)律的物理量進(jìn)行測量，例如聲音、機(jī)械振動、轉(zhuǎn)速的頻率等等。使用頻率計能讓我們直觀的看到信號的頻率，其方便性、簡單性、準(zhǔn)確性使其具有較高的實用價值。因此數(shù)字頻率計是一種應(yīng)用很廣泛的儀器，在計算機(jī)、通訊設(shè)備、自動化等科研生產(chǎn)領(lǐng)域起著重要作用。對于本次課題“數(shù)字頻率計設(shè)計與制作”,我選用了555定時器產(chǎn)生時基信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS273來控制電路中的鎖存，計數(shù)器74LS90來計數(shù)，7

2、4LS48進(jìn)行譯碼并通過數(shù)碼管顯示。運(yùn)用數(shù)字集成芯片給設(shè)計減少了很多不必要的麻煩。關(guān)鍵詞：數(shù)字頻率計；鎖存 ；譯碼；計數(shù)Digital Frequency Meter Design and FabricationWangfeng, Electronic Information EngineeringAbstract: Digital Frequency Meter is a measuring device, it can using decimal numeral reveal the signal frequency. The measured signal was variety sea

3、sonal signal, such as sinusoidal wave, square wave, triangle wave and so on. If we using amplify circuit, we can also use sensing element measuring so many faint and regular signals,for example voice, inflexible vibrate and rotation rate. Digital Frequency Meter can make us intuitively sight the sig

4、nal frequency, its conveniently, simply and accuracy,so it has enormously worthy in many fields, include computer, communication apparatus, automation equipment and so on.For about this subject study, the Digital Frequency Meter Design and Fabrication,I select 555_timer produce a normal time signal,

5、 using Monostable Trigger 74LS273 constitute flip-latch, using counter flip-flop 74LS90 count, using 74LS48 constitute a code translator and usig Mixie light reveal frequency. Apply digital integrated circuit chip help me save so many time and reduce a number of inconvenience.Key words: Digital Freq

6、uency Meter; flip-flop; code translator; counter01設(shè)計原理及意義1.1 基本設(shè)計原理數(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(zhǔn)確的時間，因此在此次設(shè)計中以555定時器為主設(shè)計一個多諧振蕩器，用來產(chǎn)生一個相對準(zhǔn)確的能產(chǎn)生1s脈寬的時基信號。同時將被測信號如正弦波、三角波、方波轉(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1s的時間間隔內(nèi)被測量的信號產(chǎn)生的脈沖

7、個數(shù)，然后再經(jīng)過鎖存器將計數(shù)器所計的數(shù)鎖存起來，最后在經(jīng)過譯碼器把鎖存器鎖存的二進(jìn)制數(shù)譯碼，將其換算后通過數(shù)碼管顯示出來，這就是此次數(shù)字頻率計設(shè)計的基本原理。1.2 課題意義1.通過設(shè)計數(shù)字頻率計鞏固數(shù)字邏輯電路知識。3.熟悉基準(zhǔn)時間產(chǎn)生電路的基本工作原理。4.熟悉計數(shù)器、譯碼器、七段數(shù)碼管的功能及應(yīng)用。5.對仿真設(shè)計過程有一個基本了解熟悉仿真軟件的使用。 6.提高實際設(shè)計能力，使工程能力得到實際鍛煉。2 設(shè)計思路按照圖2所示的邏輯圖所示。首先，我們要獲得一個標(biāo)準(zhǔn)的固定寬度1秒的方波脈沖做門控制信號。其次，要把這個標(biāo)準(zhǔn)的信號和被測信號相“與”，通過門控制信號可以獲得1秒鐘內(nèi)通過脈沖的個數(shù)，此脈

8、沖直接進(jìn)入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，然后通過譯碼顯示其頻率。最后，要設(shè)計的是對計數(shù)器和鎖存器的控制，這個的基本思路是在時基電路脈沖的上升沿到來時閘門開啟,計數(shù)器開始計數(shù)，在同一脈沖的下降沿到來時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。同時，鎖存器產(chǎn)生一個鎖存信號輸送到鎖存器的使能端將結(jié)果鎖存,并把鎖存結(jié)果輸送到譯碼器來控制數(shù)碼管，這樣就可以得到被測信號的數(shù)字顯示的頻率。所以綜合上面所說的可以將數(shù)字頻率計的電路分為四大部分即：時基電路、閘門電路、邏輯控制電路以及可以控制的計數(shù)、鎖存、譯碼、顯示電路。設(shè)計框圖如圖1所示。在數(shù)字電路中，頻率計屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構(gòu)成，在計算機(jī)及各種數(shù)字儀表中，都得到

9、了廣泛的應(yīng)用。因此，它是一種測量范圍較廣的通用型數(shù)字儀器。本次課題就是用來研究簡單的計數(shù)式數(shù)字頻率計的設(shè)計。邏 輯 控 制 電 路 計數(shù)器 鎖存器 譯碼器 顯示器時 基 電 路 閘門電路被 測信號圖1 設(shè)計框圖圖2 邏輯圖3 主要芯片介紹3.1 555定時器555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化原理圖如圖3所示。它由3個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器A1和A2、基本RS觸發(fā)器、集電極開路的放電三極管T組成。定時器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電三極管T的狀態(tài)。圖中RD為復(fù)位輸入端，當(dāng)RD為低電平時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出Q為低電平。因此在正常工作時，應(yīng)將其接高

10、電平。 圖3 555電路結(jié)構(gòu)圖555定時器的功能表如下圖所示清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端放電管T功能00導(dǎo)通直接清零10導(dǎo)通置011截止置11不變保持圖4 555功能表3.2 芯片74LS9074LS90為中規(guī)模TTL集成計數(shù)器，可實現(xiàn)二分頻、五分頻和十分頻等功能，它由一個二進(jìn)制計數(shù)器和一個五進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成。其引腳排列圖和功能表如下所示：圖5 74LS90引腳圖圖6 74LS90功能表3.3 芯片74LS27374LS273是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，他是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器。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)、1

11、5(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。管腳圖和功能圖如下圖7所示。D18D為數(shù)據(jù)輸入端，Q1Q8為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。圖7 74LS273管腳圖和功能表3.4 芯片74LS48在本次設(shè)計中使用譯碼器74LS48將74LS273鎖存的二進(jìn)制數(shù)值進(jìn)行譯碼，用

12、來驅(qū)動七段數(shù)碼管顯示。它的管腳圖如下圖所示。圖8 74LS48引腳圖4 電路設(shè)計4.1 閘門電路閘門電路由與非門組成，該電路有兩個輸入端和一個輸出端，輸入端的一端被測信號，另一端接控制信號。閘門是否開通受門控信號的控制，當(dāng)門控信號為高電平時，閘門開啟；而當(dāng)門控信號為低電平時，閘門關(guān)閉。只有在閘門開啟的時間內(nèi)，被測信號才能通過閘門進(jìn)入計數(shù)器。圖9 閘門電路4.2 時基電路時基電路是通過555定時器、電阻、電容組成的多諧震蕩器實現(xiàn)，兩個暫態(tài)時間分別為: 重復(fù)周期為。構(gòu)成電路如圖4所示。其作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間信號到來時，閘門打開，被測信號通過閘門進(jìn)入計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖下

13、降沿到來時，閘門關(guān)閉，計數(shù)器無脈沖輸入停止計數(shù)。頻率計算公式:，而我們要得到脈寬1s的脈沖則又由公式；重復(fù)周期為 ，其中T1 為脈沖寬度且為了使T2 的值小一些。因此我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R1 取47K歐姆,R5取100K歐姆,R6取36K歐姆,電容取10uF。這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖。得到的時基仿真圖形如下圖4所示，此時的脈沖寬度大概為1s，而低電平時間也較短，即符合設(shè)計要求。圖10 時基信號波形圖圖10 時基電路4.3 邏輯控制電路本設(shè)計采用74LS123組成邏輯控制電路，芯片的功能表如圖6所示，構(gòu)成的控制電路如圖7所示。由時基電路產(chǎn)生的脈沖來一個下降沿時，74LS123

14、將會產(chǎn)生一個高脈沖，讓鎖存器鎖存住頻率，同時激發(fā)下一個74LS123產(chǎn)生一個高脈沖，讓計數(shù)器清零，直到時基電路的下一個上升沿到來才開始下一次計數(shù)。當(dāng)被測信號通過閘門進(jìn)入計數(shù)電路，于是計數(shù)器譯碼器同時工作，從而記下所測信號頻率值。當(dāng)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74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度公式?jīng)Q定。由芯片的功能表可以得出，當(dāng)、觸發(fā)脈沖從1A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端可獲得一負(fù)脈沖。圖11 74ls123功能表圖12 邏輯控制電路

15、4.4 計數(shù)器電路為了提高計數(shù)速度，確保測量的精度，可采用同步計數(shù)器。其特點是計數(shù)脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發(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(dāng)前計數(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)計數(shù)脈沖沿到來時，所有應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時翻轉(zhuǎn)，同時也使用所有應(yīng)保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。本設(shè)計中計數(shù)器電路采用十進(jìn)制計數(shù)器74LS90，它不僅可用于對脈沖進(jìn)行計數(shù)，還可用于分頻，N位進(jìn)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(jìn)行下次循環(huán)，計數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消失，

16、頻率計完成一次測量。組成電路如下圖8所示。圖13 計數(shù)電路4.5 鎖存器鎖存器是構(gòu)成各種時序電路的存儲單元電路，其具有低電平（邏輯0）和高電平（邏輯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)。本次實驗電路采用74LS273鎖存器，構(gòu)成的電路圖如下圖9所示。其作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時鎖記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。當(dāng)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74LS273可以完成上計數(shù)功能。當(dāng)時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸

17、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)器的輸出不會送到譯碼顯示器。圖14 鎖存電路4.6 譯碼顯示電路圖15 譯碼顯示電路譯碼顯示電路的原理構(gòu)成如上圖10所示。譯碼器是采用把用BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。選用譯碼器時其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。此次譯碼顯示電路由7段發(fā)光數(shù)碼管和輸出高電平有效的譯碼器74LS48組成。74LS48的內(nèi)部有升壓電阻，因此可以直接與顯示器相連，其作用是把BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，

18、從而使數(shù)碼管可以發(fā)光獲得數(shù)字顯示以便于直觀的得到輸入信號的頻率。5.總體仿真圖圖16 仿真圖5.1 設(shè)計過程本次設(shè)計是采用Multism10進(jìn)行的仿真設(shè)計，在確定自己的畢業(yè)設(shè)計題目后，在老師的指導(dǎo)下首先通過自己在圖書館和網(wǎng)上查找了一些相關(guān)資料了解了有關(guān)數(shù)字頻率計設(shè)計的一些基本情況，然后開始選擇設(shè)計方案。在咨詢老師后老師給出了兩種方案，一種是采用單片機(jī)設(shè)計一種是采用數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計。因為對單片機(jī)知識方面掌握的欠缺最終選擇數(shù)電進(jìn)行設(shè)計。確定設(shè)計方案后開始進(jìn)行設(shè)計，主要過程如下：1. 分析數(shù)字頻率計的主要類別、各自的工作原理和主要性能指標(biāo)。2. 設(shè)計一個基于數(shù)字電路原理的簡易頻率計，能測量0-999

19、9Hz范圍內(nèi)的頻率， 并將得到的頻率通過數(shù)碼管顯示出來。 3. 通過Multisim10仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計，分析各模塊的功能，給出總的仿真原理圖。5.2 仿真結(jié)果分析圖17 仿真結(jié)果圖通過圖12的仿真結(jié)果圖可以看到當(dāng)仿真的時間到達(dá)1.069s左右時，時基電路將會產(chǎn)生負(fù)跳沿，此時閘門將關(guān)閉。計數(shù)電路將把計入的被測信號的脈沖個數(shù)送人鎖存器鎖存，而譯碼電路則把鎖存的數(shù)據(jù)譯碼在通過數(shù)碼管顯示出來，即所得到的信號頻率。通過上面的仿真圖可以看到在時間為1.069s左右時得到的頻率為1069hz，與所給的被測信號為1000hz的頻率沒有太大的誤差。所以電路基本符合設(shè)計的要求。5.3 問題分析在本次設(shè)計中雖

20、然已經(jīng)得到了仿真結(jié)果，但還是在設(shè)計過程中遇到了很多問題，剛開始時因為對仿真軟件的不熟悉對軟件里的很多功能還不是很了解，在用到時卻不知從何下手，一些元器件不知在哪里能找到，即使找到也會發(fā)現(xiàn)與自己所找的資料有所不同。所以也花費(fèi)了很大一部分精力去學(xué)習(xí)了解軟件和去查找需要替代的元件。在調(diào)試電路時，剛開始電路連接完成進(jìn)行仿真數(shù)碼管并沒有被點亮，軟件也會報錯。之后檢查電路發(fā)現(xiàn)因為連線太多，出現(xiàn)了一些線路接錯的情況。在調(diào)節(jié)時基電路時，為了得到準(zhǔn)確的1s時基信號需要調(diào)整滑動電阻的阻值，但總會出現(xiàn)偏差，最后只能調(diào)節(jié)使其接近理想值。6.小結(jié)本課題采用純數(shù)字電路，根據(jù)設(shè)計中要實現(xiàn)的功能，在指導(dǎo)老師精心教導(dǎo)下，通過自己認(rèn)真地分析、實踐，確立方