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數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)顯頻率計(jì)。要求如下：
1、測(cè)量頻率采用4位LED數(shù)字顯示。
2、頻率測(cè)量范圍1Hz~1MHz。
3、分辨率：1Hz。
4、輸入信號(hào)波形：正弦波、方波、三角波。
5、輸入信號(hào)幅度：0.5~5V。
6、量程選擇：×1、×10、×100三檔。
二、設(shè)計(jì)方案分析
所謂“頻率”就是周期信號(hào)在單位時(shí)間（1秒）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時(shí)間間隔T
內(nèi)將信號(hào)變化的次數(shù)N測(cè)量出來，即可測(cè)量出信號(hào)的頻率，傳統(tǒng)的測(cè)量頻率的方法就是直接測(cè)頻法。為了說明直接測(cè)頻法的工作原理，可參考圖 所示的方框圖。首先將被測(cè)量的信號(hào)通過脈沖整形電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，然后將其輸入到“閘門”的一個(gè)輸入端�！伴l門”的另一個(gè)輸入信號(hào)是來自“門控電路”的輸出，“門控電路”信號(hào)的輸出時(shí)間T非常準(zhǔn)確，T是由一個(gè)高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器和一系列的分頻器形成的，當(dāng)“門控電路”輸出時(shí)間T時(shí)，“閘門”被打開，被測(cè)量的脈沖信號(hào)通過閘門，送入到計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路上，若選擇合適的T(假設(shè)1秒)，則計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)就是要測(cè)量的信號(hào)的頻率。由于“閘門”的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，即它們?cè)跁r(shí)間上是隨機(jī)的，所以測(cè)頻存在“±1”誤差，在T(一般1秒)一定時(shí)，計(jì)數(shù)頻率越高，測(cè)頻相對(duì)誤差越小；反之計(jì)數(shù)頻率越低，測(cè)頻的相對(duì)誤差越大。所以直接測(cè)頻法適合于測(cè)量高頻信號(hào)的頻率。
圖1 直接頻率測(cè)量原理圖
另外為了能夠穩(wěn)定的顯示測(cè)量信號(hào)的頻率，實(shí)際電路中還應(yīng)加入邏輯控制單元，為了擴(kuò)大測(cè)量信號(hào)的頻率范圍，還要有量程擴(kuò)展電路等。一個(gè)實(shí)用的頻率計(jì)電路的組成框圖如圖
所示。時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路主要由晶體振蕩器和分頻器組成，產(chǎn)生我們所需要的不同頻率（例如1Hz、10Hz、100Hz）的時(shí)標(biāo)信號(hào)，通過“閘門時(shí)間”選擇開關(guān)S選出我們需要的時(shí)標(biāo)信號(hào)，并加到“門控電路”電路，例如當(dāng)S打在位置1Hz時(shí)，“門控電路”產(chǎn)生T=1s的門控信號(hào)，此時(shí)頻率計(jì)量程相當(dāng)于×1；當(dāng)S打在位置10Hz時(shí)，“門控電路”產(chǎn)生T=0.1s的門控信號(hào)，此時(shí)頻率計(jì)量程相當(dāng)于×10。邏輯控制單元電路就是控制計(jì)數(shù)器正常順序工作的，控制電路的作用是：其一，產(chǎn)生鎖存信號(hào)，使顯示的數(shù)字穩(wěn)定。其二，產(chǎn)生定時(shí)清零信號(hào)，使計(jì)數(shù)器每次從零開始計(jì)數(shù)，控制電路的各點(diǎn)時(shí)序波形圖如圖 所示。
圖2 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)組成框圖
圖3 數(shù)字頻率計(jì)控制電路的工作波形圖
三、主要單元電路參考設(shè)計(jì)
1、放大整形電路
為了能夠正確測(cè)量小信號(hào)幅值的頻率，首先要把小信號(hào)放大到合適的幅度，在進(jìn)行將其
整形成同頻率的脈沖信號(hào)，然后對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。圖 電路就是實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能，三極管T組成放大器，要求放大器的頻帶要足夠?qū)�。CD4093是施密特觸發(fā)器，其整形作用。
圖4 輸入信號(hào)放大整形電路
2、晶體振蕩及時(shí)標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生電路
晶體振蕩器選擇輸出頻率為1MHz的有源晶體振蕩器。有源晶振一般都采用金屬外殼封裝，而且采用完全密封方式，所以工作穩(wěn)定，使用簡單，只要外加正確電源電壓，即可輸出穩(wěn)定的信號(hào)。
時(shí)標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生電路是將有源晶體振蕩器輸出的1MHz信號(hào)經(jīng)過由集成同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4518組成的一系列十分頻器構(gòu)成的，電路如圖 。CD4518是一個(gè)雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要得到1Hz、10Hz、100Hz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)，采用3片CD4518即可。
圖5 時(shí)標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生電路
3、門控及邏輯控制電路
門控及邏輯控制電路的各點(diǎn)波形的要求如圖 所示。其基本功能是：在時(shí)標(biāo)脈沖信號(hào)的作用下，首先輸出一個(gè)門控標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T（例如1s），在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器記錄下輸入脈沖的個(gè)數(shù)；然后邏輯控制電路發(fā)出一鎖存保持信號(hào)，使記錄下的脈沖個(gè)數(shù)被鎖存并顯示；最后邏輯控制電路輸出一清零脈沖，使計(jì)數(shù)器的原記錄數(shù)據(jù)被清零，準(zhǔn)備下次計(jì)數(shù)。圖5.8.5所示電路即可實(shí)現(xiàn)上述功能。
圖6 門控及邏輯控制電路
在圖 電路中，雙JK觸發(fā)器74LS76中的F1觸發(fā)器用來產(chǎn)生計(jì)數(shù)門控脈沖，假設(shè)F1、F2觸發(fā)器的初始狀態(tài)均為零，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)標(biāo)脈沖CPS到來時(shí)，F(xiàn)1的輸出1Q變?yōu)椤?’，此時(shí)被測(cè)量的脈沖就通過閘門G送入計(jì)數(shù)器；當(dāng)?shù)诙䝼€(gè)時(shí)標(biāo)脈沖到來時(shí)，F(xiàn)1的輸出1Q由‘1’變?yōu)椤?’，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下跳沿，F(xiàn)2觸發(fā)器的輸出2Q變?yōu)椤?’，2為‘0’，此時(shí)F2的輸出對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)起到了“封鎖”，若時(shí)鐘CPS選用周期為1s，則1Q輸出門控信號(hào)的高電平寬度為1s，這時(shí)計(jì)數(shù)器記錄的便是1s內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，即輸入信號(hào)的頻率�！版i存”信號(hào)和“清零”信號(hào)是由集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538實(shí)現(xiàn)的，CD4538是雙可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，觸發(fā)方式靈活。當(dāng)1Q由‘1’變‘0’時(shí)，CD4538A被觸發(fā)，輸出一個(gè)“鎖存”信號(hào)，用于鎖存計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)不變，“鎖存”時(shí)間一般選擇零點(diǎn)幾秒到幾秒，本設(shè)計(jì)選擇在1s左右。當(dāng)“鎖存”信號(hào)結(jié)束時(shí)，CD4538B被觸發(fā)，它輸出一個(gè)“清零”信號(hào)，“清零”信號(hào)的脈沖較窄，一般選擇0.1s左右，該信號(hào)的作用一方面使計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)清零，另一方面使F2觸發(fā)器被清零，2變?yōu)椤?’，為下一次測(cè)量做好準(zhǔn)備；故F2是閉鎖觸發(fā)器，它保證在F1形成一次門控信號(hào)后，需要間隔顯示和清零兩段時(shí)間后，才可再形成下一次門控信號(hào)。該電路的工作時(shí)序關(guān)系圖如圖5.8.6所示。圖中R—C網(wǎng)絡(luò)是開機(jī)復(fù)零電路，目的使F1的初始狀態(tài)處于“0”狀態(tài)。
4、計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、顯示電路
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求最大輸入信號(hào)頻率為1MHz，采用4位LED顯示，所以最大量程擴(kuò)展×100。計(jì)數(shù)器采用兩片CD4518即可完成，CD4518具有異步清零功能。BCD碼顯示譯碼器選用CD4511。CD4511譯碼器用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管，它是將鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身的集成電路。鎖存器的作用是避免在計(jì)數(shù)過程中出現(xiàn)跳數(shù)現(xiàn)象，便于觀察和記錄。其中LE端是鎖存控制端，LE=0時(shí)選通，LE=1時(shí)鎖存，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538A的輸出“鎖存”信號(hào)連接顯示譯碼器CD4511的LE端，可得到正常的顯示；將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538B的輸出“清零”信號(hào)清零單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器連接到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4518的清零端（高電平清零）即可。圖中連接在LED數(shù)碼管公共端對(duì)地的電阻是限流電阻。
圖7
四、電路安裝與調(diào)試
1、在安裝電路之前，應(yīng)仔細(xì)查閱本設(shè)計(jì)所用的電子元器件及集成電路的參數(shù)、功能及
管腳排列，畫出單元電路及系統(tǒng)電路的安裝圖。
2、放大整形電路的調(diào)試。在電路加電前，首先檢查電路的安裝有無短路、開路及連接
有無錯(cuò)誤。待電路正確無誤后，加上電源，在無輸入信號(hào)下，調(diào)節(jié)基極電位器RW，使三極管的集電極直流電位大約等于2V左右。然后輸入大小等于0.5V，頻率等于1KHz的正弦波信號(hào)，用示波器觀察CD4093的輸出波形是否正確。
3、晶體振蕩及時(shí)標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生電路調(diào)試。在檢查安裝正確無誤后，加入電源電壓，首先用示波器觀察1MHz有源晶體振蕩器的輸出波形是否正確，然后用示波器逐級(jí)觀察由CD4518組成的分頻器的輸出波形。
4、計(jì)數(shù)器、鎖存譯碼及顯示單元單路調(diào)試。在檢查安裝正確無誤后，加入電源電壓。將計(jì)數(shù)器的清零端接地，譯碼器CD4511的LE端接地。將一標(biāo)準(zhǔn)頻率為1~10Hz的方波信號(hào)輸入到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入端，觀察LED數(shù)碼管顯示數(shù)字發(fā)的變化是否正確。
5、門控及邏輯控制電路調(diào)試。將一頻率為10Hz的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)輸入到門控電路中，把示波器掃描速度打在最低處，分別觀察“門控輸出”、“鎖存信號(hào)”、“清零信號(hào)”各點(diǎn)的波形變化情況。
6、整機(jī)聯(lián)調(diào)。將以上調(diào)試好的單元電路相互連接起來，輸入一個(gè)被測(cè)信號(hào)，觀察實(shí)際測(cè)試的頻率值是否準(zhǔn)確，同時(shí)分析誤差大小。
五、思考題
1、測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，利用直接頻率測(cè)量方法可能有較大的誤差，人們一般采用“測(cè)量周期”的方法，是簡述測(cè)量周期來實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率的工作原理，并畫出原理圖。
2、在數(shù)字頻率中，邏輯控制電路的作用是什么？是否可用其他的器件來實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能？畫出設(shè)計(jì)的邏輯控制電路。
3、在晶體振蕩器電路中，本設(shè)計(jì)采用了有源晶體振蕩器。如果現(xiàn)有1MHz的無源振蕩器元件，試設(shè)計(jì)出產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)的電路（產(chǎn)生1Hz信號(hào)）。
4、在該數(shù)字頻率計(jì)中，輸入信號(hào)放大電路能否采用通用型集成運(yùn)算放大器LM741實(shí)現(xiàn)？為什么？試設(shè)計(jì)一個(gè)利用集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)并滿足要求的信號(hào)放大電路。
5、在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，什么叫做可重復(fù)觸發(fā)？什么叫不可重復(fù)觸發(fā)？在電路圖6中，試畫出在時(shí)標(biāo)信號(hào)作用下，電路各點(diǎn)的輸出波形。
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