標(biāo)題: 基于51設(shè)計頻率計（含代碼，原理圖） [打印本頁]
作者: YanWJ    時間: 2016-7-18 13:58
標(biāo)題: 基于51設(shè)計頻率計（含代碼，原理圖）
數(shù)字頻率計設(shè)計
一、設(shè)計任務(wù)
設(shè)計一個數(shù)顯頻率計。要求如下：
1、測量頻率采用4位LED數(shù)字顯示。
2、頻率測量范圍1Hz~1MHz。
3、分辨率：1Hz。
4、輸入信號波形：正弦波、方波、三角波。
5、輸入信號幅度：0.5~5V。
6、量程選擇：×1、×10、×100三檔。

二、設(shè)計方案分析
所謂“頻率”就是周期信號在單位時間（1秒）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時間間隔T
內(nèi)將信號變化的次數(shù)N測量出來，即可測量出信號的頻率，傳統(tǒng)的測量頻率的方法就是直接測頻法。為了說明直接測頻法的工作原理，可參考圖 所示的方框圖。首先將被測量的信號通過脈沖整形電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，然后將其輸入到“閘門”的一個輸入端�！伴l門”的另一個輸入信號是來自“門控電路”的輸出，“門控電路”信號的輸出時間T非常準(zhǔn)確，T是由一個高穩(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”輸出時間T時，“閘門”被打開，被測量的脈沖信號通過閘門，送入到計數(shù)、譯碼顯示電路上，若選擇合適的T(假設(shè)1秒)，則計數(shù)器計數(shù)的脈沖個數(shù)就是要測量的信號的頻率。由于“閘門”的開啟時刻與計數(shù)脈沖之間的時間關(guān)系是不相關(guān)的，即它們在時間上是隨機(jī)的，所以測頻存在“±1”誤差，在T(一般1秒)一定時，計數(shù)頻率越高，測頻相對誤差越小；反之計數(shù)頻率越低，測頻的相對誤差越大。所以直接測頻法適合于測量高頻信號的頻率。

                                 圖1  直接頻率測量原理圖
另外為了能夠穩(wěn)定的顯示測量信號的頻率，實(shí)際電路中還應(yīng)加入邏輯控制單元，為了擴(kuò)大測量信號的頻率范圍，還要有量程擴(kuò)展電路等。一個實(shí)用的頻率計電路的組成框圖如圖
所示。時基信號產(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）的時標(biāo)信號，通過“閘門時間”選擇開關(guān)S選出我們需要的時標(biāo)信號，并加到“門控電路”電路，例如當(dāng)S打在位置1Hz時，“門控電路”產(chǎn)生T=1s的門控信號，此時頻率計量程相當(dāng)于×1；當(dāng)S打在位置10Hz時，“門控電路”產(chǎn)生T=0.1s的門控信號，此時頻率計量程相當(dāng)于×10。邏輯控制單元電路就是控制計數(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，使顯示的數(shù)字穩(wěn)定。其二，產(chǎn)生定時清零信號，使計數(shù)器每次從零開始計數(shù)，控制電路的各點(diǎn)時序波形圖如圖 所示。

圖2  數(shù)字頻率計系統(tǒng)組成框圖

                              圖3  數(shù)字頻率計控制電路的工作波形圖

三、主要單元電路參考設(shè)計
1、放大整形電路
為了能夠正確測量小信號幅值的頻率，首先要把小信號放大到合適的幅度，在進(jìn)行將其
整形成同頻率的脈沖信號，然后對脈沖信號計數(shù)。圖  電路就是實(shí)現(xiàn)了這個功能，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  輸入信號放大整形電路

2、晶體振蕩及時標(biāo)信號產(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。
時標(biāo)信號產(chǎn)生電路是將有源晶體振蕩器輸出的1MHz信號經(jīng)過由集成同步十進(jìn)制計數(shù)器CD4518組成的一系列十分頻器構(gòu)成的，電路如圖  。CD4518是一個雙十進(jìn)制計數(shù)器，要得到1Hz、10Hz、100Hz的標(biāo)準(zhǔn)時標(biāo)信號，采用3片CD4518即可。

圖5  時標(biāo)信號產(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：在時標(biāo)脈沖信號的作用下，首先輸出一個門控標(biāo)準(zhǔn)時間T（例如1s），在這個時間內(nèi)，計數(shù)器記錄下輸入脈沖的個數(shù)；然后邏輯控制電路發(fā)出一鎖存保持信號，使記錄下的脈沖個數(shù)被鎖存并顯示；最后邏輯控制電路輸出一清零脈沖，使計數(shù)器的原記錄數(shù)據(jù)被清零，準(zhǔn)備下次計數(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�時標(biāo)脈沖CPS到來時，F(xiàn)1的輸出1Q變?yōu)椤?’，此時被測量的脈沖就通過閘門G送入計數(shù)器；當(dāng)?shù)诙䝼�時標(biāo)脈沖到來時，F(xiàn)1的輸出1Q由‘1’變?yōu)椤?’，同時產(chǎn)生一個下跳沿，F(xiàn)2觸發(fā)器的輸出2Q變?yōu)椤?’，2為‘0’，此時F2的輸出對時標(biāo)信號起到了“封鎖”，若時鐘CPS選用周期為1s，則1Q輸出門控信號的高電平寬度為1s，這時計數(shù)器記錄的便是1s內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)，即輸入信號的頻率�！版i存”信號和“清零”信號是由集成單穩(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，CD4538A被觸發(fā)，輸出一個“鎖存”信號，用于鎖存計數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)不變，“鎖存”時間一般選擇零點(diǎn)幾秒到幾秒，本設(shè)計選擇在1s左右。當(dāng)“鎖存”信號結(jié)束時，CD4538B被觸發(fā)，它輸出一個“清零”信號，“清零”信號的脈沖較窄，一般選擇0.1s左右，該信號的作用一方面使計數(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形成一次門控信號后，需要間隔顯示和清零兩段時間后，才可再形成下一次門控信號。該電路的工作時序關(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、計數(shù)、鎖存、譯碼、顯示電路
    根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求最大輸入信號頻率為1MHz，采用4位LED顯示，所以最大量程擴(kuò)展×100。計數(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)動共陰極LED數(shù)碼管，它是將鎖存、譯碼、驅(qū)動三種功能集于一身的集成電路。鎖存器的作用是避免在計數(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時選通，LE=1時鎖存，將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538A的輸出“鎖存”信號連接顯示譯碼器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”信號清零單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器連接到十進(jìn)制計數(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
有無錯誤。待電路正確無誤后，加上電源，在無輸入信號下，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，用示波器觀察CD4093的輸出波形是否正確。
    3、晶體振蕩及時標(biāo)信號產(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，然后用示波器逐級觀察由CD4518組成的分頻器的輸出波形。
4、計數(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的方波信號輸入到計數(shù)器的計數(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”、“清零信號”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，輸入一個被測信號，觀察實(shí)際測試的頻率值是否準(zhǔn)確，同時分析誤差大小。

五、思考題
1、測量低頻信號時，利用直接頻率測量方法可能有較大的誤差，人們一般采用“測量周期”的方法，是簡述測量周期來實(shí)現(xiàn)測量頻率的工作原理，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)計的邏輯控制電路。
3、在晶體振蕩器電路中，本設(shè)計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)計出產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時標(biāo)信號的電路（產(chǎn)生1Hz信號）。
4、在該數(shù)字頻率計中，輸入信號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)計一個利用集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)并滿足要求的信號放大電路。
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，試畫出在時標(biāo)信號作用下，電路各點(diǎn)的輸出波形。













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