数字频率计的设计

淮阴师范学院毕业设计 物理 系 电子信息科学与技术 专业 课 题 名 称 数字频率计的设计 学 生 姓 名 学 生 班 级 指 导 老 师 起 讫 日 期 2004 .12 .1 2005 .4 .7 2005年4月7日摘 要: 利用等精度测量原理实现了频率的测量。并介绍了一种进行等精度数字测量频率的硬件实现方案。该方法简单实用，具有较广的使用价值。 关键词: 数字频率计；函数信号发生器；闸门时间Abstract: A digital frequency meter designed by using equal precision measurement, have realized the frequency measurement. It introduces the hardware construction method of equal precision digital measurement frequency. This method is easy and convenient.Keywords: Digital frequency meter; Function signal generator; The interval between the opening and closing of the lock gate目 录1 引言32 设计原理43 电路分析43.1 整体电路分析43.2 单元电路分析 53.2.1 逻辑控制电路53.2.2 计数器73.2.3 锁存器83.2.4 BCD码七段显示译码/驱动器93.2.5 脉冲形成电路 103.2.6 闸门电路 123.3 整体电路图 134 硬件调试 154.1调试方法与过程154.1.1脉冲形成电路的调试154.1.2 时基电路的调试154.1.3锁存信号电路的调试154.1.4整体电路的调试154.2测试仪器与设备155 测试结果156心得体会157 感谢16 参考文献 171.引言随着无线电技术的发展与普及，“频率”已成为广大群众所熟悉的物理量。调节收音机上的频率刻度盘可使你选听到你所喜欢的电台节目；调节电视机上的微调旋钮可使电视机对准电视台的广播频率，获得图像清晰的收看效果，这些已成为人们的生活常识。人们在日常生活、工作中更离不开计时。学校何时上、下课？工厂几时上、下班？火车、班机何时起飞？出差的亲人几日能归来？，这些都涉及到计时。频率、时间的应用，在当代高科技中显得尤为重要。例如，邮电通讯，大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制都与频率、时间密切相关，只是其精密度和准确度比人们日常生活中的要求高得多罢了。本次设计主要采用直接测频法制成一个测量范围在09999Hz的频率计。该频率计的闸门信号的采样时间为1s，并采用4位数码显示，输入信号幅度范围0.85V。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。2 设计原理所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得一个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。因此，数字频率计测频率时的原理图如图1所示。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发生器提供标准的脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器记得的脉冲数是在秒时间内的累计数，所以被测频率f = NHz。 图1 数字频率计原理框图 3 电路分析3.1 整体电路分析如图2（a）所示，数字频率计的工作过程是：被测信号fx经脉冲形成电路整形，变成如1所示脉冲波形，其周期T与被测信号的周期相同。实际电路输出标准时间信号2，设其高电平持续时间为1s，则计数器的计数时间就为1秒，计数器记得的脉冲数N（如3所示）就是被测信号的频率。逻辑控制单元的作用有两个：其一，产生清零脉冲4，使计数器每次从零开始计数；其二，产生锁存信号5，使显示器上的数字稳定不变。这些信号之间的时序关系如图2（b）所示。图2（a） 数字频率计组成框图数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁存电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成。图2（b） 数字频率计的工作时序波形3.2 单元电路分析3.2.1 逻辑控制电路555定时器构成单稳态触发器如图3(a)所示，该电路的触发信号在2脚输入，R和C是外接定时电路。单稳态电路的工作波形如图4所示。在未加入触发信号时，因ui=H，所以uo=L。当加入触发信号时，ui=L，所以uo=H，7脚内部的放电管关断，电源经电阻R向电容C充电，uC按指数规律上升。当uC上升到2VCC/3时，相当输入是高电平，555定时器的输出uo=L。同时7脚内部的放电管饱和导通时，电阻很小，电容C经放电管迅速放电。从加入触发信号开始，到电容上的电压充到2VCC/3为止，单稳态触发器完成了一个工作周期。输出脉冲高电平的宽度称为暂稳态时间，用tW表示。 图 3(a) 单稳态触发器电路图图3(b) 单稳态触发器的波形图暂稳态时间的求取可以通过过渡过程公式，根据图3(b)可以用电容器C上的电压曲线确定三要素，初始值为uc(0)=0V，无穷大值uc()=VCC，=RC，设暂稳态的时间为tw，当t= tw时，uc(tw)=2 VCC/3时。代入过渡过程公式根据图2（b）所示时序波形，在标准时间信号2结束时所产生的负跳变用来产生锁存信号经过反向器又用来产生清零信号4，锁存信号的脉冲宽度由本身电路的时间常数所决定。因此这两个脉冲信号4和5可以由单稳态触发器产生，其电路如图4所示。设锁存信号5的脉冲宽度tw=1.1RC。若取R=1000，C=0.01，则tw=1.1RC=0.011S。 图4 控制电路3.2.2 计数器（74LS90）当一秒脉冲来到时，闸门开通。被测信号的脉冲通过闸门计数器计数。标准时间 图4 异步计数器74LS90的逻辑电路 脉冲结束时闸门关闭。计数器采用74LS90，上图是异步计数器74LS90的逻辑电路图，它包含M=2和M=5两个独立计数器。其中CP1、CP2为时钟输入端，Ro1、Ro2和R91、R92是两组复位输入端，但是没有预置端。从逻辑图看出，计数器具有如下功能： R91R92=0，Ro1Ro2=1时，计数器置全0。 Ro1Ro2=0，R91R92=1时，计数器置为9，即QDQCQBQA=1001。 CP2=0，CP1输入时钟，QA输出，实现模2计数器。 CP1=0，CP2输入时钟，QDQCQB输入，实现模5计数器。 CP1输入时钟，QA输出接CP2，实现8421BCD十进制计数器。 CP2输入时钟，QD输出接CP1，实现5421码十进制计数器，即当模5计数器由100-000时，QD产生一个时钟，使QA改变状态。R01 R02R91 R91CP1 CP2QD QC QB QA说明1 11 10 0 0 0 0 00 0 0 0异步置0异步置00 01 11 1 1 0 0 11 0 0 0异步置9异步置9 0 00 0 00 00 0二进计数由QA输出0 五进计数由QDQCQB输出 QA8421码十进计数QDQCQBQA输出QD 5421码十进计数QDQCQBQA输出 表1 74LS90异步计数器功能表3.2.3 锁存器（74LS273）锁存器的作用是将计数器在1秒结束时的计数值进行锁存，使显示器上获得稳定的测量值。因为计数器在1秒内要计成千上万个输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读数。如图2所示，1秒的计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号5，将计数器此时的值送译码显示器，因此显示器的数字是稳定的。选用8D锁存器74LS273可以完成上述锁存功能。74LS273的引脚如图5所示。图5 74LS273引脚图74LS273的功能表如表2所示。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位及千位的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码器显示器。 表2 74LS273功能表3.2.4 BCD码七段显示译码/驱动器（74LS48）图6中所示为七段荧光数码管显示系统。其中BS201A是由七个发光二极管组成的七段荧光数码管（另有一个小数点显示），它采用共阴极电路。当Ya-Yg中某一个或几个为高电平时，相应的发光二极管导通点亮，便显示出0-9个数字。 图6 74LS48功能表74LS48是二-十进制BCD码译码器/驱动器。A3 A2 A1 A0为二进制码输入，有0000-1001十种组合。芯片74LS48的内部逻辑结构先进行译码，后进行驱动。译码输出共有10个（其中一个有效）。根据a-g各段点亮的需要，必须将各个译 码输出进一步组合成Ya-Yg的驱动输出（提供较大电流），分别加到七个发光二极管上。A3 A2 A1 A0=0101时，显示5（Yb，Ye=0，其余为1）A3 A2 A1 A0=1001时，显示9（Ye，Yd=0，其余为1）74LS48的输入还有三个控制信号：BI为熄灭信号，B I=0时，Ya-Yg为0，不显示数字。LT为试灯信号，B I=1,L T=0时，七段都点亮。RBI为灭0信号，用来熄灭器件显示的0。3.2.5 脉冲形成电路脉冲形成电路的作用是将输入的周期性信号，如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化的波形变换成脉冲波，其周期不变。将其他波形变换成脉冲波的电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等，其中施密特触发器的应用较多。555定时器构成施密特触发器的电路图如图7（a）所示，波形图如图7（b）所示。施密特触发器的工作原理和多谐振荡器基本一致，无原则不同。只不过多谐振荡器是靠电容器的充放电去控制电路状态的翻转，而施密特触发器是靠外加电压信号去控制电路状态的翻转。所以，在施密特触发器中，外加信号的高电平必须大于2 VCC/3，低电平必须小于VCC/3，否则电路不能翻转。 图7（a） 施密特触发器电路图 图7(b) 施密特触发器的波形图由于施密特触发器采用外加信号，所以放电端7脚就空闲了出来。利用7脚加上上拉电阻，就可以获得一个与输出端3脚一样的输出波形。如果上拉电阻接的电源电压不同，7脚输出的高电平与3脚输出的高电平在数值上会有所不同。施密特触发器的主要用于对输入波形的整形。图7(b)表示的是将三角波整形为方波,其他形状的输入波形也可以整形为方波。从图中可以看出对应输出波形翻转的555定时器的二个阈值，一个是对应输出下降沿的3.375 V，另一个是对应输出上升沿的1.688V，施密特触发器的回差电压是3.375-1.688=1.688V。从图示波形可以看出，与理论值一致（电源电压5V）。在放电端7脚加一个上拉电阻，接10V电源，可以获得一个高、低电平与3脚输出不同，但波形的高、低电平宽度完全一样的第二个输出波形，这个波形可以用于不同逻辑电平的转换。当输入信号的幅度太小时，施密特触发器将不能工作本设计采用集成电路555构成的施密特触发器，电路如图8（a）所示。 图中R1与R2的作用是将被测信号进行电平移动。因为555构成的施密特触发器的上触发电平=（2/3），下触发电平 =(1/3) ,如图8（b）所示。输入信号的直流电平Uxo应满足下列关系：(1/3)Uxo1/2=0.83V。为Uxo=2.5V，对于图8（a）所示电路，则取R1=R2=10。3.2.6 闸门电路如图1所示，闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号（1秒正脉冲）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数；标准时间脉冲结束时（为低电平时）闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。由此可见闸门电路的逻辑功能可以由一个与非门来完成，如图9所示。图9 标准脉冲产生与闸门电路555定时器构成多谐振荡器的电路如图10(a)所示，其工作波形如图10(b)所示。与单稳态触发器比较，它是利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。充电回路是RA、RB和C，此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到2 VCC/3时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开始放电。当电容器放电达到2VCC/3时，电路的状态又开始翻转。如此不断循环。电容器之所以能够放电，是由于有放电端7脚的作用，因7脚的状态与输出端一致，7脚为低电平电容器即放电。 图10(a) 多谐振荡器电路图 图10(b) 多谐振荡器的波形图振荡周期的确定：根据uc(t)的波形图可以确定振荡周期，T=T1+T2 先求T1，T1对应充电，时间常数1=(RA+RB)C，初始值为uc(0)= VCC/3，无穷大值uc()=VCC，当t= T1时，uc(T1)=2 VCC/3，代入过渡过程公式，可得T1=ln2(RA+RB)C0.7(RA+RB)C求T2，T2对应放电，时间常数2=RBC，初始值为uc(0)=2 VCC/3，无穷大值uc() =0V，t= T2时，uc(T2)= VCC/3，代入过渡过程公式，可得T2=ln2RBC0.7RBC振荡周期T= T1+T2=0.693(RA+2RB)C 振荡频率 占空比 图10(b)是555定时器多谐振荡器的示波器波形图，多谐振荡器的供电电压为5V。 设标准时间为1秒的脉冲是由定时器555构成的多谐振荡器电路产生的（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得），若取振荡器的频率f=1/(t1+t2)=0.8Hz，则振荡器的输出波形如图11所示，其中t1=1s，t2=0.25s。利用式t1=0.7(R1+R2)C;t2=0.7RC。若取电容C=10,则R2=35.7，取标称值为36；R1=106.9，取R1=107。门电路的输入输出各点波形如图11所示。图11 闸门电路各点波形3.3 整体电路图经过以上各单元电路的设计，可以得到数字频率计的整体电路如图8所示。该电路的工作过程是：接通电源后，触发手动复位开关S，计数器清零。当标准时间脉冲来到时，与非门构成的闸门电路开通，4片74LS90组成的计数器开始计数，最大计数N=9999Hz。标准时间秒脉冲结束时所产生的负跳变触发单稳态触发器，使之产生正脉冲，它的正跳变作为锁存器74LS273的锁存时钟脉冲，使锁存器的输出等于此时计数器的值。单稳态触发器输出的脉冲经过两个与非门延时，用来对计数器清零，从而完成了一次测量。下一个秒脉冲来到时又按照计数锁存复位的过程完成第二次测量，如此周而复始，实现频率的自动测量。 Fx 4 硬件调试4.1 调试方法与过程我采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整个系统调试的方法，以提高调试效率，主要单元模块的调试如下：4.1.1 脉冲形成电路的调试采用集成电路555构成施密特触发器来对输入信号进行整形，用数字信号发生器接电路的输入端，调整好信号发生器的幅度，然后在其输出端接入示波器，用函数信号发生器分别输入正弦波、三角波、方波，输出都为与输入信号具有相同频率的方波。4.1.2 时基电路的调试采用555定时器构成多谐振荡器电路来产生1秒的脉冲，仔细检查电路，然后接通电源，在3脚输出端接入示波器，调整示波器的幅度与周期，使其在示波器上显示1秒的时间脉冲。4.1.3锁存信号电路的调试该电路主要由555定时器构成的单稳态触发器产生的，在555定时器2脚接入时基电路产生的1秒脉冲，输出端3接示波器，调整幅度与周期，使其产生尖脉冲。4.1.4整体电路的调试仔细检查计数器74LS90、74LS48、74LS273及数码管的连线，并检查各集成块的接地与接电压端，在电路的输入端分别输入正弦波、三角波、方波，调整输入信号的幅度，在数码管中显示出输入信号的频率。4.2测试仪器与设备稳压电源、数字万用表、函数信号发生器、示波器。5. 测试结果本次设计测得的频率略大于实际值，这是由于在用555定时器产生的1秒时基脉冲的电路时，由于市场上没有设计中所需的107电阻，故用两个电阻100和10的电阻并联代替该电阻，这样就产生的略大于1秒的时基脉冲，从而使本次设计的测量值略大于实际值。6 心得体会毕业设计是大学生在校学习期间所学知识的检验与总结，可进一步提高个人独立分析问题和解决问题的能力。在做毕业设计过程中，我认为前期的准备工作是及其重要的。在开始的近一个月的时间要广泛的查找资料，熟悉课题内容，确定研究的方法步骤及所要解决的问题。还要尽可能的预测在设计过程中可能遇到的问题，更要主动把自己的进展、想法及时向指导老师汇报，请指导老师提些建议，解决一些自己无法解决的问题。在正式着手设计时要思路清晰，一步一步的做，一个一个问题的解决。因为设计中要用到很多新知识、新技术，难免会遇到很多棘手的问题。这时要利用自己现有的知识和针对性的查阅相关质料，争取自己解决，万不可浮躁。实在解决不了的要和老师同学交流，共同克服难点，万不可弃而不做。自暴自弃、怨天尤人只会使问题越来越糟。在设计的过程中要注意做好笔记，这有利于问题的解决，也为写论文提供方便。 在毕业设计接近尾声时要抓紧时间写论文，要参考平时所做的笔记，回顾设计的全过程，总结经验教训，写出高质量的论文，圆满完成本次毕业设计并为以后的学习研究打下基础。经过为期二个月的毕业设计，我从中学到很多专业知识，并掌握了处理问题的基本方法。人的认识是无止尽的，学习也将是无止尽的。我决定在今后的学习工作中进一步加强对这方面知识的学习和应用。7 感谢跨进大学是人生的一个转折点，走出大学是人生的另一转折点。在这两个重要的转折点之间，学校教育了我，培养了我，送给了我知识和智慧，架起了我从学生跨入社会的桥梁。在此我对培养我的母校，关心教育我的老师致以深深的谢意。毕业设计是大学生在校学习期间所学知识的检验与总结，在这我要特别感谢魏东旭老师。在我遇到困难不知所措时，魏老师总是给予及时的指导和帮助，并教给我处理现在和将来问题的办法。在毕业设计期间同学的帮助也是必不可少的，互相帮助，互相探讨。这不仅有利于问题的解决，更利于培养团结互助的精神，我要感谢帮助关心我的同学。最后，感谢诸位的评阅，并请提出宝贵的意见。参考文献1 路勇，电子电路实验及仿真，清华大学出版社，20042 科林、孙人杰，电子工程手册系列丛书TTL高速CMOS，电子工业出版社，20043 卢结成、高达成，电子电路实验及应用课题设计，中国科学技术大学出版社，20024周常森，电子电路计算机仿真技术，山东科学技术出版社，2001 5福建师大物理与光电信息科技学院，电子技术基础实践，福建科学技术出版社，20036康华光，电子技术基础 数字部分（第四版），高等教育出版社，1998.77张永瑞、刘振起、杨林耀、顾玉昆，电子测量技术基础，西安电子科技大学出版社，1994.5 18