數電課程設計報告

設計課題：簡單數字頻率計的設計

專業班級：電子資訊工程0802

學生姓名：

指導教師：

設計時間：2023年7月1日----7月5日

題目：簡單數字頻率計的設計

設計者:

指導教師:

摘要：數字頻率計是一種用十進位制數字顯示被測訊號頻率的數字測量儀器。通常情況下，利用示波器可以粗略測量被測訊號的頻率，精確測量就要用到數字頻率計。

它的基本功能是測量正弦訊號、方波訊號、尖脈衝訊號以及其他各種單位時間內變化的物理量。頻率是在單位時間（1s）內訊號週期性變化的次數。如果能在給定的（1s）時間內對訊號波形計數，並將計數結果顯示出來，就能讀取被測訊號的。

關鍵詞：數字頻率計計數測量訊號的頻率

引言：頻率計的基本原理是：被測訊號ux首先經整形電路變成計數器所要求的脈衝訊號，頻率與被測訊號的頻率fx相同。

時鐘電路產生時間基準訊號，分頻後控制計數和保持2種狀態。當其高電平時，計數器計數；低電平時，計數器處於保持狀態，資料送入鎖存器進行鎖存顯示。然後對計數器清零，準備下一次計數。

頻率的定義是單位時間（1s）內週期訊號的變化次數。若在一定時間間隔t內測得週期訊號的重複變化次數為n，則其頻率為f=n/t

第一章系統概述

1．1 設計任務與要求

(1) 頻率測量範圍：1～9999hz

(2) 被測訊號幅度：u≤100v

(3) 輸入訊號波形：任意週期信

(4) 顯示位數：4位

1．2 數字頻率計方案設計與論證

（1）．提出方案

任務要求測量輸入訊號的頻率，為此可以採用不同的方法：一種是間接測量法，例如先將輸入訊號變換成與頻率成正比的電壓，再利用a／d轉換器形成數碼訊號，最後用數碼顯示器顯示出來；另一種是直接測量法，即將輸入訊號放大整形後，通過控制門記錄1秒鐘內的脈衝數，再通過計數器、解碼顯示電路表示出來。所以，完成該設計任務至少可以有兩種方案，它們的方框圖如圖1.

1.1和圖1.1.

2所示。

ui 放大整形脈衝訊號電壓訊號

數碼訊號

圖1.1.1 數字頻率計方案

被測訊號

秒控制訊號

圖1.1.2 數字頻率計方案

（2）．方案論證

圖 1.1.1所示方案從理論上是可行的，但它必須有頻率檢波電路和 a/d轉換電路，不僅電路比較複雜，而且訊號經過兩次變換會產生較大誤差，因此測量結果不很準確，該電路除錯也較困難，所以該方案不是最佳的。

圖1.1.2所示方案中，只要將輸入訊號放大整形成為脈衝訊號，即可直接測量出訊號的頻率。

這裡關鍵問題是產生精確的秒控制訊號，以保證測量的精度。如果採用石英晶體振盪器產生脈衝振盪訊號，然後通過分頻便可獲得穩定、精確的時基訊號。這一電路實現起來也不困難。

可見，比較兩種方案可以得出結論，第二種方案比較合理、可行。

1.3工作原理

（1）訊號放大、波形整形電路

為了能測量不同電平值與波形的週期頻率，必須對被測訊號進行放大與整形處理，使之成為能被計數器識別的脈衝訊號。訊號放大可以採用一般的運算放大器，波形整形可以採用施密特觸發器。

（2）控制閘電路

用於控制輸入脈衝是否送至計數器計數。控制閘電路可以用乙隻與非門電路和乙隻反相器組成。

（3）計數器

計數器的作用是對輸入脈衝計數。根據設計要求，最高測量頻率為9999hz ，應採用4位十進位制計數器，在這裡可以選用現成的十進位制整合計數器

（4）鎖存器

在確定的時間（1s）內，計數器的計數結果（被測訊號頻率）必須經鎖定後才能獲得穩定的顯示值。鎖存器通過觸發脈衝的控制，將測得的資料寄存起來送顯示解碼器。鎖存器可以採用一般的8位並行輸入暫存器。

（5）顯示解碼器與數碼管

顯示解碼器的作用是把bcd碼表示的十進位制數轉化成能驅動數碼管正常顯示的段訊號，以獲得數字顯示，顯示解碼器的輸出方式必須與數碼管匹配。

第二章單元電路設計與引數計算

2.1分析單元電路和選元器件

1、秒控制訊號產生電路

（1）秒訊號發生器

為了產生精確的秒訊號，必須有訊號發生器即振盪器。從高頻電路中可知，振盪器的頻率和穩定度越高，形成的秒訊號就越準確。在lc振盪器中，儘管採取了各種穩頻措施，但實踐證明，它的頻率穩定度一般很難突破10-5數量級。

採用石英諧振器作為選品網路構成振盪器就會有很高的q 值（品質因數）和很高的迴路標準性，因而有很高的頻率穩定度。一般選電子錶的石英晶體構成的頻率為32768hz=215 振盪器，然後經過15次二分頻就可以得到秒訊號。採用14位二進位制序列分頻器cc4060外接石英晶體jn即可直接實現振盪與分頻功能，因其輸出是2hz訊號，需再接乙個二分頻器就可以得到秒訊號。

見圖2.1.1

（2）秒控制訊號產生電路

有了秒訊號還需要形成秒控制訊號，以便控制電路在一秒鐘的取樣時間內，記錄輸入訊號的頻率。為了使記錄的頻率數值有乙個穩定的顯示時間，同時每次記錄之前，計數器必須清零，所以要求秒控制脈衝間隔一定時間出現一次。如果取樣時間為1s ，顯示穩定的數字為5s，則可用6只d觸發器組成環形振盪器，輸入觸發訊號是秒訊號，其並行輸出q1~q6為順序脈衝，其電路原理圖和波形圖如圖2．1．2（a）和（b）所示。

圖中q1為秒控制訊號，其高電平用來開啟控制閘電路，其低電平用來控制計數器的清零端和解碼器的鎖存端。環形振盪器由雙4位暫存器cc4015來實現，其連線圖如圖2．1．3所示。

a）b）

圖2．1．2 秒控制脈衝產生電路及波形

a）電路（b）波形

圖2．1．3 cc4015連線圖

2、控制閘電路

利用所獲得的放大整形訊號和秒控制訊號去觸發控制電路，進而得到一定寬度的閘門訊號，用它去控制主控門的開門時間，在取樣時間內，主控門允許被測訊號通往計數器計數。控制閘電路的另乙個作用是在每次取樣後，封鎖主控門和時基訊號的輸入，便於穩定數值以待觀測和讀取。總之，控制閘電路的任務就是起開關作用，開啟主控門計數，關上主控門顯示。

在選用元器件上用一兩輸入端的與非門（輸入高電平有效）和乙隻反相器。如圖2.1.

4所示圖2.1.4

3、計數、解碼和顯示電路

由於技術指標要求，最高測量頻率為9999hz。在這裡頻率計數器選取為由兩塊雙十進位制計數器74hc4518組成。由於計數器受控制門控制，每次計數只在d觸發器組成的環行振盪器的順序脈衝作用下進行跳變（當cp為低電平時，觸發器被封鎖，d輸入的變化脈衝不能影響觸發起的輸出；當cp為高電平時，觸發起狀態與d輸入狀態相同），然後將計數器的輸出資料鎖存起來送顯示解碼器。

鎖存器具有保持功能，計數脈衝訊號通過鎖存器將脈衝訊號轉變為電訊號送入顯示器顯示結果。計數結果被顯示5秒後，計數器會自動清零。另外，74hc4518的清零端cr和c4511鎖存端le均為高電平有效。

因此選用q1的低電平控制清零和鎖存時，必須加一級反相器，再接到每個計數器和解碼器的cr和le端。

為了能將數字系統的執行資料以十進位制數碼直觀地顯示出來，常採用74hc4511七段數碼顯示器。其主要產品有半導體數碼顯示器led、液晶數碼顯示器led、等離子體顯示板等。在此選用半導體數碼顯示器。

在使用中，共陽極接法的數碼顯示器如其陽極接高電平，則陰極接低電平的發光二極體發光，這樣通過控制7只發光二極體的陰極電壓就可顯示0~9中的任何乙個數字。由於每只二極體的開啟電壓為0.7v，所以顯示器的7只二極體需4.

9v，可以選用解碼輸出電壓為5v。如圖2.1.

5(a)和(b)所示

2.1.5(a)計數、解碼和顯示電路

2.1.5(b)74hc4511邏輯符號

5、訊號放大、波形整形電路

一般情況下，輸入的訊號比較小，加一級放大器和觸發器可提高訊號的放大倍數，進行波形處理，從而可以獲得測量的靈敏度和精度。訊號經放大後再送入整形電路整形是為了使放大電路與邏輯電路相容。一般選單電源供電的運算放大器f158，電源電壓5v。

整形電路選用施密特觸發器cc4093。如圖2.1.

6所示圖2.1.6放大整形電路

放大電路用微分電路除了**性系統中作微分運算外，在控制系統中用於實現微分校正，在脈衝數位電路中，常用來做波形變換。如將矩形波變為尖脈衝波，則下圖的微分電路與基本微分器相比，在輸入端串了電阻r2，加r2後，自然頻率下降，阻尼比明顯增大，其作用是消除自激，減小高頻諧振峰。

2.2電路元器件引數的計算

由於整體電路多採用積體電路連線而成，所以需要設計計算的器件引數不多，其中只有以下元件要求進行估算和選取：

1．振盪器r1，c1和c t的選取

由cc4060中的反相器與r1，c1和c t、構成的晶體振盪器，r1為反饋電阻，以保證反相器工作**性放大區，該阻值不宜太小，一般選在幾兆歐到幾十兆歐。本電路選22mω的電阻。反饋電壓是由輸出電容c t和輸入電容c 1決定，以構成電容式三點式振盪電路。

一般c 1選取20pf的電容，c t選用35／4pf的可調電容。

2．放大電路的r2，r3和r4的選取

放大電路的 r2和 r3決定電路的放大倍數，即 af＝為了保證 u i＜100mv時，能使輸出電壓驅動后級施密特電路正常工作，由於cc4093觸發電平，要求輸出電壓uo＞2.2v 。可見，af＝≥ ，如果選取比為10kω則r3應選用220kω。

r4是限流保護電阻，在放大器輸出最大電壓時不致損壞施密特內部保護二極體，一般選取幾為200ω。c 2為耦合電容，選47μf。

3．解碼、顯示電路ra～rg的選取

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