頻率計報告原理部分

數(shù)字頻率計的設(shè)計

一、 設(shè)計要求和指標(biāo)

1、可測頻率范圍為10Hz~1MHz。

2、采用數(shù)碼管顯示，顯示位數(shù)不少于6位。 3、顯示時間從2~7秒可調(diào)。 4、輸入阻抗大于10KΩ。

5、輸入信號峰峰電壓值在0.5~20V范圍內(nèi)可測。 二、 函數(shù)發(fā)生器的基本原理

一、測量原理

頻率為單位時間內(nèi)信號的周期數(shù)。對脈沖信號而言，其頻率為一秒鐘內(nèi)的脈沖個數(shù)；計數(shù)器在一秒鐘內(nèi)對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是該信號的頻率。只要計數(shù)結(jié)果以十進制方式顯示出來，就是最簡單的頻率計。如圖2.1.1所示，被測脈沖信號為X，在T1時刻出現(xiàn)一個脈沖寬度為一秒的閘門脈沖信號P，用閘門脈沖P取出一秒時間內(nèi)的輸入脈沖信號X形成計數(shù)脈沖Y，計數(shù)器對計數(shù)脈沖信號Y進行計數(shù)；計數(shù)的結(jié)果（頻率值）在T2時刻被鎖存信號S控制，鎖存到寄存器，并通過譯碼器、顯示器把并率顯示出來。在T3時刻計數(shù)器被清除信號R清零，準(zhǔn)備下一次的計數(shù)，一次測量結(jié)束。

圖2.1.1 頻率器的測量原理

顯示數(shù)值在T2時刻更換，S脈沖信號的周期為顯示時間，其大小反映顯示值的變化快慢。 顯示時間Tx為：

Tx=T3-T2+（0~2） （秒）

可見，改變T3-T2的值可調(diào)節(jié)顯示時間，通常T3是通過T2的延時而得，通過調(diào)節(jié)延www.msguai.com時時間來調(diào)節(jié)顯示時間。

二、方案框圖

頻率計的框圖如圖2.1.2，由六部分組成，以計數(shù)器為核心，各部分的功能如下：

圖2.1.2 頻率計總體框圖

1、計數(shù)器：在規(guī)定的時間內(nèi)完成對被測脈沖信號的計數(shù)。由輸入電路提供計數(shù)脈沖輸入，對脈

沖進行計數(shù)（在規(guī)定的測量頻率范圍內(nèi)計數(shù)無益出）。計數(shù)結(jié)果一般為十進制，并將計數(shù)結(jié)果輸出送往寄存器，再由控制電路提供的清除信號R清零。等待下一次計數(shù)的開始。該部分主要考慮計數(shù)器的工作頻率和計數(shù)容量問題。

2、鎖存器：暫存每次測量的計數(shù)值。為顯示電路提供顯示數(shù)據(jù)。鎖存器由控制電路提供的瑣存信號S控制更換數(shù)值。以正確地顯示每一次的測量結(jié)果。

3、譯碼顯示電路：對鎖存器的輸出數(shù)據(jù)譯碼，變?yōu)槠叨螖?shù)碼顯示碼，并驅(qū)動數(shù)碼顯示器顯示出十進制的測量結(jié)果。包括譯碼電路和驅(qū)動顯示電路。

4、時基電路：提供電路所需的各種工作脈沖信號。主要由控制電路形成各種控制時序脈沖。頻率的穩(wěn)定和精確是重要考慮的問題，它決定了頻率測量的準(zhǔn)確程度。

5、輸入電路：對各種輸入信號進行放大處理，產(chǎn)生計數(shù)脈沖。該部分要適應(yīng)各種輸入信號，如對小信號進行放大，對大信號進行限幅，對高頻信號和低頻信號都能形成計數(shù)脈沖輸出，以激勵門電路。

6、控制電路：產(chǎn)生有一定的時序要求的鎖存信號S、清除信號R等控制信號。給基準(zhǔn)脈沖控制的閘門脈沖信號給輸入電路取出計數(shù)脈沖。 三、 單元電路設(shè)計

1、輸入電路 1）原理設(shè)計

輸入電路是對輸入信號進行放大或衰減，變成合適的電壓范圍，同時對輸入信號進行隔直、比較、整形，處理成脈沖信號，再通過閘門電路，由基準(zhǔn)脈沖選出計數(shù)脈沖進入計數(shù)器。

輸入電路首先要隔離直流，然后對信號進行限幅和放大處理。放大電路可采用運算放大器構(gòu)成。由于輸出脈沖要求的幅度較大，要求能夠驅(qū)動門電路，對運算放大器要求速度較高。圖1是采用高速CMOS反相器74HC04構(gòu)成放大電路的輸入電路。該集成電路的平均傳輸延遲時間約9nS。采用三級串接，形成足夠的放大倍數(shù)，放大電路的輸出幅度大。輸入端通過電容C隔離直流。二極管對輸入信號進行限幅，使輸入信號的電壓范圍變寬，滿足設(shè)計要求。二極管最好選用結(jié)電容較小、開關(guān)速度較高的高頻二極管，以免對高頻信號造成損失。后兩級形成施蜜特觸發(fā)器對信號進行整形，同時也有一定的放大作用。調(diào)節(jié)RW可改變施密特觸發(fā)器的閥值電壓。

4HC04

圖1 是采用74HC04構(gòu)成的輸入電路

2）電路調(diào)試

在電流板上焊接好元器件，對連接好的電路先不加輸入信號，測量各級直流工作電壓和電流是否正常。直流電壓的測試非常方便，可直接測量。進行靜態(tài)測試的目的主要是檢測電路板中是否出現(xiàn)短路和斷路的情況，防止在焊接電路的過程中出現(xiàn)的焊接問題給后面的電路檢測帶來問題。

在實驗箱上調(diào)+5v的電源，給電路通上電，輸入檢測信號，從被檢測的信號輸入端輸入幅值在1V左右，頻率在1kHz，打開示波器，自檢，把示波器的第一通道的接地端接地，探針放到輸出端，用示波器觀察電路的輸出波形，理論上正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值在5V的矩形波，在示波器上我們可以觀察頻率一致的波形但是波形有一點失真，通過請教老師可知，只是因為器件的性能關(guān)系，才帶來的失真誤差。

2、時基電路

圖2 用CD4060集成電路的時基產(chǎn)生電路 圖3 CD4060的引腳圖 如圖2，采用CD4060集成電路，它集振蕩器和分頻器于一體，用32.768KHz的石英晶體構(gòu)成振蕩器，經(jīng)內(nèi)部14級二進制分頻獲得2Hz的脈沖信號，再經(jīng)一個由D觸發(fā)器組成的2分頻電路分

頻得1S的基準(zhǔn)脈沖信號，該電路結(jié)構(gòu)最為簡單，但只有一個1S的基準(zhǔn)脈沖輸出。

CD4060的引腳圖如圖3所示。

2）電路調(diào)試

時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號，即高電平的持續(xù)時間為1S，該電路的靜態(tài)調(diào)試已經(jīng)在之前進行過，連接好電源和電路，函數(shù)信號發(fā)生器上產(chǎn)生一個2V頻率為100Hz的信號，連入到電路，在示波器上觀察波形，可是這次我們沒有在示波器上發(fā)現(xiàn)波形，于是斷開電源，對集成塊的管腳進行檢測，最終發(fā)現(xiàn)管腳子焊接時出錯，排除了故障，最終可以再示波器上顯示預(yù)期的波形，斷開電源，整理好試驗箱和導(dǎo)線。

3、計數(shù)器 1）原理設(shè)計

圖4是采用三位十進制計數(shù)器CD4553的方案。CD4553為三位BCD碼計數(shù)器，該電路的特點是只有一組BCD碼輸出端，但通過分時控制可形成三位BCD碼輸出，實現(xiàn)動態(tài)掃描，可節(jié)省譯碼

圖5 CD4553內(nèi)部邏輯框圖

表1 CD4553的真值表

圖6 CD4553功能引腳圖

CD4553內(nèi)部邏輯框圖如圖5所示。CD4553的真值表見表1。功能引出見圖6。三個用負沿觸發(fā)的BCD碼計數(shù)器以同步工作方式級聯(lián)。每個BCD碼計數(shù)器輸出端都有一個四位鎖存器，通過門鎖端LE控制。對計數(shù)器結(jié)果加以存儲或傳送。LE為高電平時執(zhí)行鎖存，LE為低電平時執(zhí)行傳數(shù)。鎖存器與多路轉(zhuǎn)換器配合，完成三組BCD碼計數(shù)值的分時輸出。數(shù)字選擇輸出端為分時輸出同步控制信號，以實現(xiàn)對LED的動態(tài)顯示，輸出低電平有效。芯片內(nèi)設(shè)置了一個掃描振蕩器，用來產(chǎn)生掃描時鐘脈沖，通過掃描器驅(qū)動多路轉(zhuǎn)換器，完成分時輸出。掃描頻率由芯片3、4腳外接的電容器C值來設(shè)定，作為內(nèi)部時鐘；或由4腳直接輸入外部時鐘。使用內(nèi)時鐘時，電容器C的數(shù)值可按下式選取：掃描頻率f (Hz)=1.2/C（uF）。

在時鐘輸入端設(shè)置了脈沖整形電路，因此對輸入計數(shù)脈沖的沿口無特殊要求。13腳為復(fù)位端（MR），在高電平時，掃描振蕩被禁止，掃描器被復(fù)位，數(shù)字選擇輸出端DS1、DS2、DS3均輸出高電平，使顯示消隱；同時還將3位BCD碼計數(shù)器全部清零，14腳（OVF）為進位端，當(dāng)本級輸入第1000個計數(shù)脈沖時，OF端輸出一正脈沖。

2）電路調(diào)試

連接好電路，通上+5V的電壓，連接好示波器，觀察示波器上的波形，我們可以觀察到相鄰計數(shù)器始終端的波形頻率一次大約相差十倍，各電平值或波形與電路給出的狀態(tài)大約一致其實對于這個電路的檢測，我們發(fā)現(xiàn)在示波器上顯示的波形的頻率關(guān)系并不一致，而且波形也不正常，于是在老師的指導(dǎo)下對計數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進行檢測，最終發(fā)現(xiàn)了原因，原來我們的導(dǎo)線有問題，排除了故障。

4、譯碼顯示電路 1）原理設(shè)計

圖7為配合CD4553的譯碼顯示方案，其中三極管Q1、Q2、Q3由CD4553控制循環(huán)選擇動態(tài)的三位數(shù)碼顯示器。R1~R7為限流電阻。CD4543為七段鎖存/譯碼/驅(qū)動器，其特點是既可驅(qū)動共陽或共陰的LED，也可驅(qū)動LCD，使用比較方便。

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圖7 配合CD4553的譯碼顯示電路

譯碼顯示器也可選用CD4544，它和CD4543功能相同，只是多了RBI、RBO兩個滅零輸入和滅零輸出端口。它們的引腳圖如圖8，功能表如表2。

對于該電路的調(diào)試，在焊接前要對七段數(shù)碼管進行一個管腳檢測步驟，檢測掐斷數(shù)碼管同測試普通半導(dǎo)體二極管一樣。注意!萬用表應(yīng)放在R×10K檔，因為R×1K檔測不出數(shù)碼管的正反向電阻值。對于共陰極的數(shù)碼管，紅表筆接數(shù)碼管的“-”，黑表筆分別接其他各腳。測共陽極的數(shù)碼管時，黑表筆接數(shù)碼管的接地端，紅表筆接其他各腳。另一種測試法，用兩節(jié)一號電池串聯(lián)，對于共陰極的數(shù)碼管，電池的負極接數(shù)碼管的“-”，電池的正極分別接其他各腳。對于共陽極的數(shù)碼管，電池的正極接數(shù)碼管的接地端，電池的負極分別接其他各腳，看各段是否點亮。對于不明型號不知管腳排列的數(shù)碼管，用第一種方法找到共用點，用第二種方法測試出各筆段a-g、接地端、H等。通過觀察數(shù)碼管的電量情況就可以該段電路的好壞。

5、控制電路

控制電路主要產(chǎn)生閘門信號、計數(shù)器清零信號、鎖存器的鎖存信號等控制信號，主要由閘門電路、延時電路、整形電路組成。

閘門電路主要產(chǎn)生閘門脈沖，它的脈沖寬度控制每一次的測量時間，如1S，0.1S等，由時基電路提供。圖9為使用雙D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成的方案。清零信號脈沖對觸發(fā)器UB清零，UB輸出端Q為“0”使得 UA清零信號無效。基準(zhǔn)脈沖上升沿到來使觸發(fā)器UA翻轉(zhuǎn)，Q端輸出為“1”，第二個基準(zhǔn)脈沖到來時，觸發(fā)器UA翻轉(zhuǎn)，Q端輸出為“0”；同時輸出端Q上升沿使得UB翻轉(zhuǎn)，UB的`，輸出一個下降沿觸發(fā)延時電路，UB的Q端變?yōu)椤?”，對UA置零，使UA的Q

Q輸出變?yōu)椤?”

圖9 控制電路

圖11為采用三雙精密可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538構(gòu)成的延時電路，可輸出鎖存脈沖和清零脈沖信號。電路中利用一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對閘門脈沖的后沿作延遲，延遲時間由定時電路參數(shù)決定約為R1C1，通過微分電路整形成一定寬度的脈沖，脈沖寬度約為0.7R2C2，從而形成鎖存脈沖。注意脈沖寬度的不要選得太大。另一個單穩(wěn)態(tài)電路是對鎖存脈沖的延遲得到清零脈沖，其工作原理和鎖存脈沖的延遲電路原理一樣。CD4538的引腳圖見圖10，功能表見表3。

表3 CD4538的功能表

圖10 CD4538引腳圖

圖11 由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538構(gòu)成的延時電路

6、整機電路調(diào)試

用導(dǎo)線接通所有的電路模塊，再用萬用表檢測各模塊之間是否連通，檢測好后，從函數(shù)信號發(fā)生器上產(chǎn)生一個電壓為2V頻率為100Hz的信號，連接到電路的輸入端，給電路上電，觀察七段數(shù)碼管是否正確顯示頻率的大小，這次為了節(jié)約成本，我們只用兩塊七段數(shù)碼管來顯示有三位數(shù)的顯示，我們只顯示十位和百位的數(shù)字，不斷的檢測與該進，最終我們成功的讓其顯示了正確的頻率。再次在函數(shù)型號發(fā)生器上產(chǎn)生一個電壓為2V頻率為90Hz的信號。連接到電路，我們發(fā)現(xiàn)顯示電路的百位七段數(shù)碼顯示0，十位七段數(shù)碼顯示9，這說明顯示成功。最后斷開電源，整理好實驗箱和導(dǎo)線，調(diào)試結(jié)束。

四、 設(shè)計心得

經(jīng)過一個星期的努力，我們小組的數(shù)字頻率計制作和調(diào)試都圓滿成功，我很高興也很激動。因為自己付出得到了回報。在這過程中，我們小組很努力的去做比其他同學(xué)都認真，每一個孔的焊接，每一條線路的連接我們都很細心去做也有認真的去思考老師給我們的電路原理，，我們小組分工合作，我負責(zé)電路原理圖和電路元件參數(shù)的計算與選取，黎德強同學(xué)則負責(zé)電子元器件的購買，黎德強是電子協(xié)會的，在這個制作過程中我向他學(xué)習(xí)了不少的知識，關(guān)鵬毅同學(xué)主要負責(zé)電路板的焊機工作，對于焊接我一直覺得是一件比較麻煩的事，這兩位同學(xué)所辛苦的遠遠大于我了，在這里衷心謝謝這兩位同學(xué)，在設(shè)計過程中我們也是相互學(xué)習(xí)的一個過程，每個人都有自己擅長的，我們通過實踐相互交流，這是一種很好的學(xué)習(xí)過程。

調(diào)試過程中，我們也面臨著很多問題，有時候電路板得不到預(yù)期的效果要求，通過檢測也發(fā)現(xiàn)問題，有時是電路的焊接問題，有時是電路元器件參數(shù)不正確，有時電阻的誤用等。有時候我們也不得不請教老師，跟老師討論出現(xiàn)什么問題，，老師告訴我可能什么原因，在通過檢查后發(fā)現(xiàn)問題，再解決這問題，我們的數(shù)字頻率計就是這樣完成的。再此我還要感謝我們的指導(dǎo)老師。

電子綜合技能實訓(xùn)課程，是針對專業(yè)理論和實踐相結(jié)合的一門過程，在設(shè)計的過程中，不但可以對以前所學(xué)到的專業(yè)知識作系統(tǒng)性的回顧，還可以學(xué)到不少的新知識，我想只有這樣的課程才能更大程度的讓我們的學(xué)習(xí)得到進步。

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