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1、.前言数字频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉信号的频率，而且还能对其他多种物理量的变化频率进行测量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以由有关传感器先转变成周期变化的电信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出来。因此它是一种测量范围较广的通用型数字仪器。设计要求：1. 被测信号的频率范围100HZ100KH；2. 输入信号为正弦信号或方波信号；3. 四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位；4. 具有超量程报警功能；第一章 系统概述1.1基本原理数字频
2、率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。1.2系统框图 系统框图：图1数字频率计框图1.3系统各部分的功能设计 1.3.1波形整形电路 图21.3.2 分频器 图3（a） 图3（b）分频器的作用是为了获得 1S 的标准时间。电路中首先用两片如图3（a）所示的分
3、频器对经过整形后得到的 100Hz 信号进行 100 分频得到如图4（ a ）所示周期为 1S 的脉冲信号。然后再用D触发器如图3（b）进行二分频得到如图4（ b ）所示占空比为 50 脉冲宽度为 1S 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在 1S 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。 图4示波器输出波形 1.3.3 信号放大、波形整形电路为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路（如图5所示），波形整形采用5
4、55构成的施密特触发器（如图6所示） 图5 运算放大器 图6 由555构成的斯密特触发器 图7 信号放大与波形整形电路原理图1.3.4 控制门 控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。 我们的设计采用的是或门，秒信号为低电平时进行计数。如图8所示图8 或门作为控制门1.3.5 计数器 计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为 100kHz ，应采用6位十进制计数器。可以选用由74161（74161是同步16位二进制加计数器，它
5、有异步清零，同步预置数等功能。）改装而成的10进制计数器。 图9 计数器74161 图10 由74161连成的十进制计数器 1.3.6 超量程报警器如图11所示，报警器由一个与门控制一个D触发器和一个信号指示灯x1实现。由于设计要求最大频率为100.0KHZ,当计数器计数输出的结果小于100.0KHZ时，与门7409N输出一直为低电平，报警信号灯一直处于熄灭状态；当输出结果大于100.0KHZ时，在计数的过程中与门7409N输出将变为高低电平交替出现，信号灯一闪一亮。 图11 超量程报警器1.3.7 寄存器在确定的时间（ 1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经寄存后才能获得稳定的显示
6、值。寄存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。寄存器为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。图12如图12所示，在设计中我们采用了74LS175，74LS175是用四个D触发器组成的四位寄存器，用以存储4位二进制数。在CP上升沿到达时1D4D端状态被同时到各个触发器中，形成1Qn+14Qn+1状态。RD为异步清零控制端。当RD=0时，不需要和CP同步，就可完成寄存器1Q4Q清零工作。1.3.8 显示译码器与数码管 显示译码器的作用是把用 BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。 选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。本设计中
7、采用的是7447七段数码显示译码器以及相应的七段数码管。显示译码器7447 如图13（a）所示，七段译码管如图13（b）所示，电路连接图如图14所示。(a) (b) 图13 图14第二章 单元电路的设计与分析在本次设计中，我的主要任务就是实现占空比为50%的方波信号，我实现它所用的电路原理图如图： 图2-1本模块中所用芯片有：555构成的斯密特触发器、4518BD，DFF。其功能分别是：图2-1-2555构成的斯密特触发器:连接图如图2-1-2。为了消除高频干扰，提高比较其参考电压的稳定性，通常将CON管脚通过0.01uf的电容接地。 施密特触发器的构成 施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般
8、触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。 门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变
9、化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。 它是一种阈值开关电路，具有突变输入输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。 斯密特波形图利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。 555定时器 555定时器是一种集成电路如图2-1-3所示，因集成电路内部含有三个5千欧电阻而得名利用5
10、55定时器可以构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。本次设计我采用555定时器构成施密特触发器，因为它只需将2号脚和六号脚连在一起作信号的输入端，即可方便地构成施密特触发器。图2-1-3 CB555的电路结构只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起，就可以构成施密特触发器。可以简记为“二六一搭”。如图2-1-4 图2-1-4 施密特触发器连接图4518BD功能：十进制同步加/减计数器4518。如图2-1-5 图2-1-54518BD 为双BCD 加计数器，该器件由两个相同的同步4 级计数器组成。计数器级为D 型触发器。具有内部可交换CP 和EN 线，用于在时钟上升沿或下降加计数。在单个
11、单元运算中，EN 输入保持高电平，且在CP 上升沿进位。CR 线为高电平时，计数器清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q3 连接至下一计数器的EN 输入端可实现级联。同时后者的CP输入保持低电平。将两个4518BD串联起来，可以实现对经过555触发器的输入信号的100分频。连接图如图2-1-2所示，CP1接输入信号，CP2接D触发器的CLK输入端。DFF功能：电路图如图2-1-6所示。 图 2-1-6为D触发器。其功能是实现二分频。从而输出占空比为50%的标准秒信号，然后完成计数功能CLK端接上步中的分频器的输出端，Q接控制门U8A(74LS332D)其中一个输入端。各部分的实现结果如下图所示
12、电源波形经555构成的斯密特触发器变形后的波形。555构成的斯密特触发器输出的信号经过二分频得到的标准秒信号。第三章 电路的检测方法与步骤(1) 电源测试用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。 检验电路图如3-1-1所示，如果示波器的输出波形如图3-1-2所示。由波形图可以证明将电源信号变为标准秒信号可以正确实现。图3-1-1图3-1-2(2) 输入检测信号 从被测信号输入端输入幅值在 1V 左右频率为 1.2KHz 左右的正弦信号检验电路如图3-2-1所示。由示波器的输出波形所示可证明已经将被测信号变为方波信号。 图3-2-1 图3-2-2(3) 控制门检测 检测控制门 U8A(7
13、4LS32D) 输出信号波形，正常时，每间隔 1S 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常 , 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。 (4) 计数器电路的检测 依次检测6 个计数器 74161 时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差 10 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作
14、，则检测寄存器电路。 (5)寄存电路的检测 依次检测 74175寄存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。 (6) 显示译码电路与数码管显示电路的检测 检测显示译码器7447各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析连接好电路。 第四章 总结在数字频率计的设计当中，基本完成了设计任务书中的基本要求。本课题用Mulitism软件设计，数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，联机比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。而且还存在着许多不足之处。为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量
