数字频率计的设计要点.pdf

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目录
摘要..............................................................Ⅱ
Abstract..........................................................Ⅲ
第一章绪论........................................................1
.......................................................1
.................................................1
第二章系统方案设计................................................2
.......................................................2
...................................................2
.......................................................4
第三章系统硬件设计................................................5
.......................................................5
.........................................6
...................................6
.............................................8
.........................................9
.............................................10
.............................................11
...............................12
第四章系统调试....................................................13
.......................................................13
...................................................13
...................................................13
.........................................14
总结.................................................................15
致谢.................................................................16
参考文献.............................................................17
附录...............................................................18:.
摘要
在结束《电子技术基础》的数电部分和模电部分的课程后,制作简易的数字频率计
是相关专业学生必须掌握和实践的一项基本技能。运用已有的数电知识和模电知识,灵
活地运用集成芯片和器件,搭建数字频率计的硬件模型,再经过具体地调试,基本实现
从待测信号的放大整形,计数到译码显示。其中还包括闸门信号的产生及分频和逻辑控
制电路的设计。采用分模块设计和调试的方法,确保数字频率计的各项功能指标。在此
次课程设计中主要用到了时序电路,其中时序电路以单稳态电路,D触发器为主,其次,
计数及分频部分用到了十进制计数器74LS90和CD4518芯片,译码电路用到了74LS138
和CD4511芯片,扩展电路用到了74LS192芯片。通过此次的课程设计,简易的数字频
率计能够很快地被做成并实现测量方波,三角波,正弦波等信号的频率,并具有自动换
挡和指示量程的功能。
关键词:电子技术;频率计;数电;时序电路;课程设计
:.
Abstract
Attheendoflearning"ElectronicTechnology",includingdigitalcircuitandanalog
circuitpart,makingasimpledigitalfrequencymeterisabasicskillthatthestudentsmust
,flexibly
usingintegratedchipsanddevices,buildingahardwaremodelofthedigitalfrequencymeter,
thenthroughspecificdebugging,basicallydisplayfromthemeasuredsignalamplification
shaping,
,andensure

circuit,includingthemonostablecircuitandDflip-flop,followedbycountinganddividing
sectionwhichusesdecimalcounter74LS90andCD4518chips,74LS138andCD4511chips
usedinthedecodingcircuit,
curriculumdesign,simpledigitalfrequencymetercanbemadeandimplementedquicklyto
measurethefrequencyofsquarewave,trianglewave,sinewavesignalandautomatically
indicatesandshiftstherangofmeasurement.
Keywords:ElectronicTechnology;frequencymeter;digitalcircuit;timingcircuit;curriculum
design
:.
第一章绪论

随着电子技术的飞速发展,各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元,已逐步
被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电
路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。数字系统
和数字设备已广泛应用于各个领域,更新换代速度可谓日新月异。
在电子系统非常广泛的应用领域内,到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费
用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急
救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步,使得系统设计
人员能在更小的空间内实现更多的功能,从而提高系统可靠性和速度。
数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器,不但要求电路产生频
率准确的和稳定度高的信号,而且能方便的改变频率。
数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。
直接式的优点是速度快、相位噪声低,但结构复杂、杂散多,一般只应用在地面雷
达中。
锁相式的优点是相位同步的自动控制,制作频率高,功耗低,容易实现系列化、小
型化、模块化和工程化。
直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程
化。
随着单片锁相式数字频率计的发展,锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模
块化和工程化,性能也越来越好,已逐步成为两种最为典型,用处最为广泛的数字频率
计。

本次课程设计以教学为主,目的在于通过制作纯硬件实现的数字频率计,使大学生
对电子技术基础这门课程有着更接近实践的了解,从而培养电子信息专业学生的电路分
析设计能力,对基本元器件的使用和调试技巧,和对整个系统网络查错和排错的能力。
数字频率计正好包含了几乎所有的电子技术的基础,整个电路是一个时序电路。分支有
十进制计数器,数码译码显示电路,单稳态电路,分频电路,三极管放大电路和有迟滞
效应的整形电路。同时,数字频率计的设计比较灵活,在元器件上的选择的不同会导致
精度和稳度上的差异,并鼓励创新。:.
第二章系统方案设计


设计并实现一数字频率计

1、测频范围:1Hz—10MHz,为保证测量精度,分为三个频段:
1Hz---999Hz
1kHz---999kHz
1MHz---10MHz
当信号频率超过规定的频率上限时,设有超量程指示。量程自动转换,
量程显示用二极管指示(Hz,kHz,MHz)。
2、输入波形:函数发生器输出正弦波,信号幅度(峰值)10mV—3V
3、测量误差小于±1%;
4、显示结果用三位共阴数码管显示,最高位显示为有效数值,小数点可自动移动显示。

1、根据任务书,学会设计;
2、掌握仪器使用方法与测试技巧
3、掌握电路测试方法,杜绝装-拆-再装-再拆,碰到故障,必须找到故障原因,排除故
障。
4、学会绘图、word排版。


频率计定时时间1s可以通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1000HZ
的脉冲,再进行分频成1HZ即周期为1s的脉冲,再通过T触发器把脉冲正常高电平为
1s;放大整形电路通过与非门,非门和二极管组成;闸门电路用一个与门,只有在定时
脉冲为高电平时输入信号才能通过与门进入计数电路计数;计数电路可以通过5个十进
制的计数器组成,计数器再将计的脉冲个数通过锁存器进行稳定最后通过4个LED数码
显像管显示出来。
网上设计的频率计普遍采用此方法。:.

固定闸门信号1s,由555定时器和电容电阻构成的多谐振荡器产生脉宽1s的脉冲
,再经4分频
得到1s脉宽的脉冲。闸门信号和放大整形后的待测信号与非,多次十分频后接74LS151,
再送到计数端。用74LS90计最高位的QD脚的负跳沿个数,用来控制74LS151的信号通
路,锁存和清零都由74LS123产生。
原理:每次计数都是以HZ为单位,超量程时,最高位由0到9,再9到置数为1,74LS90
输出控制74LS151选择,将后面的脉冲10分频,有就是将最低位乘上10。74LS90同时
控制小数点和量程的转换,当然小数点和量程指示显示要加锁存。计数器记录1s内所
有的脉冲个数,但只保留了最高的3位。欠量程时有就是100HZ以下时,将高位的0消
隐。(此方法只是个人想法,具体地电路设计还未尝试)
锁存信号显示
译码锁存
74LS123计数
清零信号
进位信
号
Y
A
B74LS151
74LS90
C
CPD0D1D2D3
闸门信号
1s

&
2分频再4分频
待测信号放大整形

:.
用4MHZ的晶振电路产生4MHZ的基准信号,经4分频,多次十分频,分别得到1MHZ,
100kHZ,10kHZ,1kHZ,100HZ,10HZ,1HZ,,再经
D触发器2分频得到1us,10us,100us,1ms,10ms,100ms,1s,10s的闸门信号。用
74LS123产生锁存和清零信号。74LS192作为扩展电路控制74LS151和74LS138完成自
动换挡功能,欠量程和超量程信号分别有中间位和最高位的进位产生。

通过这三个方案的对比,方案一用的是555定时器,精度和稳度都不高,用的是4
位数码管显示,可扩展电路过于简单,而且网上多采用这种方案。方案二固定闸门信号
的脉宽,灵活性太差,每次计数显示等待时间为2s。小数点显示和量程指示都要加锁存,
过于繁琐。方案三对基准信号分频得到不同的闸门信号,灵活性高,计数和显示的时间
可变。扩展电路采用74LS192可加可减计数器,量程可扩展。因此我选择第三种方案,
以下说的电路系统框图和单元电路图都是以这个方案展开讨论的。
它们的计算频率的原理一样:
闸门信号
待测信号
计数
单位时间内的脉冲个数

:.
第三章系统硬件设计

74LS123锁存
逻辑控制电路
显示
清零
译码锁存
控制经过一些
逻辑电路
计数(3)、计数
处理
74LS192(2)、计数(1)
扩展电路
&
74LS138
闸门信号
译码控制小
数点和量程
指示
二分频
74LS151
晶
振
电分频电路
4MHZ
路
待
测
信放大整形电路
号
:.

从这个总体框图可以看到,电路被分成了几个单元电路,它们有各自的功能,同时
又相互联系。我们在实际设计过程中,可以分块做,同时也方便测试和排错。保证每个
模块功能正常,然后模块间进行拼接,再调试,最后把所有的连接起来,实现数字频率
计的设计。


CD4069
产生4MHZ频率
的基准信号
2MΩ
4MHZ
10pF10PF

本次课程设计采用4MHZ的晶振,用于产生4MHZ频率的基准信号,经分频得到不
同的闸门信号。:.
闸门信号
1Q
1D1CP分别与74LS192的
ABC对应
1Q
1S1RYABC
74LS74
74LS151
D0D1D2D3D4D5D6D7
基准信
号输入
1CLK1A1CLK1A1CLK1A1CLK1A
1EN1B1EN1B1EN1B1EN1B
CR1C1C1C1C
1D1D1D1D
+5V2CLK2CLK2A2CLK2A2CLK
2A2A
2EN2EN2EN2EN
2B2B2B2B
2C2C2C2C
2D2D2D2D
CD4518CD4518CD4518CD4518
GND

这是一个分频电路,基准信号最先接入的是CD4518,十进制计数器,直接四分频
较困难。它的C脚接在了自身的清零端上,取C脚信号的正跳沿构成四分频电路。
CP
A
B
C

还要说明一点:这里采用D触发器做2分频的目的是为了保证脉宽的大小。:.

+5V
10kΩ
10kΩ
10kΩ10kΩ
&
接计
CD4069数器
+
+
闸门
47uF1kΩ
100uF
待信号
测
信
1kΩ
号+
10kΩ
10kΩ
100uF

说明:待测信号的幅度较小时需要放大,一般采用2级放大,电路中的电阻的阻值
根据都要根据实际的静态工作点来调。此处的整形采用了反相器,也可以用施密特电路,
迟滞比较器等等。
:.

220Ω220Ω220Ω
dpdp
QGQFQEQDQCQBQAQGQFQEQDQCQBQAQGQFQEQDQCQBQA
CD4511
ELDDDCDBDAELDDDCDBDAELDDDCDBDA
锁存信号
超量
程C1
欠量程
C2
DCBADCBADCBA
74LS90
CPACPBR02CPACPBR02CPACPBR02
R01R01R01
清零信号
计数端

说明:中间的计数器的D脚作为进位信号,控制欠量程信号C2,最高位的计数器D
脚作为进位信号控制超量程信号C1。锁存和清零信号有控制电路给出,小数点显示由扩
展电路控制。
:.

74LS123
+5V
10pF10KΩ10pF10KΩ
+t+
w
1CT1RT/CTVCC2CT2RT/CTVCC
清零信号
1A1Q2A2Q
1B2B
1Q2Q
闸门
信号锁存信号
t=
w

74LS123是一个单稳态可重复触发芯片,当A脚出现负跳沿时,Q脚产生一个脉宽
。
闸门信号
锁存信号
清零信号

:.

清零锁存
欠量程
C2
1CP1Q
1D
CR1Q
&CPuQA
接74LS151
和74LS138
QB
的ABC
QC
超量程CPd
C1&
QD
2CP2Q
2D
CR2Q
+5V74LS192

换挡原理:超出量程时,最高位会有进位产生,会使D触发器工作,输出Q脚由
低电平变成高电平,“1”与锁存信号与非,作用74LS192的CPd端,选择较窄的闸门。
欠量程时,中间位不会出现进位,D触发器不工作,输出的~Q脚保持高电平,“1”与
锁存信号与非,作用74LS192的CPu端,选择较宽的闸门。
:.

MHZ1kΩ
Y
2
Y
3
1kΩ
A
kHZ
Y&
4
B
Y
5
C
1kΩ
Y
6HZ
&
Y
7
最高位
&
74LS138小数点
中间位
&
小数点

:.
第四章系统调试

测试用到的仪器:函数发生器,双踪示波器,5V稳压电源,交流毫伏表,万用表

1、测试放大整形时,用函数发生器产生一定幅值和频率的正弦波作待测信号,用示波
器接在整形的输出上观测波形;
2、测试闸门信号时,将74LS151的C,B,A脚接上特点的电平,依次从000变化到111,
用示波器观察闸门信号的脉宽;
3、测试计数译码显示电路时在计数端接函数发生器,同时清零和锁存都不作用;
4、测试74LS123的功能,在1A脚接函数发生器,用示波器观察1Q和2Q脚的信号波形,
观测波形的脉宽;
5、剩下的扩展电路加到整个系统中,观察数码管的显示和指示灯的变化;

测试方法:将单元电路按步骤进行拼接,同时调试,预期结果实现后再进行下一步拼接。
:.

在连接完整个电路后,测了20组数据如下:

测量频率200Hz340Hz581Hz728Hz880Hz





,17MHz
最低电压幅值165mV有效值42mV



待改进的地方:测低频时误差太大,实际可测频率范围较小,电压范围不够大;
改进方法:在元件参数设置上,比如放大电路的静态工作点要调到位;芯片的替换,CMOS
器件的高频性不是很好,根据需要可以用TTL芯片替代。
:.
总结
经过这次课程设计,将《电子技术基础》这门课程的理论运用到实际电路当中,让
我们有机会在实践中学****对时序电路有了更深的了解,同时为以后的理论学****多了实
践的指导。
数字频率在很多领域都会用到,带有测量频率的功能的仪器也不少,它们的测量原
理不尽相同。测量频率可以直接计算频率,也可以通过计算周期来间接测量频率。本文
采用的是直接计算频率的方法,而且用到的芯片功能比较简单,部分电路功能也进行了
简化,因此在测量的精度和稳度上都有待改进。而单从教学方面来说,我们本次设计的
数字频率计涵盖了《电子技术基础》这门课中的大部分的基本电路和基本元器件,比如
74LS123单稳态触发器,D触发器;施密特触发器(作为整形电路的一种可选电路);
74LS151八选一数据选择器,74LS138三八译码器;74LS90,74LS192和CD4511计数器;
CD4511七段数码管驱动芯片;三极管放大电路。当然此次的课程设计的主要目的不是掌
握这些芯片的功能,更主要地是培养学生的分析,设计,调试的基础技能,更能够独立
思考问题,解决问题并有所创新。此外,设计电路就离不开仿真,熟练地掌握如何使用
Multism软件,并具备仿真调试的能力也是这次课程的要求。
:.
附录
元器件个数元器件个数
CD45184片发光二极管3个
CD40691片4MHZ晶振1个
CD45114片三极管2个
74LS1231片电容,电阻若干
74LS742片
74LS1921片
74LS004片
74LS903片
74LS1381片
74LS1511片