畢業(yè)設計----數(shù)字頻率計的設計論文

1、<p><b>　　數(shù)字頻率計的設計</b></p><p>　　摘要:本論文是一種直接用十進制數(shù)字來顯示被測信號頻率的測量裝置。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波的頻率，而且還可以測量其它各種單位時間內變化的物理量的頻率。該頻率計是首先將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率。時鐘電路提供標準的時間脈沖信號。閘門電路由標準秒信號進行控制，當閘門信號為高電平時，閘門開通，被測

2、信號的脈沖通過閘門送入計數(shù)顯示電路進行顯示；當閘門信號為低電平時，閘門關斷，計數(shù)器沒有時鐘脈沖輸出，計數(shù)器停止計數(shù)。</p><p>　　關鍵詞:頻率 顯示 閘門 秒信號</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　隨著無線電技術的發(fā)展與普及，“頻率”已成為廣大群眾所熟悉的物理量。調節(jié)收音機上的頻率刻度盤可以使我們選聽到

3、自己所喜歡的電臺節(jié)目；調節(jié)電視機上的微調旋鈕可使電視機對準電視臺的廣播頻率，獲得圖像清晰的收看效果，這些已成為人們的生活常識。</p><p>　　人們在日常生活、工作中更離不開計時。學校何時上、下課？工廠幾時上、下班等這些都涉及到計時。頻率、時間的應用，在當代高科技中顯得尤為重要。例如，郵電通訊，大地測量，地震預報等等，都與頻率、時間密切相關，只是其精密度和準確度比人們日常生活中的要求高得多罷了。 本次

4、設計主要采用計數(shù)法制成一個測量范圍在0～9999Hz的頻率計。該頻率計閘門信號的采樣時間為1s，并采用4位數(shù)碼管顯示。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波的頻率，而且還可以測量其它各種單位時間內變化的物理量的頻率。</p><p>　　一、數(shù)字頻率計的組成</p><p>　　數(shù)字頻率計電路主要由串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、整形電路、10分頻電路、時鐘電路、閘門形成及控制電路、計數(shù)顯示電路等組成。<

5、;/p><p>　　電路組成框圖1-1如下:</p><p>　　待測信號 整形電路 10分頻電路 閘門形成及控制電路 </p><p>　　串聯(lián)型穩(wěn)壓電源 時鐘電路 計數(shù)顯示電路 </p>

6、<p><b>　　電路組成框圖1-1</b></p><p>　　二、設計所用集成電路簡介</p><p>　　1.集成電路NE555概述</p><p>　　NE555是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，它常應用于信號的產生與變化、電路的檢測與控制。芯片采用雙列直插式封裝，有八個管腳。NE555引腳圖2-1和功能如下<

7、;/p><p><b>　　圖2-1</b></p><p><b>　　引出端功能符號：</b></p><p>　　: 置位控置制端，也稱電平觸發(fā)端: 復位端，低電平有效</p><p>　　Q: 電路的輸出端CO: 電壓控制端TH: 復位控制端DIS: 放電端</p>

8、<p><b>　　Vcc: 電源端</b></p><p>　　GND: 接地腳2.集成電路CD4518概述</p><p>　　集成電路CD4518是一個雙BCD碼加法計數(shù)器。它有兩個時鐘輸入端CP和EN，若使用時鐘上升沿觸發(fā)，信號就從CP端輸入，同時EN端應接高電平1，若使用時鐘下降沿觸發(fā)，信號就從EN端輸入，此時的CP端應該為低電平0，而且復位端M

9、R也要保持低電平0，只有滿足了這些條件，電路才會處于計數(shù)狀態(tài)，否則計數(shù)器沒辦法工作。</p><p>　　CD4518引腳圖2—2和功能如下：</p><p><b>　　圖2—2</b></p><p><b>　　引出端功能符號：</b></p><p>　　CP： 時鐘輸入端

10、 </p><p>　　MR： 消除端 </p><p>　　EN： 計數(shù)允許控制端</p><p>　　1Q0-1Q3;2Q0-2Q3：計數(shù)輸出端 </p><p>　　GND：接地端 </p><p><

11、b>　　VCC：電源端</b></p><p>　　3.集成電路CD4060概述</p><p>　　集成電路CD4060 采用16腳DIP封裝，是由一個振蕩器和 14 級二進制串行計數(shù)器位組成。振蕩器的結構可為晶體振蕩電路或RC振蕩電路。它將晶體振蕩器的振蕩頻率32768HZ信號分頻為2HZ的時鐘信號，送到CD4017,作為它的時鐘輸入信號，用來產生1S寬的閘門信號。復

12、位端MR 為高電平時，計數(shù)器清0而且振蕩器工作停止。所有的計數(shù)器都為主-從觸發(fā)器，在的下降沿，計數(shù)器以二進制進行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對時鐘的上升和下降時間無限制。</p><p>　　CD4060的管腳圖2-3和功能如下:</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p><b>　　引出端功能符號：&l

13、t;/b></p><p><b>　　MR： 復位端</b></p><p>　　：時鐘輸入端 </p><p>　　COUT：時鐘輸出端</p><p><b>　?。悍聪驎r鐘輸出端</b></p><p>　　Q4-Q10,Q12-Q1

14、4：計數(shù)器輸出端</p><p>　　VCC： 正電源端 </p><p><b>　　GND： 接地端</b></p><p>　　4.集成電路CD4017概述</p><p>　　集成電路CD4017是十進制計數(shù)/時序譯碼器，又稱十進制計數(shù)脈沖分頻器，它結構簡單，造價低廉，性能穩(wěn)定，工藝成

15、熟，使用方便。</p><p>　　CD4017的基本功能是對CP端輸入脈沖的個數(shù)進行十進制計數(shù)，并按照輸入脈沖的個數(shù)順序將脈沖分配在 Y0～Y9 這10個輸出端。 整個輸出時序就是Y0～Y9依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平(一般為低電平),寬度等于時鐘周期。</p><p>　　CD4017共有三個輸入端CP、MR、EN 和10 個譯碼輸出端（Y0～Y9）。MR為復位清0端，當在MR端輸入高

16、電平或正脈沖時，計數(shù)器清0，所有輸出中只有對應“0”狀態(tài)時Y0端輸出高電平，其余輸出端(Y1～Y9)均為低電平；時鐘輸入端CP有一個施密特觸發(fā)器它具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升時間和下降時間無限制 ,用于上升沿計數(shù)；EN為計數(shù)有效端，用于下降沿計數(shù)，彼此間有互鎖關系，若利用CP計數(shù)時，EN端應接地（低電平），而要利用EN端計數(shù)時，CP端應接高電平，反之則形成互鎖；CO為進位端，CD4017每輸入10個脈沖，就可得到一個進位脈沖，所

17、以CO也可以作為下一級計數(shù)器的時鐘信號。</p><p>　　CD4017管腳圖2-4和功能如下：</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p><b>　　引出端功能符號：</b></p><p><b>　　CO: 進位端</b></p>

18、<p>　　CP : 時鐘輸入端 </p><p>　　Y0～Y9:譯碼輸出端 </p><p>　　MR : 復位清0端 </p><p>　　EN : 計數(shù)有效端</p><p>　　VCC: 正電源 </p><p><b>

19、;　　GND: 接地端</b></p><p>　　5.集成電路CD40110概述</p><p>　　集成電路CD40110是可逆計數(shù)譯碼顯示電路，它是集計數(shù)、譯碼、鎖存、驅動為一體的四合一電路，它既可以作加法計數(shù)，又可以作減法計數(shù)。由于電路內部有一個時鐘信號預處理邏輯，因此當一個時鐘輸入端計數(shù)工作時，另一個時鐘輸入端可以是任意狀態(tài)；MR為清零端，為高電平時計數(shù)器清零；QC

20、O為進位脈沖輸出端，作加法計數(shù)時，每當計數(shù)滿10后，輸出一個進位脈沖；QBO為借位脈沖輸出端，作減法計數(shù)時，每當計數(shù)滿10后輸出一個借位脈沖，他們一般為高電平；為觸發(fā)器控制端，＝0時計數(shù)器工作，＝1時計數(shù)器處于禁止狀態(tài)不計數(shù)；LE為鎖存控制端，當LE=0時正常顯示，當LE=1時顯示數(shù)被鎖定。</p><p>　　CD40110的引腳圖2-5和功能如下：</p><p><b>　

21、　圖2-5</b></p><p><b>　　引出端功能符號：</b></p><p>　　a～g: 數(shù)碼筆段輸出端</p><p>　　LE: 鎖存控制端</p><p>　　MR: 清零端</p><p>　　: 觸發(fā)器控制端</p><p&g

22、t;　　CPU: 加計數(shù)時鐘輸入端</p><p>　　CPD: 減計數(shù)時鐘輸入端</p><p>　　QCO: 進位脈沖輸出端</p><p>　　QBO: 借位脈沖輸出端</p><p>　　VCC: 正電源端</p><p><b>　　GND: 接地端</b></p>

23、;<p><b>　　三、單元電路分析</b></p><p><b>　　1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　它可以將220V的直流電轉換成穩(wěn)定的直流電，給整個電路提供了6V直流穩(wěn)壓電源。該電路由變壓器（起降壓作用）、整流、濾波、穩(wěn)壓幾個部分組成。</p><p>　　當輸入電壓上升，輸出電壓隨

24、著上升，取樣電路中的元件分得的電壓就上升，VT3的基極電壓也上升，集電極電壓就會下降，導致VT2的基極電壓下降，VT1的基極電壓也隨著下降，而VT1的集射極電壓升高，使輸出電壓又恢復到+6V。相反，當輸入電壓下降，輸出電壓隨著下降，R3、R4、RP1分得的電壓下降，VT3的基極電壓下降，集電極電壓就會上升，VT2的基極電壓隨著上升，VT1的基極電壓也上升，使輸出電壓又恢復到+6V。電路圖3-1如下：</p><p&g

25、t;　　串聯(lián)型穩(wěn)壓電源3-1</p><p><b>　　2.整形電路</b></p><p>　　整形電路是將待測信號如正弦波、三角波或其它呈周期性變化的波形，整形變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，其周期不變。</p><p>　　施密特觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一,它可以把變化緩慢的脈沖波形變換成為數(shù)字電路所需要的矩形脈沖。</p&g

26、t;<p>　　本設計由NE555構成的施密特觸發(fā)器如圖3-2a所示，將高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端T  連接在一起作為信號輸入端Ui。</p><p>　　設待測信號為三角波，輸入整形電路后輸出為脈沖波形，二者頻率相同，波形如圖3-2b所示。</p><p>　　當輸入信號Ui＜ 1/3Vcc時, Uo輸出為高電平；若Ui增加,使得1/3Vcc＜U

27、i＜2/3Vcc時,電路維持原態(tài)不變,輸出Uo仍為高電平；如果輸入信號增加到Ui≥2/3Vcc時，Uo從高電平翻轉成低電平；當輸入信號Ui＜ 2/3Vcc時，電路維持原態(tài)不變，輸出Uo仍為低電平； Ui繼續(xù)降低到 Ui＜ 1/ 3Vcc時，Uo又從低電平翻轉成高電平。輸出電壓Uo是一個矩形波。由圖3-2b可以看出，回差電壓=2/3Vcc-1/3Vcc=1/3Vcc。</p><p><b>　

28、　3-2a</b></p><p><b>　　圖3-2b</b></p><p><b>　　3.10分頻電路</b></p><p>　　分頻電路的作用是對輸入的脈沖信號進行分頻，取得不同量程所需要的時間基準信號，實現(xiàn)量程控制。CD4518為雙十分頻器，可對輸入信號進行10、100分頻，擴大測量范圍。測量范

29、圍可通過S1、S2、S3調整，S1閉合，電路未經分頻電路，測量范圍為0～99HZ；S2閉合，電路為10分頻，測量范圍為0～999HZ；S3閉合，電路為100分頻，測量范圍為0～9999HZ (S1～S3不能同時閉合)。</p><p><b>　　4.時鐘電路</b></p><p>　　實現(xiàn)頻率測量必備環(huán)節(jié)為時鐘電路，它用來產生控制計數(shù)器計數(shù)的標準時間信號即閘門信號

30、，閘門脈沖由晶體振蕩器產生高穩(wěn)定度的方波信號，再經分頻器分頻得到的，它的精度決定了頻率計的頻率測量精度。在此頻率計中，時鐘電路由晶體振蕩器和CD4060等元件組成。晶體振蕩器JT的振蕩頻率為32768HZ，頻率較低，有利于減少分頻器級數(shù)，是專為數(shù)字時鐘電路設計的。而CD4060在數(shù)字集成電路中可實現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，它還包含振蕩電路所需的非門，使用很方便。CD4060為14級二進制計數(shù)器，它可以將32768HZ的信號分頻為2HZ的信號，而

31、且它的兩個時鐘輸出端直接和內部的非門串接，可以直接實現(xiàn)振蕩和分頻的功能。VD5為發(fā)光二極管，時鐘電路正常工作時，發(fā)光二極管以2HZ的頻率閃爍。</p><p>　　5.閘門形成及控制電路</p><p>　　閘門電路的作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖。時鐘電路產生的2HZ時鐘信號送到CD4017（十進計數(shù)器），作為它的時鐘輸入信號 ，用來產生1S寬的閘門信號，并在每一個測量周期內產生一個計數(shù)器清

32、0信號。1S寬的閘門信號控制CD40110接受計數(shù)脈沖的周期，CD40110在1S內接受了多少個計數(shù)脈沖，直接譯碼顯示出計數(shù)脈沖數(shù)，而閘門控制時間為1S，所以，數(shù)碼管顯示的就是我們要求的被測信號的頻率。</p><p><b>　　6．計數(shù)顯示電路 </b></p><p>　　在閘門電路導通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿，在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當

33、計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字，電路里產生計數(shù)清0信號和鎖存控制信號。這些都由集計數(shù)、譯碼、鎖存、驅動為一體的四合一電路CD40110來完成。它不僅可作加法計數(shù)，還可以作減法計數(shù)，不僅如此，它還有計數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。所以，它將計數(shù)器輸出的二進制代碼翻譯成相應的十進制數(shù)并顯示出來。顯示部分的LED采用共陰極七段數(shù)碼顯示器。</p><p><b>　　四．整體電路分析&

34、lt;/b></p><p>　　數(shù)字頻率計實際上是一個脈沖計數(shù)器，即在單位時間里計數(shù)的脈沖個數(shù)，如圖4-1計數(shù)時序波形圖所示: ②為閘門脈沖，假設閘門時間為1s,計數(shù)數(shù)值為N個脈沖，則被測信號①的脈沖頻率為：f=NHZ</p><p><b>　?、?lt;/b></p><p><b>　?、?lt;/b></p>

35、;<p><b>　?、?lt;/b></p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　被測信號Ui首先經過整形電路，轉變成計數(shù)器所需要的脈沖信號如圖4-1中①，它的周期等于被測信號的周期，然后送給CD4518進行分頻來擴大量程

36、。S1閉合最大測量范圍為0～99，S2閉合最大測量范圍為0～999，S3閉合最大測量范圍為0～9999。時鐘電路提供準確的時間脈沖信號如圖4-1中②，它是由晶體振蕩器JT產生的32768HZ的信號，經過14級二進制計數(shù)器分頻得到的。它用來控制計數(shù)和保持狀態(tài)。當脈沖信號為高電平時，計數(shù)器為計數(shù)狀態(tài)，當它為低電平時，計數(shù)器保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)就被送到顯示器進行顯示，然后對計數(shù)器清0，準備下一次計數(shù)。脈沖信號為高電平持續(xù)1秒鐘，計數(shù)器統(tǒng)計的脈沖數(shù)N

37、如圖4-1中③就是被測信號的頻率，即f=NHZ。 脈沖信號為高電平持續(xù)的時間，我們稱為閘門時間，閘門時間可以大于或者小于1S。閘門時間越長，測得的頻率值越準確，但是每測一次頻率的間隔就越長，閘門時間越短測的頻率值就越快，但得到的頻率精度會受到影響。</p><p>　　電路原理圖4-2如下所示：</p><p><b>　　電路原理圖4-2</b></p>

38、<p><b>　　五.調試方法和要求</b></p><p><b>　　1.主要性能指標</b></p><p>　　(1)穩(wěn)壓電源輸出電壓為（6±0.2）V</p><p>　　(2) 施密特觸發(fā)器正常工作時，在CD4518的1腳可以測到方波輸入信號。</p><p>

39、　　(3)時鐘電路正常工作時，通過CD40110產生正確的控制信號。</p><p><b>　　2.調試方法</b></p><p>　　(1)接通電源,調節(jié)電位器RP1,使直流穩(wěn)壓電源輸出電壓(6±0.2)V</p><p>　　同時測各集成電路電源插腳的電源電壓是否正常。</p><p>　　(2)接通電

40、源，檢查整形電路是否正常工作，如果電路正常工作，則應該在NE555的3腳輸出接近方波信號。</p><p>　　(3)斷電后插上集成電路，再接通電源。如果時鐘電路正常，那么發(fā)光二極管VD5就會以2HZ的頻率閃爍，在VT6的集電極會產生1S的低電平閘門信號。</p><p>　　(4)合上撥碼開關S1～S3中的任意一個（不可以同時合上兩個或三個），計數(shù)器將以1S為周期重復測量并顯示被測信號的

41、頻率（開關在不同位置時，顯示結果就不同），顯示結果如下表。</p><p>　　頻率測量記錄 單位：HZ</p><p><b>　　六．元件清單</b></p><p>　　1.元器件明細表6-1如下：</p><p><b>　　續(xù)表</b></p>

42、<p><b>　　表6-1</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?）劉進峰 《電子制作實訓》 北京：中國勞動社會保障出版社，2006</p><p>　　（2）張偉林 《數(shù)字電子技術》 北京：中國勞動社會保障出版社，2006</p><p>