毕业设计（论文）-数字频率计的设计1.doc

甘肃联合大学学生毕业论文 题 目： 数字频率计的设计 作 者： 指导老师： 电子信息工程 学院 电信 系 电子信息工程技术 专业 09 级 三 年 年制 (1) 班 2012年 3 月 25 日目 录1 绪 论51.1 数字频率计的发展现状及研究概况51.2 本课题研究背景及主要研究意义51.3 本课题主要研究内容62数字频率计的设计72.1 主要技术要求：72.2 方案论证72.3 电路设计82.3.1 电路工作原理简述82.4 部分芯片功能介绍102.4.1 cd4026简介102.4.2 ne556简介102.4.3 cd4007简介112.4.4 mc4583b简介122.4.5 七段led显示器件132.5 单元电路结构设计142.5.1 电源电路设计142.5.2 时基信号产生电路的设计142.5.3 信号处理电路设计152.5.4 显示电路的设计172.5.5 脉冲整宽电路的设计173 电路调试193.1 单元电路调试193.2 系统连调194 结 论21致 谢22参考文献23附录（整机图）24主要内容简介：本课题主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、隔直，触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。放大整型电路：对被测信号进行预处理；闸门电路：由ne556构成一个秒信号，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成bcd码；显示：把bcd码译码在数码管显示出来。设计中采用了模块化设计方法，采用适当的放大和整形，提高了测量频率的范围。数字频率计的设计摘要: 众所周知，数字频率计在电子技术中已经扮演着一个重要的角色，因此数字频率计是一种最基本的测量仪器，它被广泛应用于航天、电子、测控等领域，许多测量方案和测量结果都与频率有着十分密切的关系，因此频率的测量在电子产品的研究与生产中显得尤为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。它的基本测量原理是，首先让被测信号与标准信号一起通过一个闸门，然后用计数器计数信号脉冲的个数，把标准时间内的计数的结果，用锁存器锁存起来，然后用显示译码器把锁存的结果送入显示器显示出来。关键词：数字频率计；信号；周期the design of digital frequencymeterabstract: as everyone knows, the digital frequency meter in electronic technology has been playing an important role, so the digital frequency meter is one of the most basic measuring instruments, it has been widely used in aerospace, electronics, measurement and control fields, many measurement and measurement results and frequency have a very close relationship, therefore the frequency the measurement of electronic products in the research and production is particularly important. measuring frequency of means, including electronic counter measure frequency with high precision, easy to use, rapid measurement, and measurement is easy to realize the advantages of process automation, is an important means of frequency measurement. electronic counter frequency measurement in two ways : one is the direct frequency measurement law, or within a certain time gates of measured signal pulse number; two is the indirect frequency measurement law, such as cycle frequency measurement method. direct frequency measurement law is applicable to the high frequency signal frequency measurement, indirect frequency measurement law is applicable to low-frequency signals in the frequency measurement. its basic measurement principle is, first lets measure the signal and the standard signal through a gate, then with the counter counts the number of pulse signals, the standard time in the count results, save together with the latch lock, and then use a decoder to latch the results into the monitor.keywords: digital frequency meter; periodic signal;1 绪 论1.1 数字频率计的发展现状及研究概况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。1.2 本课题研究背景及主要研究意义数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在cmos电路系列产品中，频率计是用量最大、品种很多的产品。本课题采用的是直接数字式的频率计，设计原理简单，是全硬件电路实现，电路稳定、精度高，大大的缩短了生产周期。1.3 本课题主要研究内容本课题采用数字电路来制作一个1hz1mhz的数字频率计，并将所需得到的频率通过数码管显示出来。 数字频率计主要由四部分组成：时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路1。原理框图如图1-1： 放大整形闸门通道计数/译码驱动led数码管时基信号输入信号 图1-1 原理框图放大整型电路：对被测信号进行预处理；闸门电路：由556构成一个秒信号，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数/译吗电路：计数/译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数；把十进制计数器计数结果译成bcd码；显示：把bcd码译码在数码管显示出来。2数字频率计的设计2.1 主要技术要求：（1）频率测量范围：1hz10khz，10khz100khz，100khz1mhz；（2）频率准确度：x/x210-3；（3）被测信号幅度：vxm（0.25）v；在误差允许范围内测量出信号的频率。2.2 方案论证（1） 方案一软硬件相结合的实现法，主要的部件有at89c51单片机芯片、74hc164驱动数码显示寄存器芯片、74ls48位选芯片，放大电路，计数电路，led数码管和一些电容、电阻等组成，原理框图如图2-1： 图2-1 原理框图该方案可以测量多个通带的信号，通过同步门和功能切换部分电路对电路进行分时复用。用两个计数器实现时间计数和事件计数分开。在有必要的显示其他通道的测量结果的时候另一个通道的数据会被存在单片机里。并可以通过键盘进行相应的设置。（2） 方案二纯硬件实现法，主要的部件有双稳态触发器mc4583b 、计数/译码芯片cd4026 ，双级型双时基器ne556、双互补对称反相器cd4007 、集成稳压器7805、六位数码管和一些电容、电阻等组成，原理框图如图2-2：放大整形闸门通道计数/译码驱动led数码管时基信号 输入信号fs 图2-2 原理框图该方案如图2-2，通过对输入信号隔直、放大、整形处理后输出适合计数器输入信号的要求，即满足ttl电平输入要求。通闸门信号产生电路输出信号来控制计数器的开始、停止、清零。最后通过六位共阴极数码管对计数器所计得的脉冲个数显示出来。（3）方案比较：总之，方案一功能可以做到比较强大，软特性较好。原理简单，但是具体电路在实现时比较繁琐，而且实现的高精度测量则对软件的编写要求比较高。还有就是要用单片机来实现对1mhz的测量很难。因为通常情况下单片机的时钟频率为12mhz以下，则机器周期至少为1us，如果对1mhz（t=1us）的信号进行测量，必须在输入单片机之前要加分频电路。这样增加了电路的复杂性，同时还降性价比。而方案二最大的特点就是全硬件电路实现，则电路稳定、精度高、没有烦琐的软件调试过程，大大的缩短了生产周期。本设计要求的频率准确度是x/x210-3，2用纯硬件能够很好的满足设计的要求。所以本设计采用第二种方案。2.3 电路设计2.3.1 电路工作原理简述该数字频率计的电路图如图2-3-1，上电时，由于根据设计要求，输入信号的幅度是0.2v5v，而计数器的输入信号的条件是ttl电平，所以在输入计数器之前必须对输入信号进行幅度调整，待测信号fs经过隔直电容c1后进入下一级放大电路，在经过放大三极管q1后使输入信号达到cmos电路可以检测出高电平的幅度。设计中q1工进行幅度调整，待测信号fs经过隔直电容c1后进入下一级放大电路，在经过放大三极管q1后使输入信号达到cmos电路可以检测出高电平的幅度。设计中q1工作在饱和状态，相当于一个开关，只要信号的高电平输入则q1导通，集电极极被钳位为低电平（约0.3v），当输入为0v时，q1截止，集电极被拉为vcc电压（约4.8v）。下一极为冲息电路，由mc4583b构成，冲息电路的作用是为了提高精度，特别是输入信号的频率比较低的时候精度可以大大的得到提高，如果没有经过冲息电路将出现如图2-3-2中图1的情况，既闸门信号同时跨在两个高电平信号之间时，将造成计数多一的情况，如果加了冲息电路后，使得待测信号的高电平的脉宽被整窄了，这样出现闸门信号同时跨在两个高电平信号之间的机率大大减少，从而精度得到提高。时基信号产生电路被测信号fs由整形电路进入，整形后形成方波，送入闸门，待测脉冲送到闸门后再送入计数器，连接到七段数码管上进行显示3。 如图 2-3-1 数字频率计的整机图图2-3-2脉宽整窄图2.4 部分芯片功能介绍2.4.1 cd4026简介cd4026 是计数/译码驱动芯片，由cmos构成，内部有一个十进制计数器和七段译码器组成，其引脚说明如表一：表一：cd4026引脚说明引脚名称1时钟10, 12, 13, 9,11, 6, 7七段译码显示输出2闸门信号15复位端3显示控制端5溢出端4显示输出控制端8地16电源主要特性：一般工作条件： 电源电压范围vdd：3v20v输入电压范围：0vvdd工作温度：-55c125c极限值：电源电压vdd：-0.5v22v输入电压：-0.5v vdd+0.5v输入电流：10ma 2.4.2 ne556简介ne556是双级型双时基器，它并不是一种通用型的集成芯片，在它内部集成了两片ne555，它可以组成上百种实用的电路，可谓变化无穷，故深受人们的欢迎。ne 556时基电路具有以下几个特点：556时基电路，是一种将模拟电路和数字电路巧妙结合在一起的电路；556时基电路可以采用4.515v的单独电源，也可以和其它的运算放大器和ttl电路共用电源；一个单独的556时基电路，可以提供近15分钟的较准确的定时时间；556时基电路具有一定的输出功率，最大输出电流达200ma，可直接驱动继电器、小电动机、指示灯及喇叭等负载。因此，556时基电路可用作：脉冲发生器、方波发生器、单稳态多谐振荡器、双稳态多谐振荡器、自由振荡器、内振荡器、定时电路、延时电路、脉冲调制电路、仪器仪表的各种控制电路及民用电子产品、电子琴、电子玩具等。在该课题中ne556主要是用于产生一个秒闸值信号。提供给cd4026计数器启动信号。它是一个双级型双时基电路，由一个高精度的振荡器产生时间信号，时间信号由外围的电阻和电容控制。主要特性：电源电压vcc：4.5v16v电流icc：当vcc=5v时 icc=10ma， 当vcc=15v时icc=24 ma其引脚图如图2-4： 图2-4 ne556引脚图2.4.3 cd4007简介cd4007是双互补对称反相器，由3个n沟道和3个p沟道增强型mos晶体管构成，通过改变晶体管各单元的连接，可广泛用作反相器，波形整形电路，与非（或非）门，线性放大器，时钟门，传输门和高扇出缓冲器等电路。cmos倒相器如下图所示，pmos作负载管，开启电压为vth。nmos作输入管，开启电压为vth。两个栅极g并联作输入端，两个漏极d串连作输出端。两个衬底都和源极s接在一起，pmos管源极接电源vdd，nmos管源极接地。电源电压大于两管开启电压绝对值之和，vdd|vthp|+vthn，输入是0,输出是1,实现倒相关系，pmos管，启为负，0导1截止。nmos管，启为正，0止1导通。它有以下几个特点：a、低功耗b、抗干扰能力较强c、电源利用率高d、输入阻抗高，带负载能力强。其引脚图如图2-4-2：主要特性：一般工作条件：电源电压范围vdd：3v15v输入电压范围：2v vdd极限值：电源电压：-0.5v18v 图2-5 cd4007引脚图输入电压：-0.5v vdd+0.5v； 输入电流：10ma 。 表二：cd4007引脚说明a互补对栅极g互补对p管源极b互补对p管漏极h互补对n管源极c互补对n管漏极i反相器输入端d互补对栅极j反相器p管源极e互补对p管漏极k反相器n管源极f互补对n管漏极y反相器输出端2.4.4 mc4583b简介mc4583b是双施密特触发器，施密特触发器，与其说是“触发器”，不如说是具有滞后特性的数字传输门。其特点有二4：（1） 输入电平的阈值电压由低到高为vth+，由高到低为vth- ，且vth+vth- ，输出的变化滞后于输入，形成回环。我们将 称vth+为正向阈值电压， 称vth-为负向阈值电压，二者的差值称为回差。（2）与前面所举的双稳态触发器和单稳态触发器不同，施密特触发器属于“电平触发”型电路，不依赖于边沿陡峭的脉冲。图2-6是施密特发器的电压传输特性，图a是反相传输特性，图b是同相传输特性。设输入信号为三角波之特性对应的输出波形。 图2-6 施密特触发器的回环特性mc4583b是一个由n沟道和3个p沟道增强型mos晶体管构成。主要特性：一般工作条件：电源电压范围vdd：3v18v；在所有的输入脚都有二极管保护；能够驱动两个底功率ttl负载在给定的温度范围内；极限值： 电源电压：-0.5v18v 输入电压：-0.5v vdd+0.5v 输入电流：?10ma 功耗：500 mw 表三：cd4583真值表：z表示高阻抗输出inputoutputabaoutbout0000z0z0001010100100z1z1011011011001z0z1101100111101z1z011110100 图2-7 mc4583b引脚图2.4.5 七段led显示器件通过发光二极管芯片的适当连接构成8字形，在使用时使某些笔段上发光二极管发光即可显示09数字。led七段码显示器，又称led数码管，它有共阴和共阳两种连接方式如图2-6所示：共阴：以阴极为公共极，接低电平，当阳极笔上加上高电平时该笔段发光；共阳：以阳极为公共极，接高电平，当阴极笔上加上底电平时该笔段发光；共阴led数码管的驱动电路应是高电平输出，共阳led数码管的驱动电路应是底电平输出。数码管使用共阳连接，要显示的位送入高电平，其要求显示的段为低电平，即可实现显示。 图2-8 共阴和共阳两种连接方式2.5 单元电路结构设计2.5.1 电源电路设计集成稳压器具有体积小、性能稳定、价格便宜等优点，特别是集成三端稳压器，只有输入端、输出端和公共端三个引脚，因此使用方便，目前已基本上取代了分立元件的稳压电路。三端稳压器的选择依据是输出电压、负载电流、电压调整率、输出电阻等性能指标。国产三端固定输出集成稳压器的通用产品有cw7800系列（正电源）和cw7900系列（负电源）。根据上面讲述集成三端稳压器的优点，本课题电源部分设计采用三端固定输出集成稳压电源，对于78系列的集成稳压器，为了使它正常工作，输入电压比输出电压至少要大2.5v到3v，由于4026采用9v供电形式，为简化电路固采用7805稳压5v，给后续电路提供电源。输入端电容c3用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰，一般取47uf。输出端电容c4、c5用以改善负载的瞬态响应，消除电路高频噪声，同时也具有消振作用，一般取c4为100nf、c5为2.2uf,如果在7805的输入输出端加入二极管v，用来防止在输入端短路时输出电容c5所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。电路图如图2-8： 图2-8 电源电路设计2.5.2 时基信号产生电路的设计如图2-9 本单元电路由双定时器ne556及外围定时电阻电路构成。ne556它是一个双级型双时基电路，由一个高精度的振荡器产生时间信号，时间信号由外围的电阻和电容控制。通过定时器产生一个时基信号来控制闸门的开启和关闭。将单位时间的脉冲截取出来。供cd4026计数器进行计数，实现周期到频率的转换。定时时间的计算公式为： 其中r4r3+tr要获得t=2s的信号，取c2=1uf ，则r4=500k为了调试校准需要串入可调变阻器tr，通过它来调节定时时间，所以取r3=470k，tr=50k。 图2-9 时基信号产生电路2.5.3 信号处理电路设计在该设计中，输入信号的幅度为0.2v5v，幅度小于3.6v的信号让coms电路无法识别出高低电平，所以要对其进行相应的信号处理。本电路利用三极管的开关特性来实现。晶体管交替工作于截止区与饱和区，作为开关元件使用。传输特性是指电路的输出电压与输入电压的函数关系，传输特性曲线大体上分为三个区域：截止区、放大区和饱和区7。由三极管的输入特性可知，当三极管输入信号i为低电平时ubeuon三极管工作在截止状态；而三极管输入信号i为高电平时ubeuon三极管工作在深度饱和状态；则三极管的ce间就相当于一个受i控制的开关。三极管截止是相当于开关断开，在开关电路的输出端给出高电平；三极管饱和导通时相当于开关接通，在开关电路的输出端给出低电平。当输入电压i=0时，有vbe=0，ib=0，三极管截止，输出高电平o=v。如图2-10是三极管开关电路，当输入电压i继续升高，使rc上的压降接近电源电压vcc时，三极管的压降接近为零，三极管深度饱和状态，开关电路处于导通状态，输出为低电平o=ol=0。 图2-10 三极管开关电路 由于被测信号的可能存在直流成份和电压幅度大小不一的情况。所以对信号进行测量计数前应该进行相应的处理。信号从输入通道进入电容c1，c1=1uf信号中的直流部分都不能通过，起到隔直作用。这样只有交变信号可以进入电路进行后续处理。而q1用到三极管的开关特性。当有信号进入时q1导通，集电极电压被拉到地。当q1不导通的时候集电极电压大概5v左右。在本课题中，由mc4583b构成的冲息电路，作用是为了提高精度，特别是输入信号的频率比较低的时候精度可以大大的得到 图2-11 信号处理电路提高，如果没有经过冲息电路将出现如图2-12中图1的情况，既闸门信号同时跨在两个高电平信号之间时，将造成计数多一的情况，如果加了冲息电路后，如图2-12中图2使得待测信号的高电平的脉宽被整窄了，这样出现闸门信号同时跨在两个高电平信号之间的机率大大减少，从而精度得到提高。 图2-12 脉宽整窄图 2.5.4 显示电路的设计被放大整形后信号进入cd4026，由cmos管构成的十进制计时器对进来的脉冲信号进行计数，当计满十个脉冲后，溢出信号让5脚输出一个脉冲进行进位处理。在计数器计满之后，显示控制端会获得一个控制信号，使各显示器从缓存区获得前一秒的计数值，并通过译码器进行译码显示，如图2-13： 图2-13 显示电路2.5.5 脉冲整宽电路的设计为了把计数器内数值清掉，就需要有一个清零信号，而且必须从原有的秒信号中取出一个窄脉宽信号用做计数器清零信号，这时必须在556的9脚输出的秒信号加入脉冲整宽电路，如图2-15。其工作原理如图2-14：当输入u1=vdd时，ua=vdd，电容c10上的电压为0v，输出uo为低电平uol。这时电路处于稳定状态。当输入u1由vdd负跃到低电平0时，由于在跃变瞬间电容两端的电压不能突变，ua产生同样的负跃变，使uaut-，输出uo由低电平uol正跃到vdd，随即vdd 经r对c充电，电路进入暂稳态。随着c的充电，ua也随之升高。当ua上升到大于ut+时，电路状态又发生翻转，输出uo由高电平vdd负跃到低电平uol。电路返回到初始的稳定状态。 图2-14 脉冲整宽原理图2-15 脉冲整宽电路上述主要介绍了数字频率计的工作原理，部分芯片的介绍和单元电路的设计，其中由556及外围电路构成的具有固定宽度t=1s的方波脉冲做门控信号（556的第5脚输出），556的第9脚输出的是显示控制信号，4007及外围电路构成的由4007的第12脚输出的脉冲波为闸门信号（计数控制开始信号），4007的第1、5脚输出的脉冲波为清零信号。当门控信号到来后，闸门开启，频率为fs的信号脉冲和周期为t的门控制信号结束时过闸门，于4007第12脚产生脉冲信号到计数器，计数器开始工作，直到门控信号结束，闸门关闭。计数器停止计数并被cd4007第1、5脚输出的清零信号暂态清零9。 (简单地说就是:在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启,计数器开始计数，在同一脉冲的下降沿到来时，闸门关闭，计数器停止计数。同时，由556的第9脚输出的是显示控制信号控制数值输送到七段显示器进行显示，这样就可以得到被测信号的数字显示的频率。而在cd4007第1、5脚输出一个清零信号将计数器清零，为下一次测量做准备,实现了可重复使用,避免两次测量结果相加使结果产生错误。 3 电路调试设计进行到电路调试阶段，对制作好的pcb板，按照装配图进行器件装配，装配好之后按照设计参数分别对各部分电路进行调试。打开电源之前，先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况，并取下pcb板上的集成块，然后接通电源，用万用表检查板上的各点的电源电压值，完好之后再关掉电源，插上集成块。3.1 单元电路调试上电后，用双踪示波器观察三极管的集电极波形，若无信号输入，则为高电平;若有信号输入，则为脉冲信号。改变示波器的扫描速率旋钮，用双踪示波器观察时基电路中ne556的第5脚输出波形，如图3-1波形图所示的波形1（秒脉冲信号），其中t1=t2=1s ，否则重新调节时基电路中tr的值，使其满足要求。然后改变示波器的扫描速率旋钮，观察脉冲整宽电路中cd4007的第12脚、第1、5脚的波形和ne556的第9脚输出波形，有如图3-1波形图所示的波形2（开始计数脉冲），波形3（显示控制脉冲），波形4（清零脉冲）。若不正确，应检查电路是否接错、虚接。改正后再观察如图3-1 波形图将六片计数/译码芯片cd4026的第8脚全部接低电平，第16脚全部接高电平，在第1脚接时钟脉冲信号，检查六位显示器的工作是否正常10。3.2 系统连调在信号输入端加入的正弦信号，用示波器观察放大、整形电路的输出波形（应为与被测信号同频率的脉冲波），读出显示器上的读数。从表四中可以看出在电压小于0.4v时，由于放大电路无法正常工作，频率测量部出来。测量的频率基本上都在误差范围内，即在0.2%2%内。表四：频率测量表四：频率测量序号电压（v）实际频率值（hz）测量频率值（hz）10.1100020.2100030.3500040.450049250.510009896220001987723000307582400040119210000100291021500014973112180001803612250000050002313580000079998914595000095007915510000009998694 结 论为了更好的验证电子技术专业毕业生在校学习对知识的掌握情况，以及学校对即将进入社会工作的毕业生做一个综合测评，本学期末我们积极配合学校做了此次毕业设计。数字频率计是一种基本的测量仪器，在现代生活中越来越常见，使用越来越多，它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。本设计是采用集成芯片对它进行设计，主要的部件有双稳态触发器mc4583b、计数/译