(论文)数字频率计的设计设计(2013年优秀毕业设计论文)

成都理工大学工程技术学院数字频率计的设计作者姓名：XXX专业：电子信息科学与技术指导教师： 数字频率计的设计摘要频率计在电子技术中应用是很广泛的，它可以用来测量正弦波信号、方波信号等各种信号的频率，所以频率计的关键是单位时间内测量出输入脉冲信号的个数。如果用一个固定的时间T控制闸门电路，在T时间被闸门打开，被测信号通过进入计数译码显示，即可得到并显示出被测信号的频率Fx，那么Fx=N/T，式中T是闸门开门的时间（s），N是所计脉冲个数，Fx是频率（Hz）。当开门时间T=1s，Fx=N，即计数器所计的脉冲个数就是输入信号的频率。本设计原理主要是采用施密特触发器与电阻电容组成的多谐振荡器，其振荡频率为100Hz。由两级BCD同步计数器分频后，得到秒脉冲信号，再经稳态、取样、封锁、计数、译码、锁存、驱动把被测信号频率变成十进制数字显示出来。实现了频率的测试。关键词： 数字频率计 脉冲信号 施密特触发器 同步计数器AbstractThe digital frequency meter can be widely used in the test of frequency of sine wave、triangular wave and square wave signal. The key is the number of pulse signal in unit time obtained, if set up the control time T of the pulse signal, the gate is opened within T. Then the display pulse signal of the counter are the frequency of the signal which measured. So the frequency is defined as f=N/T, where T is the control time of gate, N is the number of signal pulse passed gate within T, f is the frequency. If T=1s, then f=N. So the pulse number that counter counts is the frequency of the input signal.The system is multivibrator consist of RC and Schmitt trigger, the oscillator frequency is 100Hz, after divided frequency by two serial synchronous counter, the second pulse is obtained , finally by way of exampling、samping、counting、deciphering、driving, the test frequency is realized.Key words: digital frequency meter pulse signal Schmitt trigger synchronous counter目录摘要IAbstractII前言11设计原理52 单元电路设计62.1 秒脉冲信号发生器电路的设计62.1.1 用施密特触发器构成的多谐振荡器再经分频秒脉冲电路的设计6（1） 用门电路组成的施密特触发器7（2） 集成施密特触发器92.1.2 分频器电路的设计122.1.3 用NE555时基电路组成秒脉冲发生器的设计142.2 测量控制门电路的设计192.3 输出电路的设计213 电路原理总图27结论29致谢30参考文献31III前言频率计不光在电子技术中应用广泛，并且在物理和实际生产中也得到了广泛的应用，如可以用来测量机械振荡中的频率、声音的频率、动体转动的速度等等。又如单位时间里的流量、位移量、产品数量等非电物理量都可以先转换成电信号，再用频率计来测量。随着频率计运用的不断发展，已普及到我们生活的各个领域，这是论文选题的主要目的。本论文所关心的是数字型频率计，所谓数字频率计就是指被测的频率信号在终端是用十进制的数字显示出来的。此次毕业论文的设计第一阶段主要工作是，学习有关数字频率计的基础知识，了解相关频率计的技术指标，在此基础上再研究课题的实质性内容。第二阶段是在指导老师的指导下，对小型数字频率计进行系统的分析和研究，并对各个功能进行划分，最后完成对整个电路的设计并细分到各单元电路。通过教师的悉心指导和自己的不断努力，最终完成了毕业设计的各项任务，成功设计一小型数字频率计，基本完成其各项功能。论文的正文部分主要包括3个要点，如下: 简述设计原理、设计框图和设计要求； 阐述各单元电路的设计原理及其功能； 概述整个电路的设计原理和设计总图；最后再由结论、致谢、参考文献和附件构成该论文。由于我对数字频率计的认识水平有限，虽然已根据学院老师和同学多方面的意见进行了有针对性的修改，但本论文必然还存在不少的错误和不足之处，殷切期望各方面的读者在阅读的同时能给予我一定的批评和指正。1设计原理本电路设计原理主要是采用施密特触发器与电阻R和电容C组成的多谐振荡器，其振荡频率为100Hz，再经两级BCD同步计数四分频后，得到秒脉冲信号。然后经测量控制门、控制闸门将倍的信号送到CD40110十进制加减法计数器计数、译码、锁存、驱动，由数码显示管将被测信号显示，即把被测信号在输出端变成十进制数字显示出来。其设计原理框图如图1.1所示：被测信号测量闸门LED计数显示测量控制门分频器振荡器计数、译码锁存、驱动计数、译码锁存、驱动显 示显 示 图1.1 数字式频率计的工作原理框图2 单元电路设计2.1 秒脉冲信号发生器电路的设计 由于频率计是测量在单位时间内输入脉冲信号的个数，如果在一固定的时间T内被测信号的脉冲个数为N，那么被测频率：式中：为被测频率；N为被测脉冲的个数；T为时间。若使T=1s，此时 。由上述可知，要使测量数值显示准确，就必须使单位时间准确，即秒脉冲准确。能够实现秒脉冲的电路很多，可以用施密特触发器和电阻电容组成振荡电路再经分频得到，也可以由NE555构成多谐振荡器输出脉冲，又可以用晶振经分频得到。2.1.1 用施密特触发器构成的多谐振荡器再经分频秒脉冲电路的设计 施密特触发器是脉冲变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要的特点： 第一、输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二、在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形边沿变化很快。 利用这两个特点，不仅能将边沿电话缓慢的信号整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高低电平上的噪音有效清除。（1） 用门电路组成的施密特触发器 将两级反相器串联起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端就构成了图2.1所示的施密特触发器。 假定反相器和是CMOS电路，它们的阈值电压为,且，当时，因和接成了正反馈电路，所以，这的输入电压。当从0逐渐升高并达到时，由于进入了电压传输特性的转折区（放大区），所以的增加将引起如下的正反馈过程： 于是电路的状态迅速地转换为。由此便可以求出上升过程中电路状态发生转换时对应的输入电平，因为这时有： 所以 式中 称为正向阈值电压。 当从高电平逐渐下降并达到时，的下降会引发又一个正反馈过程： 使电路的状态迅速转换为 ，由此又可以求出下降过程中电路状态发生转换时一样的输入电平，由于这时 有： 所以 将代入上式后得到 称为负向阈值电压。 我们将与之间之差定义为回差电压，即 图2.2为施密特电压传输特性图。图2.1 用CMOS反相器构成的施密特触发器图2.2 施密特触发器电压传输特性图（2） 集成施密特触发器由于施密特触发器应用非常广泛，所以无论是在TTL电路还是在CMOS电路中，都有单片集成施密特触发产品。用施密特触发器构成多谐振荡器再经分频买脉冲发生器电路工作原理图如图2.3所示：图2.3 用施密特触发器构成多谐振荡器再经分频秒脉冲发生器工作原理 由图2.3可知，由施密特触发器和电阻电容构成的多谐振荡器的工作原理是：当接通电源以后，因为电容上的初始电压等于0，所以施密特触发器输出高电平，并开始经电阻相电容充电，电容上的电压逐渐上升，当上升到输入电压时，输出跳变为低电平，电容又经电阻开始放电，电容的电压逐渐下降，当下降到时，输出电平又跳变为高电平，电容又重新开始充电。如此周而复始，电路不停的振荡，就构成了多谐振荡器。 其充电时间 其放电时间 故输出的振荡周期： 本设计电路中使用的是CMOS施密特触发器，而且,得到振荡周期公式： 通过调节电阻和电容的大小，即可改变振荡周期。当选定了施密特触发器振荡周期就完全取决于电阻和电容的取值，即是说输出的频率可以人为的控制，其电路图如图2.4所示，波形图如图2.5所示。图2.5 施密特触发器与电阻电容组成多谐振荡器的工作原理图图2.5 施密特触发器与电阻电容组成多谐振荡器的波形图 图2.5所示施密特触发器采用一块CMOS六施密特触发器来实现的，型号为CD40106，其内部和引脚如图2.6所示。图2.6 CD40106的内部结构和2.1.2 分频器电路的设计 分频器就是将较高的频率信号降低为比较合适的频率信号，是信号频率应用较多的一种电路，实现分频的电路很多，如用n位二进制计数器进行分频，就可得到频率的信号。分频器有同步的，也有异步的，这里我们采用CMOS“BCD同步加法计数器”C150来实现分频的功能。 同步计数器既可用T触发器构成，也可用触发器构。如果用T触发器构成，则每次CP信号（也就是计数脉冲）到达时应使该反转的那些触发器输入控制端，不该反转的。如果用触发器构，则每次计数脉冲达到时只能加到该反转的那些触发器的CP输入端上，而不能加给那些不该反转的触发器。 由此可见，当计数器用T触发器构成时，第i位触发器输入端的逻辑式应为（i=1，2，n-1），按式接成4位二进制同步加法计数器。各个触发器的驱动方程为,将上式代入T触发器的特性方程得到电路的状态方程，电路的输出方程为。 我们可以将施密特振荡器的输出频率控制在10的数倍上，根据倍数决定选用几块C150，经过分频后，即可得到输出为秒脉冲的信号。 表2.1是C150管脚的功能。被测信号从时钟端CL输入时，允许端EN必须接逻辑“1”电平，用输入信号的上升沿使计数器计数，如信号从EN端输入，则CL端必须接逻辑“0”电平，用下降沿计数器计数。表2.1 C150管脚功能CLENR功能上升沿10加法计数0下降沿0加法计数上升沿 00不变1下降沿0不变下降沿任意0不变任意上升沿0不变任意任意1复位如图2.7所示的C150引脚中，Q5（脚15）为同步BCD的最高输出端，故在C150作十分频计数器时，须将前级的Q5端作为后级的信号输入端，线路接法与波形输出见图2.8(a)(b)所示。可见在经两级C150集成电路分频后，频率由100Hz降为1Hz输出图2.7 C150引脚图(a)(b)图2.8 线路接法与波形输出2.1.3 用NE555时基电路组成秒脉冲发生器的设计 在秒脉冲准确度要求不太严格的情况下，可以用NE555时基电路组成的多谐振荡器产生秒脉冲，可以用于教学演示等，线路的工作原理如图2.9所示：图2.9 用NE555组成的秒脉冲发生器工作原理图 图2.9的工作原理如下：刚通电时，由于电容已同时突变，所以NE555的脚输入低电平，此时脚输出高电平，随着时间的推移，电容上的电压逐渐升高，在时，不变。当上升到时，电路工作状态发生翻转，从高电平1变为低电平0，同时内部放电使TN导通放电，下降，在下降到范围内，保持0电平不变，下降到略小于 时，又从0变为1，电容再次充电，如此不断反复形成矩形波输出，电路的波形图如图2.10所示，NE555的引脚图如图2.11所示，其内部结构如图2.12所示。 图2.9中，电容上的电压将在与之间往复振荡， 的充电时间 放电时间 故电路的振荡周期为：振荡频率为 通过改变电阻和电容的参数即可以改变振荡频率，用NE555组成多谐振荡器最高频率可达到300KHz。如图2.9中，电路输出脉冲的占空比始终大于50%，为了得到小于或等于50%的占空比，可以采用图2.13所示的改进电路，由于接入了二极管和，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流流经，放电电流流经，因此电容的充电时间变为： 而放电时间为：故得输出脉冲的占空比：若取，则线路的振荡周期也相应的变成：图2.10 多谐振荡器的波形图图2.11 NE555时基电路的引脚图图2.12 NE555时基电路的内部结构图 除了上述两种设计方法外，也可以用晶振和分频器组成的秒脉冲发生器电路：电路的框图如图2.13所示，由晶振产生1MHz的振荡脉冲信号，经非门电路整形，而后经过六级十分频电路分频，产生标准的秒脉冲信号，这种电路适于要求准确度较高的仪器中使用。1Hz六级十分频器整形电路1MHz石英晶体振荡器 图2.13 晶体振荡器与分频器2.2 测量控制门电路的设计 测量控制门电路的作用是保证频率计的工作状态是计数1s，示2s，清零1s。线路由十进制计数、分配器CD4017等组成。CD4017的引脚图如图2.14所示，线路工作原理图如图2.15所示。图2.14 CD1017的引脚图图2.15中，在复位时，只有Q0为高电平，其余输出均为低电平，输出端为Q0Q9，12脚为进位输出端，13脚为后沿计数脉冲输入端，14脚为前沿计数脉冲输入端，8脚接电源负极，16交接电源正极，15脚为清“0”端。图2.15 测量控制门电路工作原理图 线路的工作原理：由CP端输入的秒脉冲信号，当输入第1个秒脉冲时，CD4017的输出端Q1输出高电平，其余输出端均为低电平。这一高电平加到控制闸门F1(CD4081)的脚，将控制闸门打开，由控制闸门F1的脚输入被测信号。当第2个秒脉冲输入后，CD4017的输出端Q1变为低电平，Q2变为高电平，Q1的低电平通过F1的脚将控制闸门关闭，被测信号停在输入。 在第1至第2个秒脉冲期间，输入到计数器的被测脉冲数，就是被测信号的频率。 在第3个秒脉冲输入前Q2保持高电平的1秒钟，为数值显示保持时间。 在第3个秒脉冲输入后，输出端Q3变为高电平，由于Q3（7脚）与复位端CR（15脚）相连，使由CD4017组成的控制门复位为0，为下一次测量做准备。 通过上述的设计，实现了设计的要求，即计数1s，保持1s，清零1s。 如果要使保持显示时间为2s，即将Q4(10脚)与CR端相连，即可实现计数1s，保持2s，清零1s。2.3 输出电路的设计 输出电路包括控制闸门、计数电路、译码电路、锁存电路、驱动电路及数字显示电路。 输出电路的主要作用是将记录的频率的大小显示出来，本电路设计采用十进制的计数器和数码显示管的组合应用。 十进制的计数器采用CD40110集成电路，它是及符合设计要求的计数、译码、锁存、驱动为一体的计数器，数码显示管采用ULS5010SA型的，线路的工作原理如图2.16所示，CD40110集成电路的引脚图如图2.17所示，功能表如表2.2所示，数码显示管的引脚图如图2.18所示。图2.16 输出电路的工作原理图 由图2.16可知，被测信号在与门被打开后，进入计数器，经计数、译码、锁存、驱动。由于与门高电平持续1秒钟，所以显示出来的频率就是被测的频率。图2.16是数字个位的显示电路图，当个位显示计数到10时，由CD40110的进位端输出，传输到十位计数器的计数输入端再进行计数，以后的百位、千位显示的工作原理以此类推。图2.18 CD40110集成块的引脚图 图2.18中，1、2、3、12、13、14、15脚为字段的驱动端4脚为除发端 5脚为复位端，高电平清07脚为减法计数器输入端 8脚为电压负极9脚为加法计数器输入端 10为进位输出端11脚为借位输出端 16为电压正极表2.1 CD40110真值表CPuCPdLE/TER计数显示 # 0 0 0加1随计数器 # 0 0 0 减1随计数器 $ $ 0 不变 保持 1 复位随计数器 1 0 禁止 不变 # 1 0 0 加1 不变 # 1 0 0 减1 不变图2.19 数码管ULS5010AS的引脚图及字形结构 图2.19所示的是半导体数码显示管，它将十进制数码分成七个字段，没段为一个发光二极管，其字形如图2.19所示。选择不同的字段发光，可显示不同的字形。例如，当a、b、c、d、e、f、g七个字段全亮时，显示出8；b、c段亮时，显示出1。半导体数码显示管中七个发光二极管有共阴极和共阳极两种接法，如图2.20(a)(b)所示：(a)中某一字段接高电平发光；(b)中某一字段接低电平发光。使用时，每个管脚都要串联限流电阻。(a) 共阴极(b) 共阳极图2.20 半导体数码显示管的两种接法线路中控制闸门采用CD4081集成电路（四二输入与门），其引脚图如图2.21所示，内部结构示意图如图2.22所示。图2.21 CD4081的引脚图图2.22 CD4081的内部结构示意图除了前面设计的输出电路外，也可以采用几块CMOS“计数、寄存、译码、显示、驱动”的四合一电路来实现，型号有C160、C161、C190。由于前面我们所选的集成块原电压为812V，故这里选电压范围变化相同的C160或C161，如图2.23.图2.23 C160、C161管脚功能图图中C160与C161的管脚功能相似。 CP、EN与R三者的功能关系仍为表2.1所示。JW与是两种形式的进位脉冲，JW是同步进位脉冲，与输入计数脉冲等宽；是展宽进位脉冲。对C160来说，引脚4上有小圆点，表示此电路用进位；无小圆点的则是用JW进位方式。C161展宽进位脉冲C4是在10脚上。ag为七段译码输出，是直接驱动荧光数码管。K为寄存命令端。K=“1”时，计数器向译码器送数，显示数字和计数器的状态相同；K=“0”时，计数器被封锁，数据存在寄存器中。P0为液晶洗煤控制端。当P0=“1”时，液晶熄灭；当P0=“0”时，液晶正常显示。BP为液晶激励频率输入端。频率可选几十至几百兆，但上下宽度应相等。如果直接驱动荧光数码管时，BP=“0”，P0=“0”。L1和dp分别为小数点的输入端和输出端。当L1=“1”时，小数点显示；当L1=“0”时，小数点不显示。C161有代码输出端Q4、Q3、Q2、Q1，而C160没有，前者可带打印机。另外，C161和C160不同的还有C161有三态控制端ST，当ST=“0”时为正常显示状态；ST=“1”时，译码器的输出端ag到dp均呈现高阻状态。输出电路最终目的是要将被测频率用数字形式显示出来，因此还必须设置显示电路。由于液晶显示功耗小而且经济，因此大多采用液晶显示屏。液晶显示屏的背电极D50接C160的BP端。液晶显示屏要求输入的液晶频率有严格的空度比。，其中T为频率周期，ta为脉冲持续时间，一般要求Q=2（或50%），这与BP的输入脉冲上下宽度相等是一致的。而这一频率来自振荡器，有前置振荡器输出周期T=t1+t2，t1为脉冲上宽度，t2为下宽度。如果作为BP的信号，则必须有t1=t2，即：由此式得出只要,即可满足要求。只有施密特电路电源设置，并不难满足要求。3 电路原理总图图3.1 电路原理总图3.2 总图中各点的波形图结论论文首先简述了数字频率计的设计原理，分析了实现该频率计的技术指标，包括设计任务和要求、单元电路的设计等。然后论文详细的讨论了频率计电路的构成单元，这里注意介绍了取样电路的设计、控制电路的设计、输出电路的设计和校准电路的设计。这几个大块的各个小康组成了该电路的电路总图。针对整个设计的系统功能要求，主要选用了CMOS集成块门电路和施密特触发器，并使用了液晶显示屏对被测输入信号的频率进行显示。总的来说，此次毕业实习及毕业论