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数字频率计XYMBTC频率计是一种对信号的频率进行测量的仪器，是一种典型的电子测量仪器。能对频率量进行测量的仪器有许多：如模拟频率表、示波器、数字频率计、微机化智能频率计等。本文将对数字频率计项目进行探讨并设计和制作。一、频率信号测量的基础知识实现对频率量测量的方法有许多种。如：频率/电压（F/V）变换法或频率/电流（F/I）变换法、直接测频法、测周期法、多周期同步（等精度）测量法等。1、频率/电压（F/V）变换法这种方法是将频率量通过特定的电子电路实现对输出电压或输出电流进行控制，使输出电压或输出电流能按照输入的频率作某种规律的变化，以使得可以利用电磁式模拟表头指示其频率的大小。常用的这一类电子电路有VFC32、AD650和LM331等专用的集成电路。其原理框图如图1-1所示。F/V或F/I电压或电流输出送显示频率信号输入图1-1 频率/电压变换法或频率电流变换法测频率2、直接测频法这种方法的测量原理是：由于频率是单位时间内信号发生周期变化的次数，使得我们可以在给定的单位时间1S内（称为闸门）对被测信号的脉冲数计数，得到的脉冲个数就是被测信号的频率。各种中规模计数器集成电路就非常适合于这种场合的应用，如CD4518、CD4017等。其原理框图和时序图如图1-2所示。闸门计数器数字显示器1S基准闸门信号被测信号 （a）1S基准闸门信号被测信号实际检出信号1S（b）图1-2 （a） 直接测频法原理框图；（b） 直接测频法时序图3、测周期法虽然直接测频法可以测出单位时间内脉冲的个数即频率，但是对于较低频率的信号其检测误差会大大增大，例如1.8Hz的信号，在通过1秒的闸门时间内其0.8会被淹没，这是在高档频率计产品设计中所不允许的。解决这种现象的办法就是改直接测频法为测周期法。其指导思想是用被测信号的周期作为闸门，在该闸门时间内允许已知标准的短周期间隔的较高频率的信号通过，通过数字电路或微型计算机的运算，通过闸门的已知信号频率的个数越多，其被测频率就越低，其原理框图和时序图如图1-3所示。闸门计数器数字显示器高频基准信号被测闸门信号运算电路（a）被测闸门信号高频基准信号实际检出已知信号未知（b）图1-3 （a） 测周期法原理框图；（b） 测周期法时序图由此可见，为了获得较高的测量精度，在高频段，宜采用直接测频法；在低频段，宜采用测周期法。4、多周期同步等精度测量法由上面的分析我们知道，无论是直接测频法还是测周期法，都无法保证闸门信号和另一信号的首尾实现同步，这就难以保证获得较高的测量精度，其误差在一个脉冲之内。由此，当引入多周期同步等精度测量法时，可以较好的解决这个问题。多周期同步等精度测量法的原理是：电路需引入一个比被测信号频率高若干倍的内部时基信号，测量结果的误差范围便在这一个时基信号范围内。首先由相应的控制电路给出闸门开启信号（称预开闸门），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正开始计数（称真开闸门）。然后，两组计数器分别对被测信号和时基信号脉冲计数，当控制电路给出闸门关闭信号（称预关闸门），此时计数器并不停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正停止计数（称真关闸门）这样，闸门时间是由时基信号脉冲的个数决定的，因此精确度较高，并且和被测信号基本同步，因此，其测量精确度极高。其时序图如图1-4所示，原理框图略。预开闸门信号被测信号实际检出被测信号真开闸门信号时基脉冲信号实际检出时基脉冲信号图1-4多周期同步等精度测量法时序图二、直接测频频率计的部件分析1、被测信号的限幅、放大、整形根据课题要求，输入信号在100mV至100V之间都要能使电路可靠工作，这就需要在电路设计上加以考虑。即对较小的信号要具有放大的功能；对较大的信号要具有限幅的功能，并且最终都要经过整形成为矩形波才能被数字电路所识别。如图2-1的框图所示。图2-1 被测信号的限幅、放大、整形框图2、基准闸门信号根据题目要求，采用直接测频法实施本文设计项目，那么就需要一个基准的闸门信号。闸门时间为1S，在给定的 1S 时间内对信号波形计数，首先必须获得稳定与准确的闸门时间，我们用时基精度较高的32768Hz晶体振荡器通过15级分频而获得精确的1S闸门信号。如图2-2的框图所示。15级2分频器1S图2-2 秒脉冲基准闸门信号的框图3、闸门及其控制器 闸 门闸门控制被测信号后续电路辅助信号控制器控制器所起的作用是：在闸门信号允许的时间内让被测信号通过；闸门时间过后将被测信号挡住不让其通过，这样，后续的计数电路将只对闸门时间内的信号计数。另外，计数器、锁存器和显示器所需要的其他一系列信号（如计数器清0、计数允许、8-4-2-1码锁存以及显示刷新等信号）也由控制器提供。具体框图如图2-3所示。图2-3闸门及其控制器框图4、计数器经过闸门送过来的被测信号是一堆总的脉冲的数量，必须按10进制位取分出来，因此需要用10进制计数器来对这一堆脉冲数计数，每计满10个数后再从头计数，同时往上进位；被进位的这一位每进满10个数后再从头进位，同时也要往上进位。需要多少位显示就设置多少个10进制计数器并级联便可。这里用不含分配器的10进制计数器，送出来的是8-4-2-1编码。见图2-4所示的计数器框图。进位十进制计数器个位十进制计数器十位十进制计数器百位十进制计数器千位位进位进位通过闸门的被测信号计数8-4-2-18-4-2-18-4-2-18-4-2-1图2-4 计数器框图5、锁存器8-4-2-1锁存器即4-D锁存控制信号8-4-2-1由于计数器输出的8-4-2-1码随着计数值的不断变化而时刻跟随着变化，如果直接送译码器译码后则其显示器显示的数会不停的变化。解决这个问题的方法是：计数器在闸门时间内的计数过程中其8-4-2-1码不传送给译码器译码显示，而在闸门时间到达后（此时计数器也停止了计数）将计数的结果在传送给译码器译码显示并一直保持，则我们就不会看到显示器不停的在（计数）的现象，而是稳定的显示出闸门时间内计数的结果。用什么样的功能电路能实现此目的呢？用锁存器电路（也就是D触发器，多路的D触发器）。见图2-5锁存器框图。图2-5 锁存器框图6、译码器和驱动器所谓译码器就是实现能将一种代码翻译成另一种代码。由于本课题规定了用LED数码管，所以，译码器要能将8-4-2-1码翻译成7段LED显示码，即BCD-7段译码器。由于LED数码管显示器需要较大的电流，因此，往往还需要在译码器的后一级增加驱动器。见图2-6译码器框图。8-4-2-1BCD7段译码器驱动器g f e d c b a图2-6译码器框图7、显示器g f e d c b acom这里是LED数码管显示器，有共阴极、共阳极之分，要根据译码器和驱动器的有效输出电平而决定用共阴极还是共阳极。见图2-7显示器框图。图2-7显示器框图三、整体电路及其设计分析1） 整个装置的电路图（图3-1）com com com comVCC10Kg f e d c b a LE1#CD4511D C B A LT BI1秒内计数的个数即为信号频率Q3 Q2 Q1 Q0 EN1/2CD4518CR 2# CP 104g f e d c b a LE2#CD4511D C B A LT BI1秒内计数的个数即为信号频率g f e d c b a LE3#CD4511D C B A LT BI1秒内计数的个数即为信号频率g f e d c b a LE4#CD4511D C B A LT BI1秒内计数的个数即为信号频率VCCQ3 Q2 Q1 Q0 EN1/2CD4518CR 2# CP Q3 Q2 Q1 Q0 EN1/2CD4518CR 1# CP Q3 Q2 Q1 Q0 EN1/2CD4518CR 1# CP 47K 10 R11 CP 13 Q1/2CD40139 D 12 Q 8 S 4 R3 CP 1 Q1/2CD40135 D 2 Q 6 S秒脉冲10 CP0 12 RQ14 -3CD4060 11 /CP清零2U/160V 10K 47U 20K 300K fofi 1M 1N4007*2 1M 1M &68P68P锁存150K20M10432768Hz闸门&图3-1 数字频率计电路图2）设计考虑及电路分析a：被测信号fi（任意波形）经2U/160V和1M电阻组成微分电路，经10K电阻送到两只并联的二极管上，如果信号幅度较大，则被两只并联的二极管限幅成为700mV；，如果信号幅度较小，如小于700mV，则两只并联的二极管限幅电路对信号不起限幅作用。经20K电阻、与非门和1M电阻组成的放大电路，实现约20倍的信号放大，再经300K、1M和两只与非门组成的施密特整形电路后产生矩形波输出。b：由32768Hz晶体振荡器（配合68P电容和10M电阻）经CD4060产生振荡并经内部14级2分频器分频，产生2Hz的标准信号方波，再经一级由D触发器CD4013组成的2分频器后得到1Hz准信号方波。因为我们需要1S的标准闸门信号，所以还需要通过1Hz准信号方波产生1S的闸门时间的电路，实现这种功能的专用电路很多，我们利用D触发器CD4013的另一组再做一级2分频器便可。其输出即为1S高1S低的信号，其中1S高即为闸门时间。1S的低电平时间都浪费了，其实是没有必要的，可以用延时电路设计极短时间的低电平效果更好，学有余力的同学可以在次处扩展。这里的1S高1S低只是从电路设计的方便角度考虑的，对显示刷新速度来说是不利的。c：接着由10K电阻、1N4148二极管和一个与非门是为了实现两个信号相与的功能，这里作为与门并取反，目的是用来作闸门使用。由于两路信号经过该与非门，其中一路为1S高1S低的闸门信号，该信号高期间闸门（与非门）被打开，以便让另一路的被测信号顺利通过，该信号低期间闸门（与非门）被关闭，使得另一路的被测信号被阻止。d：经过闸门的信号送至CD4518十进制计数器EN端口进行计数，因为与非门之前是上升沿，反向后变为下降沿，所以这里是以下降沿方式计数的。Q3、Q2、Q1、Q0的输出开始是0000，随着计数脉冲的一个个到来，其输出依次为0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、0000。我们注意观察这10个二进制数对应的十进制数分别是1、2、3、4、5、6、7、8、9、0，并且注意D3的10个位置顺序为0、0、0、0、0、0、0、1、1、0。即D3位是从0变1又在9-10变化时从1变0的，这恰好是一个下降沿，非常方便用于对下一位数计数，这也是没有设计从CP端计数的原因。对十进制计数器CD4518的清零信号是用与闸门信号相反的信号，即从Q端引出，当Q=1闸门打开，同时Q=0停止清零允许计数，当Q=0闸门关闭，同时Q=1开始清零停止计数。顺便提一下，在有些场合是要用上升沿计数的，这时将计数脉冲引入到CP端口，并把EN接到VCC即可。e：CD4511是锁存、BCD-LED数码译码、驱动显示为一体的功能器件，经CD4518产生的BCD码送CD4511输入，经锁存后译码驱动，送LED显示。从CD4013Q端在送出闸门信号的同时，也送出一路供CD4511的锁存信号（LE，高锁存有效），保证了在CD4518计数期间CD4511不接受CD4518送来的信号，而在CD4518刚停止计数的时候由CD4013的13端送出的锁存信号经一只串联的104电容产生瞬间低电平脉冲使CD4511接受其BCD码，而后立即变高以便锁存住BCD码信号。四、实施：1）元器件的认识4与非门CD4011CD4011是4个单元一体的与非门，其引脚图和真值表为见图4-1所示。VCC 4A 4B 4Y 3Y 3A 3B 114 13 12 11 10 9 8 CD40111 2 3 4 5 6 7 1输出Y输入 A B00101011101A 1B 1Y 2Y 2A 2B GND 图4-1 (a) CD4011引脚图 图4-1 (b) CD4011真值表CMOS与非门除了作信号的相与并反向外，其典型应用还有模拟放大器、施密特整形器等。14位二进制计数器（也叫14级2分频器）CD4060CD4060是自带内部振荡电路的14位二进制计数器，外接振荡元件可以确定其振荡频率，可外接RC振荡器、晶体振荡器等，具有多个分频输出端口。其引脚图和功能表为见图4-2所示。16 15 14 13 12 11 10 9 CD40601 2 3 4 5 6 7 8Q12Q13 Q14 Q6 Q5 Q7 Q4 GNDVCC Q10 Q8 Q9 R /CP OSC /OSCCP R功能1清零0计数保持0图4-2 (a) CD4060引脚图 图4-2 (b) CD4060功能表CD4013CD4013是一个内含两个完全相同的D触发器的功能块，使用非常广泛，如作单稳态、2分频器、数据锁存器、定时与延时等场合，其引脚图和功能表为见图4-3所示。VCC 2Q 2Q 2CP 2R 2D 2SD(tn)RSCPQ(tn+1)Q(tn+1)000011001001101001111100Q(tn)Q(tn)14 13 12 11 10 9 8 CD40131 2 3 4 5 6 71Q 1Q 1CP 1R 1D 1S GND图4-3 (a) CD4013引脚图 图4-3 (b) CD4013功能表CD4518CD4518是一个内含两个完全相同的十进制计数器的功能块，主要用于多级同步计数、多级串行计数和同步分频器等。其引脚图、功能表和时序图如图4-4所示。ENRCP0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 0Q0Q1Q2Q3VCC R 2 Q3 2 Q2 2Q1 2Q0 2EN 2 CPCP EN R复位 1计数0 01 0计数功能16 15 14 13 12 11 10 9 CD45181 2 3 4 5 6 7 81CP 1EN 1Q0 1Q1 1Q2 1Q3 1R GND图4-4 (a) CD4518引脚图 图4-4 (b) CD4518功能表 图4-4 (C) CD4518时序图CD4511CD4511是集锁存译码驱动于一体的LED数码管显示器电路，还具有灯测试、消隐等功能。其引脚图、功能表和显示图如图4-5所示。16 15 14 13 12 11 10 9 CD45111 2 3 4 5 6 7 8B C LT BI LE D A GNDVCC f g a b c d eLE BI LT D C B A 功 能 0 灯测试0 1 消隐 0 1 1 00001001 显示0-9 0 1 1 10101111 不显示 1 1 1 锁存 图4-5 (a) CD4511引脚图 图4-5 (b) CD4511功能表 图4-5 (C) CD4511显示图LED数码管LED数码管按颜色可分为红、绿、黄、橙，按极性可分为共阴、共阳，按尺寸可分为0.3英寸、0.5英寸、0.8英寸等。此外还有单体、双体、3位或4位一体等。g f com a b这里用0.5英寸红（或绿）色共阴单体数码管共4只，其引脚图如图4-6所示。图中，dp是小数点，com是公共端。 a f g b e c d dpe d com c dp图4-6 LED数码管引脚图 有条件的话，可用数字集成电路检测仪将上述数字集成电路检测一下，以确保元器件完好无损。2) 电路连接 根据具体状况选择一种电路连接载体，如面包板、万能电路板、成品电路板或数字电子线路实验箱内的集成块插座）连接（或焊接）电路元器件，注意，集成电路和数码管应通过集成块插座和数码管插座同其他元器件连接，不可直接用其引脚连接。仔细检查无误后，连接5V