数字电路综合设计案例

1、数字电路综合设计案例8.1十字路口交通管理器一、要求设计一个十字路口交通管理器，该管理器白动控制十字路口两纽红、黄、绿三色交通灯， 指挥各种车辆和行人安全通过。二、技术指标1、交通管理器应能冇效操纵路口两组红、黄、绿灯，使两条交叉道路上的车辆交替通行， 每次通行时间按需耍利实际情况设定。2、在某条道路上冇老人、孩了或者残疾人需要横穿马路时，他们可以举旗示意，执勤人员按动路ii设置的开关，交通管理器接受信号，在路】i的通行方向发生转换时，响 应上述请求信号，让人们横穿马路，这条道上的车辆禁止通行，即管理这条道路的红灯亮。3、横穿马路的请求结束后，管理器使道口交通恢复交替通行的正常状态。三、设计原

2、理和过程：木课题采川口上而下的方法述行设计。1.确定交通管理器逻辑功能、十字路口每条道路齐有-纽红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序地通行。其屮红 灯亮表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示停车；绿灯亮表示通行。因此，十字路口车辆运行情 况有以下儿种可能： 甲道通行，乙道禁止通行； 卬道停车线以外的车辆禁止通行（必须停车），乙道仍然禁止通行，以便让卬道停车线以 内的车辆安全通过； 甲道禁止通行，乙道通行； 甲道仍然不通行，乙道停车线以外的车辆必须停车，停车线以内的车辆顺利通行。、每条道路的通车时间（也可看作禁止通行时间）为30秒2分钟，可视需要和实际情况 调整，而每条道路的停车时间即黄灯亮的时间为5

3、秒10秒，且也可调整。、响应老人、孩子或残疾人特殊请求信号时，必须在一次通行一禁止情况完毕后，肌止要求横穿的那条马路上车辆的通行。换句话说，使另一条道路增加若干通行时间。设s1和s2分别为请求横穿甲道和乙道的手控开关，那么，响应s1或s2的时间必定在甲 道通乙道禁止或甲道禁止乙道通两种情况结束时，且不必过黄灯的转换。这种规定是为了简化 设计。由上述逻辑功能，画出交通管理器的示意图如图8-1所示，它的简单逻辑流程图如图8-2所 示。示意图中叩道的红、黄、绿灯分別用r、y、g表示，而乙道的红、黄、绿灯分别用、y、 g表示。简单逻辑流程图中设定通行（禁止）时间为60秒，停车时间为10秒。交通管理器j

4、-l sis2 j-l图8-1交通管理器示意图2.确定系统方案及逻借划分由确泄的逻辑功能，迹而來具体地讨论实施方案。交通管理器与其他数字系统一样，划分成控制器和受控电 路两部分，控制器送出对受控部分的控制信号，它接受來口外 部的请求信号s1和s2以及受控部分的反馈信号，决定自身 状态转换方向以及输出信号。(1) 设定sl = l时为冇人要横穿甲道，又设定s2=1时为冇 人要横穿乙道,若sl=(),h. s2=0,则表示没有穿越马路的特殊请求。s1和s2信号 均用纽子开关产生。(2) 控制器应送出甲、乙道红、黄、绿灯的控制信号。为 简便起见，我们把灯的代号和驱动灯的信号合而为一，因此有 如下规定

5、：r=1甲道红灯亮y=1甲道黄灯亮g=1甲道绿灯亮r=l乙道红灯亮y=l乙道黄灯亮g=l乙道绿灯亮同时乂作以卜规定： 甲道通行、乙道禁止的一段时间内，即g=l, r=l的时 间内(假设调定为6()秒)，用符号w=()表示，否则w=lo 乙道通行、甲道禁止的一段时间内，即沪1, r=1的时 间内(假设也调定为6()秒)，用符号p=()表示，否则p=l。(启动lr甲道禁止乙道通行甲道禁止乙道停车甲道通行乙道禁止甲道停车乙道禁止图8"養1蠶評单在黄灯亮的时间内(假设调定为10秒)，用l=0表示,否则l=l。在上述各种情况时，如果无特殊请求横穿马路，那么，甲、乙道交替通行60秒钟，转换时 有

6、10秒钟的停车或准备时间。（3）当交通控制处于甲禁止乙通行的状态时，它只响应s1信号，因为若s2=l时，只需本 状态结朿，经过10秒钟就转入甲通乙不通状态，行人可以穿越乙道，这样做的目的是为了简化 设计。在甲通乙不通的状态时，管理器能响应s1信号，控制器受到s1信号后，状态转换为甲 禁止、乙通行状态；如果sl=0,而控制器收到s2=l信号，则维持甲道通行、乙道禁止状态， 让行人通过乙道。（4）为使交通管理器按照规定的通行和停车时间冇效地工作，故设置秒脉冲信号发生器， 它作为整个电路的时钟信号和定时电路的参考间。秒脉冲发生器的构成请参阅“数字钟”的冇 关内容。设计者亦可安装一个模拟性的简单的秒信

7、号发生器。（5）管理器设置60秒通行时间和10秒停车时间的定时电路。定时电路接受控制器送來 c1 （甲道禁止乙道通行）和c2 （甲道通行乙道禁止）信号，驱动60秒定时电路工作，它接受 c3信号，驱动10秒定时电路运行，定时电路的参考时间就是秒脉冲。申明一点：定时电路的 定时时间可由设计者调整。定时电路的输出信号是w、p、l,其中w和p是60秒定时结束时馈送给控制器的信号， 而l是10秒定时结朿时定时电路送到控制器的反馈信号。控制器根据这些信号的状况，发生相 应的状态变换。（6）控制器的状态经译码器译出交通信号灯的控制信号，驱动甲、乙道相应灯点亮。 现在就可以画出交通管理器的结构组成图如图8-3

8、所示。而它的控制器的详细逻辑流程图可用图8-4示出。控制器的输出已在流程图各工作块的外侧标明。图8-3交通管理器结构组成图3. 受控电路的硬件设计由于受控电路的组成已经明确，现在的问题 是如何选择具体的器件来实现。在此作简明介绍。(1) 秒脉冲信号发生器秒脉冲是交通管理器的时间基准，秒脉冲发生器 可以参照数字闹钟课题内的标准时间源。由于本课题 对秒信号稳定度、精度的要求并不高，i大1此建议用一 般的环形震荡器组成，电路如图弘5所示。其屮逻辑 门选用74ls00四与非门。由于该电路输出信号的周期 约为t=2.2rc在保证(r+re)<700q (ttl门电路关门电阻)的 前提下，选择恰当的

9、r和c值组成。tcii图8-5环形猿荡器(2) 60秒和10秒定时电路定时电路冇多种形式，设计者可以任选。这里介 绍一种用msi 74ls161同步计数器构成定时电路的方 法。由于电路配置秒脉冲信号发生器，如果把秒信号 作为计数器的cp输入，那么计数器连接成60进制时 就可作为60秒定时电路。由此推广，模n计数器就是 n秒定时电路，这对于灵活调整道路通行时间是相当 方便的。以下讨论用74ls161构成n进制计数器的方法。74ls161具育同步预置控制端ld,因此可以采用 反馈预置法实现n进制计数器。实现的方法为：首先 使ld=0,数据输入端a=b=c=d=0, cp來到将计数器启动图8-4详细

10、逻辑流程图置0(即qdqcqbqa=0000),并以此作为初态；然后 使ld=1,器件在cp作用下开始计数，当计数到(nl) 时，经与非门反馈给预置控制端ld，又使ld=(),再次预置数据0,从而完成一个0到(nl)的循环，实现了 n进制计数器的功能。图&6 (a)示出 了根据上述原理构成的模14计数器的外部连接图。(a)(b)图8-6用反馈置位法构成14进制和60进制计数器一片74ls161的最大计数模数为16,大于模16时必须用若干片连接。但是在连接成同步 计数链时，应注意用计数器控制端p、t传递溢出进位信号，使各片计数器快速、正确地工作。 图8-6 (b)示岀了用两片74ls16

11、1组成m=60计数器的连接图，因为n二(60) 10= (111100) 2, 故反馈预置端lefqaiqbiqdiq杠qb】，其中q,、qbi和qdi是低位片的三个触发器的输出，qa2 和qb2是高位片的两个低位的输出。低位片的tp固定接1,满足计数条件。而高位片要计数, 只有等待低位片输出为全1时，因此用低位片的溢出进位输出qc控制高位片的t -p端,当qc=l 时，高位片在输入下一个计数脉冲时接受进位，加1计数，否则为保持状态。再则，74ls161也有异步淸零功能，故可使用淸零控制端cr,采用反馈复位法使它成为任 意进制计数器。图8-7(a)是用用反馈复位法构成的模10计数器，因为(10

12、) 10= (1010) 2, 111 于cr是异步淸零端，一旦心二1与q)=l时，立即使计数器复()(0000),故(1010) 2这个状态 不能持续，计数器状态由0000、00011001、0000,实现十进制计数。图8-7 (b)是反馈复位法连接成的60进制计数器，工作原理请读者自行分析。也11jtqa qb qc qdp°c74ls161ctcp> lq a b c 1ji.d1 1111 生 生 生生<a)图8-7用反馈复位法构成10进制和60进制计数器本课题允许任选反馈预置法或反馈复位法构成6()秒和10秒定时电路。这里选择反馈预置 法组成,如图8-8所示。图

13、8-8 60秒和10秒定时电路我们耍注意儿点：选通信号g、c2和c3來自控制器，它们反映在何时打开哪一个定时电 路的cp控制门。如果确立两通道通行时间均为60秒，则可川同一处时电路实现。但考虑到 两道通行时间的灵活调整，即每道通行时间可在30秒2分钟之内变动，甚至甲道和乙道通行时 间不相同等等，故可分别用山和巫秒定时电路来产生p和w应答信号，以供控制器判别、决 策，如图89所示。黄灯亮的定时电路是公用的，设定时时间为巧秒，其输出信号l同样送 至控制器。、交通管理灯选用红、黄、绿不同颜色的发光二极管组成，它们分别受控制器输出信号r、 y、g、1*、y、g 所骡动。至此，我们可画出交通管理器受控部

14、分硬件实施简图如图8-9所示。图8-9交通管理器受控部分硬件实施简图4. 控制器设计导岀管理器的mds图从图弘4所示的交通管理器详细逻辑流程图出发，画出和应的mds图如图&10所示。在图 中状态a为甲道禁止乙道通行状态（甲r乙g）,状态b为甲道禁止乙道停车状态（甲r乙y）, 状态c为甲道通行乙道禁i匕状态（甲g乙r），状态d为甲道停车乙道禁止状态（甲y乙r）。（2）状态分配本课题采川d触发器作为控制器记忆元件，四个状态用两个d触发器，状态分配如下：状 态a00、状态b01、状态c11、状态d10,状态分配图如图8-11所示。（3）、填写激励图根据状态分配的情况，填写两个d触发器激励函数

15、降维卡诺图如图912所示。莫中状态变 量q2为高位,q为低位。a：甲道禁止乙道道行 b:甲道禁止乙道停车 c :甲道11行乙道禁止 d:甲道停车乙道禁止p+pew + w$s：图8-10交通管理器mds图d>由激励西数卡诺图求得激励两数为：di=q?qips1+q2qi-hq?qi（ w+s1s?）d尸qil坨1+q,qi（押国）经化简可得di= psi q2+q1q? + w qi+qisis:d?=q?qil+qqi uq2q1ws1（4）求输出函数方程乙道通行、甲道禁止时（p=o）的左时电路选通信号ci= q? qi甲道通行、乙道禁止时（w=0）的定时电路选通信号c尸qiqi停车时

16、间（l=0）能时电路的选通信号cj= qiq + qi qi= qi qi控制器驱动甲道红、黄、绿灯的信号1iir= q? qi + q?qi=q2y=q:qig=qq控制器驱动乙道红、黄、绿灯的信号r= q】q计 q?qi= qiy=qqg=（5）控制器逻辑电路图设计工作至此，所冇方程已经求出，设计者可以选择各种ssl msi、lsi器件来实现。四、讨论1. 试用msi组合器件数据选择器和译码器实现交通管理:器控制器，滴出和应的控制器逻辑 电路图。2. 试用集成单稳电路sn74121或sn74123组成交通管理器道路通行、禁止、停车定时电 路。在此情况下，受控部分哽件实施图和控制器逻辑电路图

17、。3. 假设甲、乙道交叉路口的交通管理按以下规则进行：（1）甲道通行时间为2分钟；（2）甲道停车时间为20秒钟；（3）乙道通行时间为1分钟；（4）乙道停车时间为10秒钟；（5）老人、孩子和残疾人请求过马路时，管理器立即响应，1（）秒钟后允许行人穿越；（6）交通管理人员有权随时终止甲、乙道交替通行的状况，而使某道连续通行，以解决某道 交通堵塞现象或者应付临时需耍，如警车、消防车、救护车等特殊车辆的紧急或较长时间的通 行。试设计并实现上述要求的十字路口交通管理器。4. 能否设计一个三、五条道路、以至六条交叉路口的交通管理:器。5. 试选用msi时序器件74ls161> 74ls194等，设计

18、交通管理器的控制器。6. 交通管理器控制器工作过程的asm图，并与mds图设计方法和比较。8.2多路可编程控制器设计与制作一、问题的引入：在实际应用中，常常需要一种能同时控制多组开关按一定的方式闭合与断开的装置，比 如显示图样不断变化的各种霓虹灯或彩灯的电源控制系统。木节设计与制作的多路町编程控 制器就具有这种功能。二、设计目的：通过这一课程设计，读者可以在如下方面得到锻炼。（1 ）基本了解设计数字系统的一般方法。（2 ）进一步熟悉常川数字器件的使用方法。（3 ）基木掌握通过逻辑分析查找数字电路故障的方法。（4 ）熟悉并学会使用用于读写eprom的常用软件,掌握固化与擦除eprom的方法。三、

19、设计要求：设计并制作出一种用于控制霓虹灯的控制器，它具冇如下功能：（1）町以控制每段霓虹灯的点亮或熄灭。（2 ）毎段霓虹灯的点亮与熄灭可以通过68编程来实现。（3 ）每间隔一段时间，霓虹灯的图样变化一次。（4 ）图样变化的间隔时间可以调节。四、所需仪器设备与器件示波器，稳压电源，eprom读写软、硕件，eprom擦除器。五、设计内容、方法与步骤：1.设计内容1）霓虹灯受控显示的基木原理我们以背景霓虹灯的一种显示效果为例，介绍控制霓虹灯显示的基木原理。设有-排n段 水平排列的霓虹灯，某种显示方式为从左到右每间隔0.2秒逐个点亮。其控制过程如下：若以“1 ”代表霓虹灯点亮，以“ 0 ”代表霓虹灯熄

20、灭，则开始时刻，n段霓虹灯的 控制信号均为“ 0 ”，随后，控制器将一帧n个数据送至n段霓虹灯的控制端，其屮，最 左边的一段霓虹灯对应的控制数据为“ 1 ”，其余的数据均为零，即1000000。当n个 数据送完以后，控制器停止送数，保留这种状态（定时）0.2秒，此时，第1段霓虹灯被 点亮，其余霓虹灯熄灭。随后，控制器又在极短的时间内将数据1100000送至霓虹灯的 控制端，并定时0.2秒，这段时间，前两段霓虹灯被点亮。由丁送数过程很快，我们观测到的效果是第一段霓虹灯被点亮0.2秒后，第2段霓虹灯接着被点亮，即每隔0.2秒显示一 帧图样。如此下去，最后控制器将数据1111 - 111送至n段霓虹

21、灯的控制端，则n段霓 虹灯被全部点亮。只要改变送至每段霓虹灯的数据，即可改变霓虹灯的显示方式，显然，我们可以通过合 理地组合数据（编程）來得到霓虹灯的不同显示方式。2）系统框图根据设计要求，确定如图8.1所示系统框图。长度计数器8-1系统方框图框图屮，右边的d 0 -d n为n个发光二极管，它们与n段霓虹灯相对应，二极管亮, 则霓虹灯亮。下而介绍框图屮各部分的功能与实现方法。（1 ）移位寄存器移位寄存器用于寄存控制发光二极管亮、灭的数据，对应n个发光二极管，移位寄存器 冇n位输岀。移位寄存器的输入信号収自存储器输出的8位并行数据，为使电路简单，可以采用8位 并入并出的移位寄存器，也可以采用并入

22、串出的移位寄存器。（2）只读存储器只读存储器内部通过编程己写入控制霓虹灯显示方式的数据，控制器每间隔一段时间（显 示定时）将n位数据送移位寄存器，所送的数据内容由存储器的地址信号确定。存储器的容量由霓虹灯的段数、显示方式及显示方式的种类确定。n段霓虹灯，m种 显示方式，要求存储器的容量为n二n x n x m ( bit )只读存储器可以采用常用的eprom,如2764、27128、27256、27512等。(3) 地址计数器地址计数器产生由低到高连续变化的只读存储器的地址，存储器内对应地址的数据被送 至寄存器。地址计数器输岀的位数由存储器的大小决定。64kbyt容最的存储器对应的地址 线为1

23、6根，因此要求16位计数器。其余可依次类推。地址计数器给出存储器的全部地址 以后口动复位，重新从000011开始计数。地址计数器可以采用一般的二进制计数器，如74161 .162等。(4 )控制门与定时器控制门用于控制计数脉冲是否到达地址计数器。控制门的控制信号來自定时器，定时器 启动吋，控制门被关闭，地址计数器停止计数，寄存器的数据被锁存。此段吋间发光二极管 发光。达到定时值时，定时器反相，计数器重新开始计数。控制门可以用一般的与门或或门，定时器可以采用单稳态电路来实现，也可以用计数器 实现。(5 )长度计数器长度计数器与地址计数器对应同一个计数脉冲。长度计数器工作时，地址计数器也在工 作。

24、计数器工作期间，存储器对应地址的数据被逐级移位至对应的寄存器。长度计数器的计 数长度为n/&该长度恰好保证一帧图样(n位)的数据从存储器中读出送寄存器锁存。长 度计数器达到长度值时口动淸零，同时启动定时器工作。逑时器启动期间，长度计数器与地 址计数器的计数脉冲均被封闭。长度计数器电路可视计数的具体长度來确定。当计数长度较短时，可以采用移位寄存器 來实现。3) 实用电路根据上面的分析，设计出如图8.2所示的实用电路。实用电路可以控制32段霓虹灯，用32个发光二极管代替霓虹灯。实际电路中，霓虹 灯是由开关变丿玉器提供的电源点亮的，开关变压器通过光耦进行强、弱电隔离，从寄存器输 岀的点亮发光

25、二极管的驱动信号完全可以驱动开关变压器工作。电路中的移位寄存器采用74ls374,当与11脚相连的移位脉冲产生上升沿突变时，8位 数据从上至下从一个寄存器移位至另一个寄存器，构成8位并行移位电路。显然，出现在11 脚的移位脉冲，一次只能有4个。宦|j7m8u2 7*lfl<la$ a4 at 从a* al» all allnt7t£14772odnoinoin01vc arcst ganx6 74lfl<l1024231mu tisaios：ix 1lx ul ifn 8u7 "wlc7jivbyhiicvt彷 tflftt*z2u.;d28d)84w

26、士v pii£<厂thxo £21t»bctwflhxo £*rw £8twflan*w 71lc7*冒rii1$iic1cdt8"8n f图8.2霓虹灯显示控制器实用电路电路中的存储器采用具有8k地址的eprom 2764,电路屮2764的最后两根地址线all、 a12接地。因此，实际只用到了前面2k地址的存储单元。由于只控制32段霓虹灯，它仍 可以保证冇足够多的显示方式。如冇必要，可以通过接插的方式改变all、a12的电平， 选择其他6k地址对应的图样。电路中的地址计数器由3块74ls161组成，它产生11位地址数据，计数输

27、出直接与 存储器的地址线相连。定时器采用555组成的单稳态他发器來实现，改变对变电阻vr的数值。可以改变定时 器的时间，即每帧画面显示的时间。显示吋间一般定在0.1is z间。振荡电路采用555组成多谐振荡器来实现,其振荡频率可以在lkhz1mhz之间取值。2 .方法与步骤1）器件检测与每次实训一样，首先对所用器件进行检测。保证器件完好，可以减少因器件不良带來 的各种麻烦。2）电路安装在印刷电路板上安装好全部器件。所需电路板可以在电子cad课程作为课程设计内容完 成，也可委托电路板厂加工。如无现成的印刷电路板，也可在刀能板上安装。由于电路连线 较多，不宜在面包板上安装。3）检测电路（1 ）检测

28、rh 555组成的时钟振荡器的输出波形，正常悄况应能在u5的第3脚观测 到频率为儿十khz的矩形波。如不能观测到输岀波形，则应检测555的工作状态，找到故 障所在。（2 ）将定时器电位器vr调至最小值，用示波器观测计数脉冲的波形，如电路正常， 可以得到波形。如没冇波形或波形为连续矩形波，则检测定时器555输岀端第三脚的电平。 正常时可以观测到输出电平以短于1s的时间周期跳变，如果不出现跳变，则定时器没有工 作，应检测尬时器与长度计数器的工作状态。通过检测各引脚电平或波形，根据电路的逻辑 关系进行分析，排除故障。（3 ）检测存储器各地址线的电平，在低地址端应能观测到电平的跳变。如地址线电平 不发

29、生变化，则应检测由4个74ls161构成的地址计数器工作是否正常，通过检测各ic的 引脚或波形，排除故障。（4 ）检测寄存器74ls374各引脚电平，各电平值应与电路确定的值一致，出现异常 则应找出故障所在，予以排除。3）排列发光二极管将32个发光二极管按你喜欢的方式排列成一定的图形或字符。4）确定显示方式根据排列的图形，确定发光二极管的显示方式。5）确定存储器各地址对应的数据显示方式确定z后，则可确定存储器齐地址对应的数据。为加深读者的认识，设发光二 极管水平排列，显示方式为从左至右一个一个点亮。这种情况下，齐地址对应的数据如表8.1 所示。表屮，每行第一个16进制数为存储器的一个起始地址，

30、其余16个数为该地址及与 该地址相连的其他15个地址的数据，也用16进制数表示。表8. 1 一种显示方式各地址对应的数据000011001100hoon0111oonoon00110311ooh0011ooh07h0011oohoon0f1100101100110011ooh1fii0011oohooh3fiioohoohooh7fi10011oonoohffii0020ii001100h01hit11oonoon0311it11oon00110711ffii0011oohofhffii0030ii001100111fi1ffii0011ooh3fiiffiioohooh7fi1ffii001

31、1oonffiiffii0040h00110111m00110311i-i'lli'l'llooh0711itu0011ofhi-i'll0050ii00111fiiffi1ffii00113fi1ffiiffiiooh7fiiffiiffiioonffiiffiiffii0060h0111卜'卜'h0311itui-i'lli'l'll07hit11ituoi'llith卜'卜'lli-i'll0070111e11b'l'hith3fhb'i'll7f111

32、t11卜'卜'llb'i'll1ti1b'i'll读者读懂表8.1的内容以后，就可以自匕编辑显示方式了。6）输入数据读者可以利用任何读耳eorom的软件及相关附件将编辑好的内容固化在eprom屮。固 化时，必须注意选择编程电压时，应与实际存储器的编程电压一致。7）显示图样将eprom插入ic插座，接通电源，即可看到发光二极管依一定的规律在点亮与熄灭。 观看显示方式是否与自己设计的方式一致，如不一致，找出原因。如属数据编辑错误，可改 写前面的数据。eprom貝有光擦除功能，要修改内部数据，必须用紫外线擦除器擦除后重写 全部内容。六、课程设计验收硬件

33、制作实物完成情况，演示设计与调试的结果设计方案与说明书8.3数字频率计的设计与制作一、问题的引入：在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率， 精确测量则要用到数字频率计。二、设计目的：木设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步 熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。三、设计要求：设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下：(1 )频率测量范围：109999hz o(2 )输入电压幅度300mv o(3 )输入信号波形：任意周期信号。(4 )显示位数：4位。(5 )电源：220v、50hz四、所需仪器设备与器件示波器、音

34、频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。五、设计内容、方法与步骤：1设计内容1) 数字频率计的基本原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间(1s )内信号发生周 期变化的次数。如果我们能在给定的1s时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出來， 就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信 号转换成帽度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔 内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基木原理。2) 系统框图从数字频率计的基木原理出发，根据设计要求，得到如图& 3所示的电

35、路框图。下而介绍框图中各部分的功能及实现方法(1)电源与整流稳压电路椎图中的电源采丿u 50hz的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统対电源的要求不高，可以采川串联式稳压电源电路來实现。(2 )全波整流与波形整形电路本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频 率漂移不能超过0. 5ilz ,即在1 %的范围内。用它作聲通频率计的基准信号完全能满足系 统的要求。全波整流电路首先对50hz交流市电进行全波整流，得到如图8.4( a)所示100hz彼测信号图8.3数字频率计框图的全波整流波形。波形整形电路对looiiz信号进行整形，使z成为

36、如图8.4(b)所示100hz 的矩形波。 jmrmrln图8.4全波整流与波形整形电路的输出波形波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进 行整形。(3 )分频器分频器的作用是为了获得1s的标准时间。电路首先对图8.4所示的looiiz信号进行100分频得到如图& 5 ( a )所示周期为1s的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图8.5 (b )所示占空比为50 %脉冲宽度为1s的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利 用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1s时间内通过控制门的被测脉冲的数目。分频器可以采用第5章介绍过的方法，itl计数器通过计数获

37、得。二分频可以采用 触 发器來实现。（4 ）信号放大、波形整形电路为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放人与整形处理,u)一(b)图8.5分频器的输出波形使z成为能被计数器有效识别的脉冲倍号。信号放人与波形整形电路的作用即在于此。 信号放人可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用池密特触发器。（5 ）控制门控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入 端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门來实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数， 当采用或门时，秒信号为负时进行计数。（6 ）计数器计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量

38、频率为9999hz ,应采用4位 十进制计数器。可以选用现成的10进制集成计数器。（7）锁存器在确定的时间（1s ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定片才能获得稳 定的显示值。锁存器的作用是通过他发脉冲控制，将测得的数据寄存起來，送显示译码器。 锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。（8 ）显示译码器与数码管显示译码器的作用是把用bcd码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信 号，以获得数字显示。选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。3）实际电路根据系统框图，设计出的电路如图8.6所示。图中，稳压电源采用7805來实现，电路

39、简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到对100hz全波整流输岀信号的分频采用7位二进制计数器74i1c4024纽.成100进制计 数器来实现。计数脉冲下降沿冇效。在74hc4024的q7、q6、q3端通过与门加入反馈 清零信号，当计数器输岀为二进制数1100100 （十进制数为100 ）时，计数器升步清零。 实现100进制计数。为了获得稳定的分频输岀，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分 频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（10ms ）为高电平。图&6数字频率计电路图电路屮采用双jk触发器74hc109屮的一个触发器纽成 他发器，它将分频输岀脉冲 整形为脉宽为1s、周期为2

40、s的方波。从触发器q端输出的信号加至控制门，确保计数器 只在1s的时间内计数。从触发器 端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。被测信号通过741组成的运算放人器放人20倍后送施密特触发器整形，得到能被计数 器有效识別的矩形波输出，通过由74hc11组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号 太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。频率计数器由两块双十进制计数器74hc45u组成，最大计数值为9999hz。山于计数 器受控制门控制，每次计数只在jk触发器q端为高电平时进行。当jk触发器q端跳变 至低电平时， 端的由低电平向高电平跳变，此时，8d锁存器74hc374 （上升沿有效）

41、 将计数器的输出数据锁存起來送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可対计数器淸零。由 于74iic4518为界步高电平淸零，所以将jk触发器的 同100hz脉冲信号“与”后的输 出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（10ms ）以后 再进行。显示译码器采用与共阴数码管匹配的cmos电路74hc4511 ,4个数码管采用共阴方式， 以显示4位频率数字，满足测量最高频率为9999hz的要求。2 .方法与步骤1）器件检测用数字集成电路检测仪对所要用的tc进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也 可对led数码管进行检测，检测方法由自己确定。2）电路连接在h制电路板上将i

42、c插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接ic等小器件，最后固 定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插ic o3）电源测试将与变压器连接的电源插头插入220v电源，用万用农检测稳压电源的输出电压。输出 电压的正常值应为+ 5v。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源 输出止常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。止常情况应观测到 如图13.5（a）所示波形。4）基准时间检测关闭电源后,插上全部ic。依次用示波器检测由uk74hc4024）与u3a组成的基准时 间计数器与由c2a组成的 他发器的输出波形，并与图13.6所示波形对照。如无输出波 形或波形形状不对，则应对11 >u3,u2各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。5）输入检测信号从被测信号输入端输入幅值在iv左右频率为lkhz左右的正弦信号，如果电路正常， 数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率， 则作进一步检测。6）输入放人与整形电路检测川示波器观测整形电路11a（74iic14）的输出波形，止常情况下，可以观测到与输入频率 一致、信号幅值为5v