实验16 数字频率计的设计和实验

1、实验16 数字频率计的设计和实验一、实验目的1. 掌握数字频率计的组成原理。2. 掌握数字频率计的设计、组装与调试。3. 学习集成电路合理选择与使用。二、设计任务和要求设计一个 4 位的数字频率计，设计要求如下：1. 4 位十进制数字显示。2. 测试范围为 1 Hz100kHz。3. 闸门时间: 1mS, 10mS，0.1S，1S 可手动选择。4. 量程分为四档：×1000，×100, ×10, ×1。三、实验原理在模拟和数字电路实验中，经常要用到数字频率计。数字频率计实际上就是一个脉冲计数器，用来记录 1 秒内通过闸门的脉冲个数。通常频率计是由输入整形

2、电路、时钟振荡电路、分频器、量程选择开关、计数器、锁存器和显示器等组成。图 2.16.1 为数字频率计的图 2.16.1 数字频率计的组成框图原理框图。在图 2.16.1 中，由于计数脉冲信号必须为方波信号，所以要用施密特电路对输入波形进行整形，分频器输出的信号必须满足闸门时间要求。例如闸门时间为 1 秒时，这个秒脉冲加到与门上，就能检测到待测信号在 1 秒内通过与门的个数。脉冲个数由计数器计数，由七段显示器显示频率的单位应为 Hz。又例如闸门时间为 1mS 时，显示频率的单位应该为 kHz。数字频率计各级的波形图 2.16.2 所示，设待测信号 A 的周期为x，闸门时间为。当门控信号 B 为

3、高电平时，它和被测信号 A 相与后通过闸门，形成计数脉冲信号 C，直到门控信号结束，闸门关闭，计数停止。单稳 1 的输出信号 D 送到锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，并送到译码显示电路。计数器停止计数后，在单稳 2 的暂态输出E的作用下将计数器清零。等到当门控信号 B 再次变为高电平时，开始下次计数。若在闸门时间 内计数器的计数值为，则被测频率x 为： x = /为了准确地测量频率，应满足>>x 。四、设计方案提示数字频率计可以从以下几部分进行考虑：1. 计数、译码、显示电路这一部分是频率计必不可少的。即外部整形后的脉冲，通过计数器在单位时间里进行图 2.16.2 数字频率计

4、的波形 计数、译码和显示。计数器可选用十进制的中规模(TTL/CMOS)集成计数器，例如选 74LS161、74LS390、74LS90 等。译码显示可采用共阴极或共阳极的配套器件。例如译码器选择 74LS248，显示器可选用数码显示器 LC5011-11。2. 整形电路由于待测的信号是多种多样的，有三角波、正弦波、方波等，所以要使计数器准确计数，必须将输入的波形整形。通常采用的是施密特集成触发器，如 74LS14。施密特集成触发器也可以用 555 (7555) 或其它门电路构成。3. 分频器与量程选择分频器一般由计数器实现。晶体振荡器产生 1MHz 的时钟信号，用 6 个十进制计数器去分频，

5、获得频率为 1MHz、1kHz、100Hz、10Hz 和 1Hz 的时基信号，再经过 2 分频后，可以得到 1S，1mS, 10mS，0.1S，1S 等闸门信号。可用旋转开关选择闸门时间。十进制计数器用 74LS160、74LS161、74LSL90、74SL290、74LS390 等均可。由于输入频率有高有低，所以当测量低频信号时，量程开关选择在 1 或 10 位置上，而测量高频信号时，应设置在 100 或 1000 的位置；在电路处理上，应将闸门时间缩短为 1S、0.1S、10mS、1mS 等。例如当闸门时间为 1mS 测得的数值，其数显值的单位为 kHz；10mS 时测得的频率为数显值

6、×100Hz（或0.1kHz），余类推。所以在实验中可选用 1/1000、1/100、1/10、1 秒四档作为脉冲输入的门控时间，完成量程的选择。4. 单稳态电路单稳态电路的作用是保证锁存器只在每次计数结束才锁存显示值，防止显示的闪烁。另一个作用是保证计数器的数值被锁存后再对计数器清零。单稳态电路可选用集成单稳态触发器 74LS121，74LS123，或用 555 构成。锁存器可选用 74LS273 或 74LS373。5. 选做内容计数、译码和显示部分可选用中规模集成的和四合一集成块 CL102。也可以用专用大规模频率计数器 ICM7216 芯片设计数字频率计。下面介绍一下专用八位

7、通用频率计数器 ICM7216 的特点及性能。ICM7216 是用 CMOS 工艺制造的专用数字集成电路，专用于频率、周期、时间等测量。ICM7216 为 28 管脚，其电源电压为 5V，针对不同的使用条件和用途，ICM7216 有四种类型产品，其中显示方式为共阴极 LED 显示器的为 ICM7216B 型和 ICM7216D 型，而显示方式为共阳级的 LED 显示器的为 ICM7216A 型 和 ICM7216C 型。A、C、D 型的管脚排列定义略有区别，但功能一样，使用时参阅有关 ICM7216 产品手册即可。五、可选用器材1. 数字电路实验箱1个2. 双踪示波器 1台3. 频率计 1台4. 晶振 (1MHZ) 1片5. 数显：LC5011-11 4个6. 电阻、电容 若干7. 集成电路 施密特触发器 74LS14 1片 D触发器 74LS74 1片 单稳态触发器 74LS123 1片 或 74LS121 2片 计数器 74LS90 10片 或 74LS390 5片 定时器 7555/555 2片 译码驱动 74LS248 4片 锁存器