简易数字频率计

1、数字电路设计报告设计课题： 简易频率计数器 专业班级： 13电信卓越班 学生姓名： 黄赵 学号：130803012指导教师： 许粮老师 设计时间： 2015年1月4日 简易数字频率计的设计与实现一、设计任务与要求1掌握使用小规模电路组合成专门功能电路的设计方法和步骤；2设计的电路实现对0999,1000进制计数器频率的精确测量；3 掌握影响测量脉冲波形参数的定时原件数值的计数方法。二、方案设计与论证数字频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种物理量的变化频率进行测量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间

2、里经过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以有关传感器先转变成周期变化的信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出来。方案一、使用石英晶体稳频的多谐振荡器作为时基单元 右图为由门电路组成的石英晶体稳频的多谐振荡器的电路结构和电路符号。可以看出将石英晶体与对称式多谐振荡器的电容串联起来，就组成了右图的石英晶体振荡器。方波两个电容，,充放电，晶振两个反相器，2.方案二、使用555定时器接成的多谐振荡器作为时基单元 右图为由定时器和外接元器件，构成的多谐振荡器，脚与脚直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外接触发信号，利用电源通过，向电容充电，以及通过向放电

3、端放电，使电路产生自激振荡。方波NE555自激振荡RC充放电通过分析，使用555构成的自激多谐振荡器可以调节时基信号，使测量范围更加广，测量更加精确再结合设计电路性能指标、器件的性价比，本设计电路选择方案二。三、单元电路设计与参数计算 简易数字频率计由主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显

4、示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。测量电路被测信号 显示电路档位转换总体设计图简易数字频率计原理图3.1振荡器电路设计3.1.1 555定时器的内部结构555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图（A）及管脚排列如图（B）所示。 它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5的等值电阻串联而成。分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放、组成。高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后

5、，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态受比较器、的输出端控制。 3.1.2 555定时器的工作原理 由555定时器组成的多谐振荡器如图(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保

6、持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。3.1.3 555定时器的振荡周期由图（D）可知，振荡周期。为电

7、容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比。 3.2时基电路设计：时基电路: 用555定时器和电容、电阻组成多谐振荡器产生1Hz的脉冲，根据书中的振荡周期 : T=(R1+R2)C*ln2 取C=10uF，R1=2K，T=1s，计算得:R2=70.43K，再通过T触发器T_FF把脉冲正常高电平为1s的脉冲。 NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的

8、RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是R、T、TH。3.3.3 放大整形电路电路设计 CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR为高电平时，计数器清零。Johnson计数器，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有

9、在对应时钟周期内保持高电平。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。 4017的引脚图和真值表 CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。 CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为315V之外，其余接脚为： A、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。B、数据输出脚：a、 Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为*后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo 电位。b、CARRY OUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRY

10、OUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。D、 控制脚：a、 CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。b、CLOCK ENABLE(Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。3.3.4 闸门电路: 用一个与非门74LS00作为脉冲能否通过的闸门，当定时信号Q为高电平时，闸门打开，输入信号进入计数电路进行计数，否则，其不能通过闸门。 3.3.5计数和显示电路: ,计数电路用3片CD40110计数器组成1000进制的计数

11、电路，显示电路由3个LED数码管组成。 为了提高计数速度，可采用同步计数器。其特点是计数脉冲作为时钟信号同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，在每次时钟脉冲沿到来之前，根据当前计数器状态，利用逻辑控制电路，准备好适当的条件。当计数脉冲沿到来时，所有应翻转的触发器同时翻转，同时也使用所有应保持原状的触发器不该变状态。 被测信号经过整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，Tx=1s，则闸门打开的时间也为1s，在此期间内，周期为的标准脉冲通过闸门进入计数器计数。 40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状 态锁存，七段显示译码输出等功能。40110有 2个计数时钟

12、输入端CPU和 CPD分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输入。由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。40110的进位输出CO和借位输出 BO一般为高电平，当计数器从09时，BO输出负脉冲；从90时CO输出负脉冲。在多片级联时，只需要将CO和 BO分别接至下级 40110的 CPU和 CPD端，就可组成多位计数器。四、总原理图及元器件清单1总原理图四、总电路工作原理及元器件清单1.总原理图：3.元件清单 元件序号型号主要参数数量备注（单价） 1CD40110GK7491AG3块 2CD401762F2X6KE41块 374LS001

13、块 4EN555K104G41块 51N4148二极管2个 6电解电容100uF1个 7电容 0.2uF1个 850k滑动变阻器1个 9导线若干图简易数字频率计电路图五、仿真： 采用Professional仿真，可以实现设计要求 1、 在信号输入端输入100Hz的交流脉冲，仿真，结果如下: 仿真结果准确 2、在信号输入端输入150Hz的交流脉冲，仿真，结果如下: 说明仿真的结果准确3、在信号输入端输入10Hz的交流脉冲，仿真，结果如下: 说明仿真的结果准确六、安装与调试1.电路安装电路焊接：按照仿真电路图进行电路焊接，焊接时应注意对应各芯片引脚，其中应特别注意各个器件的布局与连线（尽量做到没有

14、过桥线，不出现短路，脱焊现象）；对器件进行焊接时，焊接时间不宜过久，以避免烧坏器件；数码管要接地，各芯片要注意接地和接电源；焊接时，最好使用底座来插芯片，以避免电烙铁温度太高，损坏芯片等。 2.电路调试 接通电源之前先用万用表测量各连线和芯片引脚，检查是否存在虚焊，短路，开路，没有接电源的现象，尽量在开始实验之前排除问题，以得到预期设计要求，实验效果。七、性能、功能测试与分析1、.功能电路测试与分析（1） 测试步骤A. 接通电源，调节电位器，使时基电路产生1HZ的脉冲信号；B. 拨动开关，选择合适的模式，接入不同信号进行调试；C. 观察数码管显示的示数，与输入信号进行比较，记录并分析实验误差。

15、（2） 结论分析比较数码管的示数和输入信号，在误差允许的范围内，设计的简易数字频率计可以实现1S内不同输入信号的频率计数，设计合理。焊接实物图如图所示：实验过程截图：8、 结论 设计任务完成情况通过为期两周的课程设计，完成了本次设计的技术指标，刚开始设计的时候，由于控制电路这部分比较难搞定，所以在连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最后搞定控制电路的连接。最后完成的一块电路板，它所实现的功能就是可以测被测信号的频率，周期和脉宽。在调测的过程中发现测量频率时，档位在1Hz999Hz，最

16、终得到的结果的误差稍微大了点，其他的测量结果非常接近测量值。问题及改进在设计的555构成多谐振荡器输出的方波信号，由于电路里面使用的电容元件，在实验的时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，把产生的方波信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使输出的信号非常接近1KHz，这样的话在后面的测量中会减小误差。在调测计数显示电路的时候，在连接4511元件的时候忘记了将4511的5端接地，导致数码管无法计数，在实验的过程中，连接好电路以后，发现没反应，然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输出信号

17、，看看是不是和理论的一样。找出不符合理论的那部分，对照电路图进行检查修改，最后发现有的芯片的使能端没有接地，导致元件的功能没有实现。所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。不然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。在最终测量频率很低的时候，那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。例如，当被测信号为0.5Hz时，其周期为2s，这时闸门的脉冲仍为1s显然是不行的。故应该加宽闸门脉冲的宽度假设闸门脉冲宽度加至10S，则闸门导通期间可计数5次，由于计数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.加宽闸门信号也会带来一些问题：计数结果要进行除以10的运算，每次测量的时间最少要

18、10s，时间过长不符合人们的测量习惯，由于闸门期间计数值过少，测量的精度也会下降。为了克服测量低频信号时的不足，可以使用另一种算法。将被测信号送入被测信号闸门产生电路，该电路输出一个脉冲信号，脉宽与被测信号的周期相等。再用闸门产生电路输出的闸门信号控制闸门电路的导通与开断。设置一个频率精度较高的周期信号（例如10KHz）作为时基信号，当闸门导通时，时基信号通过闸门到达计数电路计数。由于闸门导通时间与被测信号周期相同，则可根据计数器计数值和时基信号的周期算出被测信号的周期T。T=时基信号周期*计数器计数值。再根据频率和周期互为倒数的关系，算出被测信号的频率f。这里面就提供一个思想。没有通过实践去验证。不可避免，这个算法也有它自己的缺陷。实验心得本次实验让我们体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在实习的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但