数字频率计

1 设计任务描述

1.1设计题目：数字频率计

1.2 设计要求:

1.2.1 设计目的:

(1)掌握数字周期测量计的构成、原理与设计方法;

(2)熟悉集成电路的使用方法。

1.2.2 基本要求

(1)要求被测信号为方波,峰值为3V到5V(和TTL兼容),被测信号周期范围:10us到1s;

(2)设计石英晶体震荡器及分频系统,闸门时间:1ms,10ms,1s,10s;

(3)可控制的计数、锁存、译码显示系统。

1.2.3 发挥部分

(1)被测信号为三角波信号;

(2)数据溢出报警

2 设计思路

数字周期测量计的设计思路比较明显，主要实现五个功能即可：

被测信号的整形标准信号的产生；被测信号分频；利用闸门将两个信号进行比较；将比较结果，即数字的周期经过计数、锁存、译码、显示。

鉴于以上所需实现的功能，对每一步的器件选择就有了大致的设想。非矩形波整形成矩形波，在这里，我想到了555定时器的一种派生产品，施密特触发器。其功能后文详，此处不再赘述。

标准信号的产生，我选择的是超小型触发器--NL27WZ04，它的结构精简，而其工作最佳状态恰在本设计的要求之内，兼具造价低这一经济效益于一身，让我无法不把它收进设计之中。

被测信号的分频我使用的是74LS290，接成异步十进制计数器，四片级联使每一级的数量级降低十位，如此就可以实现分频。

最后是计数、锁存、译码、显示过程，这部分的器件分别选用了74LS160、74273、7448、七段显示器。

最后，在计数器上加装一个超量程报警器。选用74LS85。寄存之后的信号必须经过译码器才能显示,故在寄存后面用译码器将信号译码,这样输入进来的信号就能显示出来,显示在电子平上。需要注意的是显示屏显示的数字并不是实际的周期，需要一个换算的过程：被测波=显示数字N×闸门单位×2

因为我们做的这个数字周期测量计可能量程方面偏小，所以设置一个超量程报警系统必不可少。超量程报警系统通过一个555定时器外接少量阻容元件，低电位响，响声时间为10秒。

3 设计方框图

4 各部分电路设计及参数计算

本设计电路主要分为5大部分，分别是整形电路部分，分频电路部分，主要控制电路部分，计数、译码、锁存电路部分和显示电路部分，以下为具体功能及参数计算。

4.1 整形电路

整形电路主要由一个555定时器，一个电阻组成，将定时器的8脚4脚接电源，1脚接地5脚接电容接地，7脚接电阻接5v电源，2脚和6脚相联作为输入端，7脚作为输出端，这样就构成了一个施密特触发器，起到整形作用

4.1.1工作原理

①当Ui由0上升至≤Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。

②当Ui上升，在Ucc*1/3至Ucc*2/3之间，Uc1=1,Uc2=1，触发器保持，Q=U0=1。

③当Ui≥Ucc*2/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平复位，Q=U0=0。

④当Ui由Ucc*下降至≤Ucc*1/3时，Uc1=1,Uc2=0，触发器低电平置位，Q=U0=1。

图4.1 555定时器组成的施密特触发器

若输入电压的波形是个三角波，则对应的输出波形如图7.5所示，它是反相输出的施密特触发器。

图4.2三角波整形为方波

若输入电压为正弦波，同理。

4.1.2电路特点

施密特触发器具有滞回特性，即输出电压由高电平跳变为低电平时所对应的输入电压Ui和由低电平跳变为高电平所对应的输入电压Ui是不同的。

4.2分频电路

分频电路由4个集成同步4位二进制递增计数器74LS161组成。

一级分频原理是每输入4个脉冲波形输出一次信号，这就实现了将周期扩大4倍的功能。

二级分频是将一级分频后的信号再次处理，将周期扩大10倍，三级，四级同理，这样就将石英晶体振荡器的发出的周期为信号分别变为100HZ,10HZ,1HZ和0.1HZ的信号，在通过相应的闸门传输。

4.3主要控制电路

主控电路主要包括两个555定时器组成的延时电路和一与门的控制门电路组成，作用是控制整个系统的传输。

4.3.1延时电路

此电路是由两个555定时器组成的，555定时器的作用是单稳电路延时作用，连接方式入下图4. 3

图4.3 555定时器组成的延时电路

Uo1----为一次延时输出端,用于给我锁寸信号

Uo2----为二次延时输出端,用于输出清零信号

4.3.2参数计算

输出脉冲宽度等于暂稳态时间,也就是电容充电时间. Uc(0+)=0 , Uc(∞)=Vcc,Uc(Tw)=2Vcc/3;

Tw=τln[Uc(∞)- Uc(0+)]/[ Uc(∞)- Uc(Tw)]

=RCln(Vcc-0)/(Vcc-3/2Vcc)

=RCln3

=1.1RC

=1.1×910MΩ×0.01μF

=10s

R——电阻，Ω/kΩ/MΩ；

C——电容，μF；

f——频率，HZ；

tω——报警器报警时间，s。

5 工作过程分析

我所做的数字周期测量计的工作过程大体为：信号通过选择开关直接或经过整形放大间接输入分频电路；由NL27WZ04Q超小型振荡器产生符合题设要求大小的标准周期频率，将标准周期信号与被测信号的分频周期一同送入与门，输入计数器的CP端，使计数器工作；另两片555组成的控制电路可控制锁存器工作的延迟时间，使数字的显示有间隔时间。

测量需要一个周期小的波，本设计用的是超小振荡器产生4MHz的波，也就是波长为1/4μs的波。然后将它的波长先扩大4倍，得到1μs波长的波，我们以它为基准波，扩大4倍的原因是便于计算。然后将被测波与基准波进行依次与运算，从而得到了被测波的的一个高电平相当于几个基准波的高电平，我们把得到的数记为N。由于课题要求测量范围是1HZ到999HZ，所以，得到被测波的高电平的范围是0.5s到5μs，所以可以得出N的范围是5到0.5*106，设计一个闸门，对基准波进行扩大，而使N的值变小以达到四位显示器能显示的范围。把基准波分别扩大10倍，100倍和1000倍得到10μs，100μs和1000μs的基准波，这就解决了数位太多的问题。将上一步得到的脉冲为N的波就可以给计数器进行计数，需要有四位显示，所以设计了四个计数器，每个计数器满10则向下一位进1，分别对应个位，十位，百位，千位。