数字频率计逻辑电路设计

课题三数字频率计逻辑电路设计

一﹑简述

在进行模拟﹑数字电路的设计﹑安装和调试过程中，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，即在单位时间里（如1秒）所统计的脉冲个数，如图3.1计数时序波形图所示。频率数即为在1秒内通过与门的脉冲个数。

图3.1(a)门控计数

图3.1(b)门控序列

通常频率计是由输入整形电路﹑时钟振荡器﹑分频器﹑量程选择开关﹑计数器﹑显示器等组成。如图3.2所示。

图3.2 方框图

图3.2中，由于计数信号必须为方波信号，所以要用史密特触发器对输入波形进行整形，分频器输出的信号必须为1Hz，即脉冲宽度为1秒，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，结果由七段显示器显示。二﹑设计任务和要求

设计一个八位的频率计数器逻辑控制线路，具体任务和要求如下：

1. 八位十进制数字显示。

2. 测显X围为1Hz~10MHz。

3. 量程分为四档，分别为*1000﹑*100﹑*10﹑*1。

三﹑可选用器材

1. NET系列数字电子技术实验系统

2. 直流稳压电源

3. 集成电路：频率计数器专用芯片ICM7216B，74LS93，74LS123，74LS390，7555及门电路

4. 晶振：8MHz，10MHz

5. 数显：CL102，CL002，LC5011—11

6. 电阻﹑电容等

四﹑设计方案提示

数字频率计可分为三部分进行考虑：

1. 计数﹑译码﹑显示

这一部分是频率计数器不可少的。即外部整形后的脉冲。通过计数器在单位时间里进行计数﹑译码和显示。计数器选用十进制的中规模（TTL/CMOS）集成计数器均可，译码显示可采用共阴或共阳的配套器件。例如计数器选用74LS161，译码器为74LS248，数显器为LC5011—11。也可选用四合一计数﹑寄存﹑译码﹑显示CL102或专用大规模频率计数器ICM7216芯片等。

中规模组成的计数﹑译码显示和四合一的数显。我们在基本实验和前几个课题中都已使用过，使用时，可参阅有关章节。下面介绍一下专用八位通用频率计数器ICM7216的特点及性能。

ICM7216是用S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ICM7216 B型和D型，而显示方式为共阳极LED显示器的为ICM7216 A型和C型。图3.3为ICM7216B型的外管脚排列图。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。

图3.3 ICM7216B型的外管脚排列图

在图3.3中，各管脚的功能为：

a~f：为七断数码管的输出端，ICM7216 B接共阴数码管。

fA﹑fB：频率计数输入端。

V+：电源正极，为单电源5V。

GND：电源地端。

HOLD：保持控制输入端，高电平有效。

：复位输入端，低电平有效。

dp：数码管小数点。

OSC0，OSC1：晶振输入端，可以直接选用10MHz或1MHz晶振构成高稳定时钟振荡。EOI：它是EX-OSC-IN的缩写，即外时钟输入端。若用外时钟，则不需要在OSC0﹑OSC1端接晶振。

D1~D8：显示器段扫描输出位及控制用连线位。用于控制选择CONT，功能选择FUNC，量程选择RANGE，具体功能见表3.1。

表3.1 ICM7216B功能选择

控制端连接位功能

控制选择CONT D4

D8

D2

D1

D3

D5

当HOLD=0时消隐显示器

显示器全亮(被测)

选用1MHZ晶振

选用外振荡器时钟

选用外控dp工作

器件测试分析用

功能选择D1测频率Fa(F)

CONT：控制选择输入端。

FUNC：功能选择输入端。

RANGE：量程选择输入端。

在应用过程中，各控制端（CONT﹑FUNC﹑RANGE）应串10kΩ电阻分别接到连接位（D1~D5或D8），以提高其抗干扰能力。

它的具体应用见参考电路3.5所示。

2.整形电路

由于待测信号是各种各样的，有三角波﹑正弦波﹑方波等，所以要使计数器准确计数，必须将输入波形进行整形，通常采用的是史密特集成触发器。史密特触发器也可由555（7555）或其它门电路构成。

3.分频器

分频器一般由计数器实现，例如用十进制计数器去分频。获得1Hz。

十进制计数器用74LS160﹑74LS161﹑74LS90﹑74LS290、74LS390等均可实现。

4.量程选择

由于输入频率有大有小，所以当测低频时，量程开关选择在*1或*10位置，而测高频时，应设置*100或*1000位置，在电路处理上就是将单位时间缩小为1/1000、1/100、1/10等，即在1/1000 秒测得的数值，其量程为数显值*1000；1/100 秒测得的数值，其量程值为数显值*100，余类推。所以我们这里选用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。

五﹑参考电路

根据设计任务的要求，频率计逻辑电路可用大中规模集成电路或专用频率计数器构成，参考电路分别如图3.4和图3.5所示。

图3.4

图3.5

六﹑参考电路简要说明

1.图3.4采用八只CMOS电路CL102四合一显示完成计数﹑译码﹑显示功能。

输入待测频率经7555电路进行整形后，输入给CL102进行计数。

由晶振（8MHz）与门电路组成的振荡器经74LS93和74LS390分频后，分别获得1M﹑105﹑104﹑103﹑102﹑101﹑1Hz。图中74LS93为8 分频器，74LS390为双十进制计数器。1Hz控制计数器的计数时间，在计数器清零之前，将计数器的计数值送显示器，其时序电路如图3.6所示。

图3.6清零送数时序波形图

74LS123是单稳态触发器，其主要作用：U1是将1Hz脉冲变成窄脉冲，将CL102计数器数据寄存显示；U2产生的窄脉冲是计数器的清零脉冲，相对于送数脉冲延时了100ns 左右，以保证寄存器的数据正确，其频率由开关K分别置在4﹑3 ﹑2﹑1位置，即可完