畢業(yè)設(shè)計(jì)----數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　摘要:本論文是一種直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的測(cè)量裝置。它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波的頻率，而且還可以測(cè)量其它各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量的頻率。該頻率計(jì)是首先將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率。時(shí)鐘電路提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)閘門信號(hào)為高電平時(shí)，閘門開(kāi)通，被測(cè)

2、信號(hào)的脈沖通過(guò)閘門送入計(jì)數(shù)顯示電路進(jìn)行顯示；當(dāng)閘門信號(hào)為低電平時(shí)，閘門關(guān)斷，計(jì)數(shù)器沒(méi)有時(shí)鐘脈沖輸出，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:頻率 顯示 閘門 秒信號(hào)</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展與普及，“頻率”已成為廣大群眾所熟悉的物理量。調(diào)節(jié)收音機(jī)上的頻率刻度盤可以使我們選聽(tīng)到

3、自己所喜歡的電臺(tái)節(jié)目；調(diào)節(jié)電視機(jī)上的微調(diào)旋鈕可使電視機(jī)對(duì)準(zhǔn)電視臺(tái)的廣播頻率，獲得圖像清晰的收看效果，這些已成為人們的生活常識(shí)。</p><p>　　人們?cè)谌粘Ｉ?、工作中更離不開(kāi)計(jì)時(shí)。學(xué)校何時(shí)上、下課？工廠幾時(shí)上、下班等這些都涉及到計(jì)時(shí)。頻率、時(shí)間的應(yīng)用，在當(dāng)代高科技中顯得尤為重要。例如，郵電通訊，大地測(cè)量，地震預(yù)報(bào)等等，都與頻率、時(shí)間密切相關(guān)，只是其精密度和準(zhǔn)確度比人們?nèi)粘Ｉ钪械囊蟾叩枚嗔T了。 本次

4、設(shè)計(jì)主要采用計(jì)數(shù)法制成一個(gè)測(cè)量范圍在0～9999Hz的頻率計(jì)。該頻率計(jì)閘門信號(hào)的采樣時(shí)間為1s，并采用4位數(shù)碼管顯示。它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波的頻率，而且還可以測(cè)量其它各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量的頻率。</p><p>　　一、數(shù)字頻率計(jì)的組成</p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)電路主要由串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、整形電路、10分頻電路、時(shí)鐘電路、閘門形成及控制電路、計(jì)數(shù)顯示電路等組成。<

5、;/p><p>　　電路組成框圖1-1如下:</p><p>　　待測(cè)信號(hào) 整形電路 10分頻電路 閘門形成及控制電路 </p><p>　　串聯(lián)型穩(wěn)壓電源 時(shí)鐘電路 計(jì)數(shù)顯示電路 </p>

6、<p><b>　　電路組成框圖1-1</b></p><p>　　二、設(shè)計(jì)所用集成電路簡(jiǎn)介</p><p>　　1.集成電路NE555概述</p><p>　　NE555是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，它常應(yīng)用于信號(hào)的產(chǎn)生與變化、電路的檢測(cè)與控制。芯片采用雙列直插式封裝，有八個(gè)管腳。NE555引腳圖2-1和功能如下<

7、;/p><p><b>　　圖2-1</b></p><p><b>　　引出端功能符號(hào)：</b></p><p>　　: 置位控置制端，也稱電平觸發(fā)端: 復(fù)位端，低電平有效</p><p>　　Q: 電路的輸出端CO: 電壓控制端TH: 復(fù)位控制端DIS: 放電端</p>

8、<p><b>　　Vcc: 電源端</b></p><p>　　GND: 接地腳2.集成電路CD4518概述</p><p>　　集成電路CD4518是一個(gè)雙BCD碼加法計(jì)數(shù)器。它有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN，若使用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，信號(hào)就從CP端輸入，同時(shí)EN端應(yīng)接高電平1，若使用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)，信號(hào)就從EN端輸入，此時(shí)的CP端應(yīng)該為低電平0，而且復(fù)位端M

9、R也要保持低電平0，只有滿足了這些條件，電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，否則計(jì)數(shù)器沒(méi)辦法工作。</p><p>　　CD4518引腳圖2—2和功能如下：</p><p><b>　　圖2—2</b></p><p><b>　　引出端功能符號(hào)：</b></p><p>　　CP： 時(shí)鐘輸入端

10、 </p><p>　　MR： 消除端 </p><p>　　EN： 計(jì)數(shù)允許控制端</p><p>　　1Q0-1Q3;2Q0-2Q3：計(jì)數(shù)輸出端 </p><p>　　GND：接地端 </p><p><

11、b>　　VCC：電源端</b></p><p>　　3.集成電路CD4060概述</p><p>　　集成電路CD4060 采用16腳DIP封裝，是由一個(gè)振蕩器和 14 級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成。振蕩器的結(jié)構(gòu)可為晶體振蕩電路或RC振蕩電路。它將晶體振蕩器的振蕩頻率32768HZ信號(hào)分頻為2HZ的時(shí)鐘信號(hào)，送到CD4017,作為它的時(shí)鐘輸入信號(hào)，用來(lái)產(chǎn)生1S寬的閘門信號(hào)。復(fù)

12、位端MR 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清0而且振蕩器工作停止。所有的計(jì)數(shù)器都為主-從觸發(fā)器，在的下降沿，計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)。在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間無(wú)限制。</p><p>　　CD4060的管腳圖2-3和功能如下:</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p><b>　　引出端功能符號(hào)：&l

13、t;/b></p><p><b>　　MR： 復(fù)位端</b></p><p>　　：時(shí)鐘輸入端 </p><p>　　COUT：時(shí)鐘輸出端</p><p><b>　?。悍聪驎r(shí)鐘輸出端</b></p><p>　　Q4-Q10,Q12-Q1

14、4：計(jì)數(shù)器輸出端</p><p>　　VCC： 正電源端 </p><p><b>　　GND： 接地端</b></p><p>　　4.集成電路CD4017概述</p><p>　　集成電路CD4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)/時(shí)序譯碼器，又稱十進(jìn)制計(jì)數(shù)脈沖分頻器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，性能穩(wěn)定，工藝成

15、熟，使用方便。</p><p>　　CD4017的基本功能是對(duì)CP端輸入脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)，并按照輸入脈沖的個(gè)數(shù)順序?qū)⒚}沖分配在 Y0～Y9 這10個(gè)輸出端。 整個(gè)輸出時(shí)序就是Y0～Y9依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平(一般為低電平),寬度等于時(shí)鐘周期。</p><p>　　CD4017共有三個(gè)輸入端CP、MR、EN 和10 個(gè)譯碼輸出端（Y0～Y9）。MR為復(fù)位清0端，當(dāng)在MR端輸入高

16、電平或正脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器清0，所有輸出中只有對(duì)應(yīng)“0”狀態(tài)時(shí)Y0端輸出高電平，其余輸出端(Y1～Y9)均為低電平；時(shí)鐘輸入端CP有一個(gè)施密特觸發(fā)器它具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間無(wú)限制 ,用于上升沿計(jì)數(shù)；EN為計(jì)數(shù)有效端，用于下降沿計(jì)數(shù)，彼此間有互鎖關(guān)系，若利用CP計(jì)數(shù)時(shí)，EN端應(yīng)接地（低電平），而要利用EN端計(jì)數(shù)時(shí)，CP端應(yīng)接高電平，反之則形成互鎖；CO為進(jìn)位端，CD4017每輸入10個(gè)脈沖，就可得到一個(gè)進(jìn)位脈沖，所

17、以CO也可以作為下一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　CD4017管腳圖2-4和功能如下：</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p><b>　　引出端功能符號(hào)：</b></p><p><b>　　CO: 進(jìn)位端</b></p>

18、<p>　　CP : 時(shí)鐘輸入端 </p><p>　　Y0～Y9:譯碼輸出端 </p><p>　　MR : 復(fù)位清0端 </p><p>　　EN : 計(jì)數(shù)有效端</p><p>　　VCC: 正電源 </p><p><b>

19、;　　GND: 接地端</b></p><p>　　5.集成電路CD40110概述</p><p>　　集成電路CD40110是可逆計(jì)數(shù)譯碼顯示電路，它是集計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存、驅(qū)動(dòng)為一體的四合一電路，它既可以作加法計(jì)數(shù)，又可以作減法計(jì)數(shù)。由于電路內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘輸入端計(jì)數(shù)工作時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘輸入端可以是任意狀態(tài)；MR為清零端，為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器清零；QC

20、O為進(jìn)位脈沖輸出端，作加法計(jì)數(shù)時(shí)，每當(dāng)計(jì)數(shù)滿10后，輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖；QBO為借位脈沖輸出端，作減法計(jì)數(shù)時(shí)，每當(dāng)計(jì)數(shù)滿10后輸出一個(gè)借位脈沖，他們一般為高電平；為觸發(fā)器控制端，＝0時(shí)計(jì)數(shù)器工作，＝1時(shí)計(jì)數(shù)器處于禁止?fàn)顟B(tài)不計(jì)數(shù)；LE為鎖存控制端，當(dāng)LE=0時(shí)正常顯示，當(dāng)LE=1時(shí)顯示數(shù)被鎖定。</p><p>　　CD40110的引腳圖2-5和功能如下：</p><p><b>　

21、　圖2-5</b></p><p><b>　　引出端功能符號(hào)：</b></p><p>　　a～g: 數(shù)碼筆段輸出端</p><p>　　LE: 鎖存控制端</p><p>　　MR: 清零端</p><p>　　: 觸發(fā)器控制端</p><p&g

22、t;　　CPU: 加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端</p><p>　　CPD: 減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端</p><p>　　QCO: 進(jìn)位脈沖輸出端</p><p>　　QBO: 借位脈沖輸出端</p><p>　　VCC: 正電源端</p><p><b>　　GND: 接地端</b></p>

23、;<p><b>　　三、單元電路分析</b></p><p><b>　　1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　它可以將220V的直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，給整個(gè)電路提供了6V直流穩(wěn)壓電源。該電路由變壓器（起降壓作用）、整流、濾波、穩(wěn)壓幾個(gè)部分組成。</p><p>　　當(dāng)輸入電壓上升，輸出電壓隨

24、著上升，取樣電路中的元件分得的電壓就上升，VT3的基極電壓也上升，集電極電壓就會(huì)下降，導(dǎo)致VT2的基極電壓下降，VT1的基極電壓也隨著下降，而VT1的集射極電壓升高，使輸出電壓又恢復(fù)到+6V。相反，當(dāng)輸入電壓下降，輸出電壓隨著下降，R3、R4、RP1分得的電壓下降，VT3的基極電壓下降，集電極電壓就會(huì)上升，VT2的基極電壓隨著上升，VT1的基極電壓也上升，使輸出電壓又恢復(fù)到+6V。電路圖3-1如下：</p><p&g

25、t;　　串聯(lián)型穩(wěn)壓電源3-1</p><p><b>　　2.整形電路</b></p><p>　　整形電路是將待測(cè)信號(hào)如正弦波、三角波或其它呈周期性變化的波形，整形變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，其周期不變。</p><p>　　施密特觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路之一,它可以把變化緩慢的脈沖波形變換成為數(shù)字電路所需要的矩形脈沖。</p&g

26、t;<p>　　本設(shè)計(jì)由NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖3-2a所示，將高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端T  連接在一起作為信號(hào)輸入端Ui。</p><p>　　設(shè)待測(cè)信號(hào)為三角波，輸入整形電路后輸出為脈沖波形，二者頻率相同，波形如圖3-2b所示。</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)Ui＜ 1/3Vcc時(shí), Uo輸出為高電平；若Ui增加,使得1/3Vcc＜U

27、i＜2/3Vcc時(shí),電路維持原態(tài)不變,輸出Uo仍為高電平；如果輸入信號(hào)增加到Ui≥2/3Vcc時(shí)，Uo從高電平翻轉(zhuǎn)成低電平；當(dāng)輸入信號(hào)Ui＜ 2/3Vcc時(shí)，電路維持原態(tài)不變，輸出Uo仍為低電平； Ui繼續(xù)降低到 Ui＜ 1/ 3Vcc時(shí)，Uo又從低電平翻轉(zhuǎn)成高電平。輸出電壓Uo是一個(gè)矩形波。由圖3-2b可以看出，回差電壓=2/3Vcc-1/3Vcc=1/3Vcc。</p><p><b>　

28、　3-2a</b></p><p><b>　　圖3-2b</b></p><p><b>　　3.10分頻電路</b></p><p>　　分頻電路的作用是對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻，取得不同量程所需要的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)量程控制。CD4518為雙十分頻器，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行10、100分頻，擴(kuò)大測(cè)量范圍。測(cè)量范

29、圍可通過(guò)S1、S2、S3調(diào)整，S1閉合，電路未經(jīng)分頻電路，測(cè)量范圍為0～99HZ；S2閉合，電路為10分頻，測(cè)量范圍為0～999HZ；S3閉合，電路為100分頻，測(cè)量范圍為0～9999HZ (S1～S3不能同時(shí)閉合)。</p><p><b>　　4.時(shí)鐘電路</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量必備環(huán)節(jié)為時(shí)鐘電路，它用來(lái)產(chǎn)生控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)即閘門信號(hào)

30、，閘門脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的方波信號(hào)，再經(jīng)分頻器分頻得到的，它的精度決定了頻率計(jì)的頻率測(cè)量精度。在此頻率計(jì)中，時(shí)鐘電路由晶體振蕩器和CD4060等元件組成。晶體振蕩器JT的振蕩頻率為32768HZ，頻率較低，有利于減少分頻器級(jí)數(shù)，是專為數(shù)字時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)的。而CD4060在數(shù)字集成電路中可實(shí)現(xiàn)的分頻次數(shù)最高，它還包含振蕩電路所需的非門，使用很方便。CD4060為14級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它可以將32768HZ的信號(hào)分頻為2HZ的信號(hào)，而

31、且它的兩個(gè)時(shí)鐘輸出端直接和內(nèi)部的非門串接，可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。VD5為發(fā)光二極管，時(shí)鐘電路正常工作時(shí)，發(fā)光二極管以2HZ的頻率閃爍。</p><p>　　5.閘門形成及控制電路</p><p>　　閘門電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。時(shí)鐘電路產(chǎn)生的2HZ時(shí)鐘信號(hào)送到CD4017（十進(jìn)計(jì)數(shù)器），作為它的時(shí)鐘輸入信號(hào) ，用來(lái)產(chǎn)生1S寬的閘門信號(hào)，并在每一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器清

32、0信號(hào)。1S寬的閘門信號(hào)控制CD40110接受計(jì)數(shù)脈沖的周期，CD40110在1S內(nèi)接受了多少個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，直接譯碼顯示出計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，而閘門控制時(shí)間為1S，所以，數(shù)碼管顯示的就是我們要求的被測(cè)信號(hào)的頻率。</p><p><b>　　6．計(jì)數(shù)顯示電路 </b></p><p>　　在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開(kāi)始計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)中有多少個(gè)上升沿，在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)

33、計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字，電路里產(chǎn)生計(jì)數(shù)清0信號(hào)和鎖存控制信號(hào)。這些都由集計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存、驅(qū)動(dòng)為一體的四合一電路CD40110來(lái)完成。它不僅可作加法計(jì)數(shù)，還可以作減法計(jì)數(shù)，不僅如此，它還有計(jì)數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。所以，它將計(jì)數(shù)器輸出的二進(jìn)制代碼翻譯成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)并顯示出來(lái)。顯示部分的LED采用共陰極七段數(shù)碼顯示器。</p><p><b>　　四．整體電路分析&

34、lt;/b></p><p>　　數(shù)字頻率計(jì)實(shí)際上是一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，即在單位時(shí)間里計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)，如圖4-1計(jì)數(shù)時(shí)序波形圖所示: ②為閘門脈沖，假設(shè)閘門時(shí)間為1s,計(jì)數(shù)數(shù)值為N個(gè)脈沖，則被測(cè)信號(hào)①的脈沖頻率為：f=NHZ</p><p><b>　　①</b></p><p><b>　?、?lt;/b></p>

35、;<p><b>　?、?lt;/b></p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　被測(cè)信號(hào)Ui首先經(jīng)過(guò)整形電路，轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)器所需要的脈沖信號(hào)如圖4-1中①，它的周期等于被測(cè)信號(hào)的周期，然后送給CD4518進(jìn)行分頻來(lái)擴(kuò)大量程

36、。S1閉合最大測(cè)量范圍為0～99，S2閉合最大測(cè)量范圍為0～999，S3閉合最大測(cè)量范圍為0～9999。時(shí)鐘電路提供準(zhǔn)確的時(shí)間脈沖信號(hào)如圖4-1中②，它是由晶體振蕩器JT產(chǎn)生的32768HZ的信號(hào)，經(jīng)過(guò)14級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻得到的。它用來(lái)控制計(jì)數(shù)和保持狀態(tài)。當(dāng)脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器為計(jì)數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)就被送到顯示器進(jìn)行顯示，然后對(duì)計(jì)數(shù)器清0，準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù)。脈沖信號(hào)為高電平持續(xù)1秒鐘，計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的脈沖數(shù)N

37、如圖4-1中③就是被測(cè)信號(hào)的頻率，即f=NHZ。 脈沖信號(hào)為高電平持續(xù)的時(shí)間，我們稱為閘門時(shí)間，閘門時(shí)間可以大于或者小于1S。閘門時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)得的頻率值越準(zhǔn)確，但是每測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)，閘門時(shí)間越短測(cè)的頻率值就越快，但得到的頻率精度會(huì)受到影響。</p><p>　　電路原理圖4-2如下所示：</p><p><b>　　電路原理圖4-2</b></p>

38、<p><b>　　五.調(diào)試方法和要求</b></p><p><b>　　1.主要性能指標(biāo)</b></p><p>　　(1)穩(wěn)壓電源輸出電壓為（6±0.2）V</p><p>　　(2) 施密特觸發(fā)器正常工作時(shí)，在CD4518的1腳可以測(cè)到方波輸入信號(hào)。</p><p>

39、　　(3)時(shí)鐘電路正常工作時(shí)，通過(guò)CD40110產(chǎn)生正確的控制信號(hào)。</p><p><b>　　2.調(diào)試方法</b></p><p>　　(1)接通電源,調(diào)節(jié)電位器RP1,使直流穩(wěn)壓電源輸出電壓(6±0.2)V</p><p>　　同時(shí)測(cè)各集成電路電源插腳的電源電壓是否正常。</p><p>　　(2)接通電

40、源，檢查整形電路是否正常工作，如果電路正常工作，則應(yīng)該在NE555的3腳輸出接近方波信號(hào)。</p><p>　　(3)斷電后插上集成電路，再接通電源。如果時(shí)鐘電路正常，那么發(fā)光二極管VD5就會(huì)以2HZ的頻率閃爍，在VT6的集電極會(huì)產(chǎn)生1S的低電平閘門信號(hào)。</p><p>　　(4)合上撥碼開(kāi)關(guān)S1～S3中的任意一個(gè)（不可以同時(shí)合上兩個(gè)或三個(gè)），計(jì)數(shù)器將以1S為周期重復(fù)測(cè)量并顯示被測(cè)信號(hào)的

41、頻率（開(kāi)關(guān)在不同位置時(shí)，顯示結(jié)果就不同），顯示結(jié)果如下表。</p><p>　　頻率測(cè)量記錄 單位：HZ</p><p><b>　　六．元件清單</b></p><p>　　1.元器件明細(xì)表6-1如下：</p><p><b>　　續(xù)表</b></p>

42、<p><b>　　表6-1</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）劉進(jìn)峰 《電子制作實(shí)訓(xùn)》 北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2006</p><p>　　（2）張偉林 《數(shù)字電子技術(shù)》 北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2006</p><p>