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數字頻率計設計
一、設計任務
設計一個數顯頻率計。要求如下：
1、測量頻率采用4位LED數字顯示。
2、頻率測量范圍1Hz~1MHz。
3、分辨率：1Hz。
4、輸入信號波形：正弦波、方波、三角波。
5、輸入信號幅度：0.5~5V。
6、量程選擇：×1、×10、×100三檔。
二、設計方案分析
所謂“頻率”就是周期信號在單位時間（1秒）內變化的次數。若在一定的時間間隔T
內將信號變化的次數N測量出來，即可測量出信號的頻率，傳統的測量頻率的方法就是直接測頻法。為了說明直接測頻法的工作原理，可參考圖 所示的方框圖。首先將被測量的信號通過脈沖整形電路轉換成脈沖信號，然后將其輸入到“閘門”的一個輸入端�！伴l門”的另一個輸入信號是來自“門控電路”的輸出，“門控電路”信號的輸出時間T非常準確，T是由一個高穩定的石英晶體振蕩器和一系列的分頻器形成的，當“門控電路”輸出時間T時，“閘門”被打開，被測量的脈沖信號通過閘門，送入到計數、譯碼顯示電路上，若選擇合適的T(假設1秒)，則計數器計數的脈沖個數就是要測量的信號的頻率。由于“閘門”的開啟時刻與計數脈沖之間的時間關系是不相關的，即它們在時間上是隨機的，所以測頻存在“±1”誤差，在T(一般1秒)一定時，計數頻率越高，測頻相對誤差越��；反之計數頻率越低，測頻的相對誤差越大。所以直接測頻法適合于測量高頻信號的頻率。
圖1 直接頻率測量原理圖
另外為了能夠穩定的顯示測量信號的頻率，實際電路中還應加入邏輯控制單元，為了擴大測量信號的頻率范圍，還要有量程擴展電路等。一個實用的頻率計電路的組成框圖如圖
所示。時基信號產生電路主要由晶體振蕩器和分頻器組成，產生我們所需要的不同頻率（例如1Hz、10Hz、100Hz）的時標信號，通過“閘門時間”選擇開關S選出我們需要的時標信號，并加到“門控電路”電路，例如當S打在位置1Hz時，“門控電路”產生T=1s的門控信號，此時頻率計量程相當于×1；當S打在位置10Hz時，“門控電路”產生T=0.1s的門控信號，此時頻率計量程相當于×10。邏輯控制單元電路就是控制計數器正常順序工作的，控制電路的作用是：其一，產生鎖存信號，使顯示的數字穩定。其二，產生定時清零信號，使計數器每次從零開始計數，控制電路的各點時序波形圖如圖 所示。
圖2 數字頻率計系統組成框圖
圖3 數字頻率計控制電路的工作波形圖
三、主要單元電路參考設計
1、放大整形電路
為了能夠正確測量小信號幅值的頻率，首先要把小信號放大到合適的幅度，在進行將其
整形成同頻率的脈沖信號，然后對脈沖信號計數。圖 電路就是實現了這個功能，三極管T組成放大器，要求放大器的頻帶要足夠寬。CD4093是施密特觸發器，其整形作用。
圖4 輸入信號放大整形電路
2、晶體振蕩及時標信號產生電路
晶體振蕩器選擇輸出頻率為1MHz的有源晶體振蕩器。有源晶振一般都采用金屬外殼封裝，而且采用完全密封方式，所以工作穩定，使用簡單，只要外加正確電源電壓，即可輸出穩定的信號。
時標信號產生電路是將有源晶體振蕩器輸出的1MHz信號經過由集成同步十進制計數器CD4518組成的一系列十分頻器構成的，電路如圖 。CD4518是一個雙十進制計數器，要得到1Hz、10Hz、100Hz的標準時標信號，采用3片CD4518即可。
圖5 時標信號產生電路
3、門控及邏輯控制電路
門控及邏輯控制電路的各點波形的要求如圖 所示。其基本功能是：在時標脈沖信號的作用下，首先輸出一個門控標準時間T（例如1s），在這個時間內，計數器記錄下輸入脈沖的個數；然后邏輯控制電路發出一鎖存保持信號，使記錄下的脈沖個數被鎖存并顯示；最后邏輯控制電路輸出一清零脈沖，使計數器的原記錄數據被清零，準備下次計數。圖5.8.5所示電路即可實現上述功能。
圖6 門控及邏輯控制電路
在圖 電路中，雙JK觸發器74LS76中的F1觸發器用來產生計數門控脈沖，假設F1、F2觸發器的初始狀態均為零，當第一個時標脈沖CPS到來時，F1的輸出1Q變為‘1’，此時被測量的脈沖就通過閘門G送入計數器；當第二個時標脈沖到來時，F1的輸出1Q由‘1’變為‘0’，同時產生一個下跳沿，F2觸發器的輸出2Q變為‘1’，2為‘0’，此時F2的輸出對時標信號起到了“封鎖”，若時鐘CPS選用周期為1s，則1Q輸出門控信號的高電平寬度為1s，這時計數器記錄的便是1s內的輸入脈沖個數，即輸入信號的頻率�！版i存”信號和“清零”信號是由集成單穩態觸發器CD4538實現的，CD4538是雙可重復觸發的單穩態觸發器，觸發方式靈活。當1Q由‘1’變‘0’時，CD4538A被觸發，輸出一個“鎖存”信號，用于鎖存計數器的輸出數據不變，“鎖存”時間一般選擇零點幾秒到幾秒，本設計選擇在1s左右。當“鎖存”信號結束時，CD4538B被觸發，它輸出一個“清零”信號，“清零”信號的脈沖較窄，一般選擇0.1s左右，該信號的作用一方面使計數器的數據清零，另一方面使F2觸發器被清零，2變為‘1’，為下一次測量做好準備；故F2是閉鎖觸發器，它保證在F1形成一次門控信號后，需要間隔顯示和清零兩段時間后，才可再形成下一次門控信號。該電路的工作時序關系圖如圖5.8.6所示。圖中R—C網絡是開機復零電路，目的使F1的初始狀態處于“0”狀態。
4、計數、鎖存、譯碼、顯示電路
根據設計任務要求最大輸入信號頻率為1MHz，采用4位LED顯示，所以最大量程擴展×100。計數器采用兩片CD4518即可完成，CD4518具有異步清零功能。BCD碼顯示譯碼器選用CD4511。CD4511譯碼器用于驅動共陰極LED數碼管，它是將鎖存、譯碼、驅動三種功能集于一身的集成電路。鎖存器的作用是避免在計數過程中出現跳數現象，便于觀察和記錄。其中LE端是鎖存控制端，LE=0時選通，LE=1時鎖存，將單穩態觸發器CD4538A的輸出“鎖存”信號連接顯示譯碼器CD4511的LE端，可得到正常的顯示；將單穩態觸發器CD4538B的輸出“清零”信號清零單穩態觸發器連接到十進制計數器CD4518的清零端（高電平清零）即可。圖中連接在LED數碼管公共端對地的電阻是限流電阻。
圖7
四、電路安裝與調試
1、在安裝電路之前，應仔細查閱本設計所用的電子元器件及集成電路的參數、功能及
管腳排列，畫出單元電路及系統電路的安裝圖。
2、放大整形電路的調試。在電路加電前，首先檢查電路的安裝有無短路、開路及連接
有無錯誤。待電路正確無誤后，加上電源，在無輸入信號下，調節基極電位器RW，使三極管的集電極直流電位大約等于2V左右。然后輸入大小等于0.5V，頻率等于1KHz的正弦波信號，用示波器觀察CD4093的輸出波形是否正確。
3、晶體振蕩及時標信號產生電路調試。在檢查安裝正確無誤后，加入電源電壓，首先用示波器觀察1MHz有源晶體振蕩器的輸出波形是否正確，然后用示波器逐級觀察由CD4518組成的分頻器的輸出波形。
4、計數器、鎖存譯碼及顯示單元單路調試。在檢查安裝正確無誤后，加入電源電壓。將計數器的清零端接地，譯碼器CD4511的LE端接地。將一標準頻率為1~10Hz的方波信號輸入到計數器的計數脈沖輸入端，觀察LED數碼管顯示數字發的變化是否正確。
5、門控及邏輯控制電路調試。將一頻率為10Hz的標準方波信號輸入到門控電路中，把示波器掃描速度打在最低處，分別觀察“門控輸出”、“鎖存信號”、“清零信號”各點的波形變化情況。
6、整機聯調。將以上調試好的單元電路相互連接起來，輸入一個被測信號，觀察實際測試的頻率值是否準確，同時分析誤差大小。
五、思考題
1、測量低頻信號時，利用直接頻率測量方法可能有較大的誤差，人們一般采用“測量周期”的方法，是簡述測量周期來實現測量頻率的工作原理，并畫出原理圖。
2、在數字頻率中，邏輯控制電路的作用是什么？是否可用其他的器件來實現邏輯控制功能？畫出設計的邏輯控制電路。
3、在晶體振蕩器電路中，本設計采用了有源晶體振蕩器。如果現有1MHz的無源振蕩器元件，試設計出產生標準時標信號的電路（產生1Hz信號）。
4、在該數字頻率計中，輸入信號放大電路能否采用通用型集成運算放大器LM741實現？為什么？試設計一個利用集成運算放大器實現并滿足要求的信號放大電路。
5、在單穩態觸發器中，什么叫做可重復觸發？什么叫不可重復觸發？在電路圖6中，試畫出在時標信號作用下，電路各點的輸出波形。
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