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1、数字频率计的设计摘要:本论文是一种直接用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波的频率，而且还可以测量其它各种单位时间内变化的物理量的频率。该频率计是首先将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率。时钟电路提供标准的时间脉冲信号。闸门电路由标准秒信号进行控制，当闸门信号为高电平时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门送入计数显示电路进行显示；当闸门信号为低电平时，闸门关断，计数器没有时钟脉冲输出，计数器停止计数。关键词:频率 显示 闸门 秒信号引言随着无线电技术的发展与普及，“频率”已成为广大群众所熟悉的物理量。调节收音机上的频率刻度盘可以使我们选听到自己所喜
2、欢的电台节目；调节电视机上的微调旋钮可使电视机对准电视台的广播频率，获得图像清晰的收看效果，这些已成为人们的生活常识。人们在日常生活、工作中更离不开计时。学校何时上、下课？工厂几时上、下班等这些都涉及到计时。频率、时间的应用，在当代高科技中显得尤为重要。例如，邮电通讯，大地测量，地震预报等等，都与频率、时间密切相关，只是其精密度和准确度比人们日常生活中的要求高得多罢了。 本次设计主要采用计数法制成一个测量范围在09999Hz的频率计。该频率计闸门信号的采样时间为1s，并采用4位数码管显示。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波的频率，而且还可以测量其它各种单位时间内变化的物理量的频率。一、数字频率
3、计的组成数字频率计电路主要由串联型稳压电源、整形电路、10分频电路、时钟电路、闸门形成及控制电路、计数显示电路等组成。电路组成框图1-1如下: 待测信号 整形电路 10分频电路 闸门形成及控制电路 串联型稳压电源 时钟电路 计数显示电路 电路组成框图1-1二、设计所用集成电路简介1.集成电路NE555概述NE555是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，它常应用于信号的产生与变化、电路的检测与控制。芯片采用双列直插式封装，有八个管脚。NE555引脚图2-1和功能如下 图2-1引出端功能符号：: 置位控置制端，也称电平触发端: 复位端，低电平有效Q: 电路的输出端CO: 电压控制端TH: 复位
4、控制端DIS: 放电端Vcc: 电源端GND: 接地脚2.集成电路CD4518概述 集成电路CD4518是一个双BCD码加法计数器。它有两个时钟输入端CP和EN，若使用时钟上升沿触发，信号就从CP端输入，同时EN端应接高电平1，若使用时钟下降沿触发，信号就从EN端输入，此时的CP端应该为低电平0，而且复位端MR也要保持低电平0，只有满足了这些条件，电路才会处于计数状态，否则计数器没办法工作。CD4518引脚图22和功能如下：图22引出端功能符号：CP： 时钟输入端 MR： 消除端 EN： 计数允许控制端1Q0-1Q3;2Q0-2Q3：计数输出端 GND：接地端 VCC：电源端3.集成电路CD4
5、060概述集成电路CD4060 采用16脚DIP封装，是由一个振荡器和 14 级二进制串行计数器位组成。振荡器的结构可为晶体振荡电路或RC振荡电路。它将晶体振荡器的振荡频率32768HZ信号分频为2HZ的时钟信号，送到CD4017,作为它的时钟输入信号，用来产生1S宽的闸门信号。复位端MR 为高电平时，计数器清0而且振荡器工作停止。所有的计数器都为主-从触发器，在的下降沿，计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟的上升和下降时间无限制。CD4060的管脚图2-3和功能如下: 图2-3引出端功能符号：MR： 复位端：时钟输入端 COUT：时钟输出端：反向时钟输出端Q4-Q10
6、,Q12-Q14：计数器输出端VCC： 正电源端 GND： 接地端4.集成电路CD4017概述集成电路CD4017是十进制计数/时序译码器，又称十进制计数脉冲分频器，它结构简单，造价低廉，性能稳定，工艺成熟，使用方便。CD4017的基本功能是对CP端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在 Y0Y9 这10个输出端。 整个输出时序就是Y0Y9依次出现与时钟同步的高电平(一般为低电平),宽度等于时钟周期。CD4017共有三个输入端CP、MR、EN 和10 个译码输出端（Y0Y9）。MR为复位清0端，当在MR端输入高电平或正脉冲时，计数器清0，所有输出中只有对应“0”状态
7、时Y0端输出高电平，其余输出端(Y1Y9)均为低电平；时钟输入端CP有一个施密特触发器它具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升时间和下降时间无限制 ,用于上升沿计数；EN为计数有效端，用于下降沿计数，彼此间有互锁关系，若利用CP计数时，EN端应接地（低电平），而要利用EN端计数时，CP端应接高电平，反之则形成互锁；CO为进位端，CD4017每输入10个脉冲，就可得到一个进位脉冲，所以CO也可以作为下一级计数器的时钟信号。CD4017管脚图2-4和功能如下：图2-4引出端功能符号：CO: 进位端CP : 时钟输入端 Y0Y9:译码输出端 MR : 复位清0端 EN : 计数有效端VCC: 正电源
8、GND: 接地端5.集成电路CD40110概述集成电路CD40110是可逆计数译码显示电路，它是集计数、译码、锁存、驱动为一体的四合一电路，它既可以作加法计数，又可以作减法计数。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；MR为清零端，为高电平时计数器清零；QCO为进位脉冲输出端，作加法计数时，每当计数满10后，输出一个进位脉冲；QBO为借位脉冲输出端，作减法计数时，每当计数满10后输出一个借位脉冲，他们一般为高电平；为触发器控制端，0时计数器工作，1时计数器处于禁止状态不计数；LE为锁存控制端，当LE=0时正常显示，当LE=1时显示数
9、被锁定。CD40110的引脚图2-5和功能如下： 图2-5引出端功能符号：ag: 数码笔段输出端LE: 锁存控制端MR: 清零端: 触发器控制端CPU: 加计数时钟输入端CPD: 减计数时钟输入端QCO: 进位脉冲输出端QBO: 借位脉冲输出端VCC: 正电源端GND: 接地端三、单元电路分析1.串联型稳压电源它可以将220V的直流电转换成稳定的直流电，给整个电路提供了6V直流稳压电源。该电路由变压器（起降压作用）、整流、滤波、稳压几个部分组成。当输入电压上升，输出电压随着上升，取样电路中的元件分得的电压就上升，VT3的基极电压也上升，集电极电压就会下降，导致VT2的基极电压下降，VT1的基极
10、电压也随着下降，而VT1的集射极电压升高，使输出电压又恢复到+6V。相反，当输入电压下降，输出电压随着下降，R3、R4、RP1分得的电压下降，VT3的基极电压下降，集电极电压就会上升，VT2的基极电压随着上升，VT1的基极电压也上升，使输出电压又恢复到+6V。电路图3-1如下： 串联型稳压电源3-12.整形电路整形电路是将待测信号如正弦波、三角波或其它呈周期性变化的波形，整形变成计数器所要求的脉冲信号，其周期不变。施密特触发器是数字系统中常用的电路之一,它可以把变化缓慢的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。 本设计由NE555构成的施密特触发器如图3-2a所示，将高触发端TH和低触发端T
11、连接在一起作为信号输入端Ui。设待测信号为三角波，输入整形电路后输出为脉冲波形，二者频率相同，波形如图3-2b所示。当输入信号Ui 1/3Vcc时,Uo输出为高电平；若Ui增加,使得1/3VccUi2/3Vcc时,电路维持原态不变,输出Uo仍为高电平；如果输入信号增加到Ui2/3Vcc时，Uo从高电平翻转成低电平；当输入信号Ui 2/3Vcc时，电路维持原态不变，输出Uo仍为低电平； Ui继续降低到Ui 1/ 3Vcc时，Uo又从低电平翻转成高电平。输出电压Uo是一个矩形波。由图3-2b可以看出，回差电压=2/3Vcc-1/3Vcc=1/3Vcc。 3-2a图3-2b3.10分频电路 分频电路
12、的作用是对输入的脉冲信号进行分频，取得不同量程所需要的时间基准信号，实现量程控制。CD4518为双十分频器，可对输入信号进行10、100分频，扩大测量范围。测量范围可通过S1、S2、S3调整，S1闭合，电路未经分频电路，测量范围为099HZ；S2闭合，电路为10分频，测量范围为0999HZ；S3闭合，电路为100分频，测量范围为09999HZ (S1S3不能同时闭合)。4.时钟电路实现频率测量必备环节为时钟电路，它用来产生控制计数器计数的标准时间信号即闸门信号，闸门脉冲由晶体振荡器产生高稳定度的方波信号，再经分频器分频得到的，它的精度决定了频率计的频率测量精度。在此频率计中，时钟电路由晶体振荡
13、器和CD4060等元件组成。晶体振荡器JT的振荡频率为32768HZ，频率较低，有利于减少分频器级数，是专为数字时钟电路设计的。而CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，它还包含振荡电路所需的非门，使用很方便。CD4060为14级二进制计数器，它可以将32768HZ的信号分频为2HZ的信号，而且它的两个时钟输出端直接和内部的非门串接，可以直接实现振荡和分频的功能。VD5为发光二极管，时钟电路正常工作时，发光二极管以2HZ的频率闪烁。5.闸门形成及控制电路闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲。时钟电路产生的2HZ时钟信号送到CD4017（十进计数器），作为它的时钟输入信号 ，用来产生1
14、S宽的闸门信号，并在每一个测量周期内产生一个计数器清0信号。1S宽的闸门信号控制CD40110接受计数脉冲的周期，CD40110在1S内接受了多少个计数脉冲，直接译码显示出计数脉冲数，而闸门控制时间为1S，所以，数码管显示的就是我们要求的被测信号的频率。6计数显示电路 在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿，在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字，电路里产生计数清0信号和锁存控制信号。这些都由集计数、译码、锁存、驱动为一体的四合一电路CD40110来完成。它不仅可作加法计数，还可以作减法计数，不仅如此，它还有计数器状态锁存，七段显示译码
15、输出等功能。所以，它将计数器输出的二进制代码翻译成相应的十进制数并显示出来。显示部分的LED采用共阴极七段数码显示器。四整体电路分析数字频率计实际上是一个脉冲计数器，即在单位时间里计数的脉冲个数，如图4-1计数时序波形图所示: 为闸门脉冲，假设闸门时间为1s,计数数值为N个脉冲，则被测信号的脉冲频率为：f=NHZ 图4-1工作原理： 被测信号Ui首先经过整形电路，转变成计数器所需要的脉冲信号如图4-1中，它的周期等于被测信号的周期，然后送给CD4518进行分频来扩大量程。S1闭合最大测量范围为099，S2闭合最大测量范围为0999，S3闭合最大测量范围为09999。时钟电路提供准确的时间脉冲信
16、号如图4-1中，它是由晶体振荡器JT产生的32768HZ的信号，经过14级二进制计数器分频得到的。它用来控制计数和保持状态。当脉冲信号为高电平时，计数器为计数状态，当它为低电平时，计数器保持状态，数据就被送到显示器进行显示，然后对计数器清0，准备下一次计数。脉冲信号为高电平持续1秒钟，计数器统计的脉冲数N如图4-1中就是被测信号的频率，即f=NHZ。 脉冲信号为高电平持续的时间，我们称为闸门时间，闸门时间可以大于或者小于1S。闸门时间越长，测得的频率值越准确，但是每测一次频率的间隔就越长，闸门时间越短测的频率值就越快，但得到的频率精度会受到影响。电路原理图4-2如下所示：电路原理图4-2五.调
17、试方法和要求1.主要性能指标(1)稳压电源输出电压为（60.2）V(2) 施密特触发器正常工作时，在CD4518的1脚可以测到方波输入信号。(3)时钟电路正常工作时，通过CD40110产生正确的控制信号。2.调试方法 (1)接通电源,调节电位器RP1,使直流稳压电源输出电压(60.2)V同时测各集成电路电源插脚的电源电压是否正常。(2)接通电源，检查整形电路是否正常工作，如果电路正常工作，则应该在NE555的3脚输出接近方波信号。(3)断电后插上集成电路，再接通电源。如果时钟电路正常，那么发光二极管VD5就会以2HZ的频率闪烁，在VT6的集电极会产生1S的低电平闸门信号。(4)合上拨码开关S1
18、S3中的任意一个（不可以同时合上两个或三个），计数器将以1S为周期重复测量并显示被测信号的频率（开关在不同位置时，显示结果就不同），显示结果如下表。频率测量记录 单位：HZ拨码开关位置S1S2S3测量频率099099909999六元件清单 1.元器件明细表6-1如下：代号名称规格代号名称规格R1碳膜电阻器4.7 VD3二极管IN5397R2碳膜电阻器3KVD4二极管IN5397R3碳膜电阻器1.5KVD5发光二极管LED红色R4碳膜电阻器3.9KVD二极管IN4001R5碳膜电阻器2MVD5发光二极管LED红色R6碳膜电阻器120KVD6二极管IN4148R7碳膜电阻器100VD7二极管IN4
19、148续表代号名称规格代号名称规格R8碳膜电阻器1KVS稳压二极管4.2VR9碳膜电阻器10KVT1三极管2ND880R10碳膜电阻器1KVT2三极管2N1815R11碳膜电阻器5.6KVT3三极管2N1815R12碳膜电阻器3.3KVT4三极管2N9014R13碳膜电阻器560JT石英晶体管32768HZR14碳膜电阻器560IC1集成电路CD4518R15碳膜电阻器560IC2集成电路CD40110R16碳膜电阻器560IC3集成电路CD40110RP1 电位器2.2KIC4集成电路CD40110C1电解电容器2200ufIC5集成电路CD40110C2电解电容器100uFIC6集成电路N
20、E555C3电解电容器470uFIC6集成电路CD4060C4瓷片电容器0.01uFIC7集成电路CD4017C5涤纶电容器0.47uFFUSE电源保险丝2A/250VC6瓷片电容器22pFS1S3拨码开关 DIPVD1二极管 IN5397TC电源变压器AC220V/7.5VVD2二极管IN5397LED数码管ELS-505HWB表6-1参考文献（1）刘进峰 电子制作实训 北京：中国劳动社会保障出版社，2006（2）张伟林 数字电子技术 北京：中国劳动社会保障出版社，2006（3）杨元挺 电子技术技能训练北京：高等教育出版社，2002.2 （4）许顺隆 轻松学电子元器件与电子电路北京：中国劳动社会保障出版社，200813