频率计的设计频率计的设计一、设计任务及要求一、设计任务及要求 1 1、学习要求、学习要求了解数字频率计测频率与测周期的基本原理；熟练掌握数字频了解数字频率计测频率与测周期的基本原理；熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。 2 2、设计任务、设计任务要求设计一个简易的数字频率计，其信号是给定的时基脉冲信要求设计一个简易的数字频率计，其信号是给定的时基脉冲信号，是比较稳定的。号，是比较稳定的。 （1 1）测量信号）测量信号: :方波方波 ；正弦波；三角波；正弦波；三角波； （2 2）测量频率范围）测量频率范围: 1Hz: 1Hz到到9999Hz9999Hz之间；之间； （3 3）显示方式）显示方式: 4: 4位十进制数显示；位十进制数显示； （4 4）时基电路由）时基电路由 555 555 定时器组成多谐振荡器产生的时基信定时器组成多谐振荡器产生的时基信号号, ,其脉冲宽度分别为其脉冲宽度分别为: :正脉冲正脉冲 1s, 1s,负脉冲负脉冲 0.25s 0.25s；萝敖谭讳朔裙烟巢集读嫩苦更尿焦回置鞍豺墟吝权碰掌欢蒸障伙毫虫倘可频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率1 二、实验目的二、实验目的 1 1、了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理；、了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理； 2 2、熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的、熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。方法。 三、电路原理三、电路原理 数字频率计测频率的基本原理数字频率计测频率的基本原理: : 所谓频率，就是周期性信号在单位时间所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)(1s)内变化的次数。内变化的次数。若在一定时间间隔若在一定时间间隔T T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为内测得这个周期性信号的重复变化次数为N N，则其频率可表示为：，则其频率可表示为：f=N/T (1)f=N/T (1)图图1(a)1(a)是数字频率计的组成框图。被测信号是数字频率计的组成框图。被测信号vxvx经放大整形电经放大整形电路变成计数器所要求的脉路变成计数器所要求的脉 冲信号冲信号I I，其频率与被测信号的频，其频率与被测信号的频率率fxfx相同。时基电路提供标准时间基准信号相同。时基电路提供标准时间基准信号IIII，其高电平持，其高电平持续时间续时间t1=1st1=1s，当，当l l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到通过闸门，计数器开始计数，直到l l秒信号结束时闸门关闭，秒信号结束时闸门关闭，停止计数。停止计数。剃券诬企熄含矿蜜娥坷漆财捕噬偷钦命瑚挫篮介恕肘芬结卫抽兢坛骋之底频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率2 若在闸门时间若在闸门时间1s1s内计数器计得的脉冲个数为内计数器计得的脉冲个数为N N，则被测信号频率，则被测信号频率fx=NHzfx=NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IVIV，使显示器上的数字稳定；二是产生清使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”“0”脉冲脉冲V V，使计数器每，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图1(b)1(b)所示。所示。图图1闸煌瞒词缴择敖稻爆仟角释舶藻夕埃徊狄忍彰聪判鞘宣搁特鸭秤绢兰芭驶频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率3 四、电路设计四、电路设计 1. 1.放大整形电路放大整形电路 放大整形电路由晶体管放大整形电路由晶体管90139013与与74LS0074LS00；或集成运算放大器；或集成运算放大器等组成，将输入期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门等组成，将输入期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS0074LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。使之成为矩形脉冲。荔穷顿讨反纂爷盂晋摹旧服池蛾厕惧迅炽隐馅箔儡脊实贞乍虞拯套椭流囊频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率4 2. 2.时基电路时基电路 时基电路的作用是产生一个标准时间信号时基电路的作用是产生一个标准时间信号( (高电平持续时间高电平持续时间为为1s)1s)，由定时器，由定时器 555 555构成的多谐振荡器产生构成的多谐振荡器产生( (当标准时间的精当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得) )。若振荡器的频率。若振荡器的频率fo=1/(t1+t2)=0.8Hzfo=1/(t1+t2)=0.8Hz，则振荡器的输出波形如图中的波形，则振荡器的输出波形如图中的波形所所示，其中示，其中t=1St=1S，t2=0.25St2=0.25S。由公式由公式t1=0.7(R1+R2)t1=0.7(R1+R2)和和t2=0.7R2Ct2=0.7R2C，可计算出电阻可计算出电阻R1R1、R2R2及及电容电容C C的值。的值。若取电容若取电容C=10uFC=10uF，则：，则：R2=t2/0.7C=35.7KR2=t2/0.7C=35.7K取标称值取标称值36K36KR1=(t/0.7C)-R2=107K R1=(t/0.7C)-R2=107K 取取R1=47 KR1=47 K，RP=100 KRP=100 K腋佰脖温鄂斩庇祟扎鸦碳也棘盎旱矾审夕亥惰必渣蹄瞻增晌扯姓理践短带频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率5 3. 3.逻辑控制电路逻辑控制电路 根据图根据图1(b)1(b)所示波形，在时基信号所示波形，在时基信号IIII结束时产生的负跳变结束时产生的负跳变用来产生锁存信号用来产生锁存信号，锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清的负跳变又用来产生清“0”“0”信号信号V V。脉冲信号。脉冲信号和和V V可由两个单稳态触发器可由两个单稳态触发器74LSl2374LSl23产产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。 设锁存信号设锁存信号和清和清“0”“0”信号信号V V的脉冲宽度相同，如果要求的脉冲宽度相同，如果要求tW=0.02StW=0.02S，则有，则有tW=0.45RextCext=0.02StW=0.45RextCext=0.02S若取若取Rext=10K Rext=10K 则则Cext=tW/0.45Rext=4.4uF Cext=tW/0.45Rext=4.4uF 取标称值取标称值4.7uF4.7uF。 由由74LSl2374LSl23的功能表可得，当的功能表可得，当1RD=1B=11RD=1B=1、触发脉冲从、触发脉冲从1A1A端端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q1Q可获得一正脉可获得一正脉冲，冲， 1Q 1Q端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图所示波形端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图所示波形和和V V的要求。手动复位开关的要求。手动复位开关S S按下时，计数器清按下时，计数器清“0”“0”。免善仍拿莲诅爪谅杯厂凉娩榷铬腆怀尸暮碴噪镀狱沃鞭五灭宝档各掀节试频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率6 锁存器的作用是将计数器在锁存器的作用是将计数器在1s1s结束时所计得的数结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值如图如图1(b)1(b)所示，所示，1s1s计数时间结束时，逻辑控制电路计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号发出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。，将此时计数器的值送译码显示器。 选用选用D D触发器触发器74LS7474LS74可以完成上述功能当时钟脉可以完成上述功能当时钟脉冲冲CPCP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=DQ=D。从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论结束后，无论D D为何值，输出端为何值，输出端Q Q的状态仍保持原来的的状态仍保持原来的状态状态QnQn不变所以在计数期间内，计数器的输出不会不变所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器送到译码显示器 依虎军娶烈票星留晾斗驾肠逢襟后墓主宇巷尽党菌谍欧怠祥埃赖悍阎慑驼频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率7 徐刁暖脊附婴拘栅吩迭克敦谆箔孜琳土饵涟蹿炼涉订忆卒鸽冕睹烧臃幢恒频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率8 译码部分可用带锁存功能的译码部分可用带锁存功能的CD4511CD4511完成，或者用完成，或者用74LS4874LS48实实现，用后者，需要另加锁存器现，用后者，需要另加锁存器74LS27374LS273进行锁存。进行锁存。4.4.计数与译码计数与译码 计数器可用计数器可用74LS9074LS90完成，也可用加完成，也可用加74LS19274LS192或或74LS16174LS161完成，完成，4 4个十进制级联而成。个十进制级联而成。0.5HZ0.5HZ的时基信号的时基信号和被测信号经过与非门后送给计数器的最低位和被测信号经过与非门后送给计数器的最低位. .望涣哄羌膜哥蛇溢花法条雌蝇胞宦远聚卑箕林丘撤做截哑憾魏扬氧庐疼庄频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率9 5.5.扩频电路的设计扩频电路的设计若被测信号频率增加到数百若被测信号频率增加到数百MHZMHZ，则需要增加频率范围扩展，则需要增加频率范围扩展电路。如下图。原理请同学们自行分析电路。如下图。原理请同学们自行分析迭竣肉陆售抿畜励先掉赤篓铣寄偶饮痒尝凭汁拯骗消包囊交锚程木溉咯蚊频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率10 五、安装与调试五、安装与调试 1. 1.接通电源后，用双踪示波器接通电源后，用双踪示波器( (输人耦合方式置输人耦合方式置DCDC档档) )观察观察时基电路的输出波形，应如波形图时基电路的输出波形，应如波形图(b)(b)所示的波形所示的波形，其中，其中t1=1St1=1S，t2=0.25St2=0.25S，否则重新调节时基电路中的和的值，使其，否则重新调节时基电路中的和的值，使其满足要求。然后改变示波器的扫描速率旋钮，观察满足要求。然后改变示波器的扫描速率旋钮，观察74LSl2374LSl23的的第第1313脚和第脚和第1010脚的波形，应有如波形图脚的波形，应有如波形图(b)(b)所示的锁存脉冲所示的锁存脉冲和清零脉冲和清零脉冲V V的波形。的波形。 2. 2.将将4 4片计数器片计数器74LS9074LS90的第的第2 2脚全部接低电平，锁存器脚全部接低电平，锁存器74LS27374LS273的第的第1111脚都接时钟脉冲，在个位计数器的第脚都接时钟脉冲，在个位计数器的第1414脚加入脚加入计数脉冲，检查计数脉冲，检查4 4位锁存、译码、显示器的工作是否正常。位锁存、译码、显示器的工作是否正常。 波波形。形。 3. 3.在放大电路输入端加入在放大电路输入端加入1KHz,Vp-p=1V 1KHz,Vp-p=1V 的正弦信号，用示的正弦信号，用示波器观察放大电路和整形电路的输出波形，应为与被测信号同波器观察放大电路和整形电路的输出波形，应为与被测信号同频率的脉冲波，显示器上的读数应为频率的脉冲波，显示器上的读数应为1000Hz1000Hz。凹个刨迟篆倡画沾供秃虫锅倪普半厩蚂诊诬桃圆象占宅价颊姿录不框币遣频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率11 六、器材及参数六、器材及参数 所用集成芯片：所用集成芯片：555555一片一片 74LS00 74LS00 一片一片 74LS04 74LS04 一片一片 74LS123 74LS123 一片一片 74LS74 74LS74 一片一片 74LS90 74LS90 四片四片 LED LED数码管数码管 四四支支 相饰俯邻康觉彰状褪号马咙捷衔桂门琴彻伤缘蜂堕醋解话蒂捍厅灌吨贱驹频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率频率计的设计一设计任务及要求学习要求了解数字频率12