【课程设计】【数字电路】数字频率计

简介:【数字电路综合设计案例】通过使用数字逻辑芯片以及部分分立元件设计的一个4位数字频率计,实现对方波、三角波以及正弦波等各种周期信号频率的直接测量,并且具有超出频率范围报警功能。

开源协议: GPL 3.0

发布时间:2021-05-21 20:49:36
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描述

设计指标:

1)频率测量范围:1Hz ~ 99.99kHz

2)输入电压幅度:> 20 mV

3)输入信号波形:方波、三角波、正弦波、锯齿波

4)显示位数:4 位十进制

5)量程:分为 x1 、 x10 两档

6)当被测信号的频率超出测量范围时,报警

数字频率计的组成

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。所谓频率,就是周期性信号在单位时间 (1s) 内变化的次数.若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N,则其频率可表示为 fx=N/T 。因此,可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数,然后经译码、显示输出测量结果,这是所谓的测频法。可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。

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从原理图可知, 被测信号 Vx 经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ ,其频率与被测信号的频率 fx相同,它被送入由与非门组成的闸门电路;时基电路提供0.5Hz的方波标准时间基准信号Ⅱ ,作为闸门的另一输入端,控制闸门的开发时间;其为高电平时,计数器计数;为低电平时,计数器保持,数据送入锁存器进行锁存显示,然后对计数器清零,准备下一次计数。被测信号 I 从闸门另一端输入,被测信号频率为 fx,闸门宽度 0.5Hz, 若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为 N,则被测信号频率 fx=N/0.5Hz。 可见,闸门时间 T 决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择 T 大一些,测量准确度就高一些,T 小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确。

数字频率计单元电路设计


1、放大、整形电路设计

使用增益带宽积为10MHz的运放NE5532构成的过零比较器可使输入信号不产生畸变;由运放构成的过零比较器可使得计数器能有效识别脉冲信号;D1、D2w稳压二极管使得信号幅值保持在5Vpp,R3起限流作用。                                                                                               image.png

74LS160 对信号进行10分频,实现10倍扩展,开光打到 x10 档时显示数字是实际频率的 1/10 。着部分电路由 NE5532 构成的电压跟随器与74LS160构成的十分频计数器组成。

image.png                                                                        image.pngimage.png

2、时基电路的设计

脉冲发生器通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得 2Hz 的秒脉冲。晶振为 32768 Hz ,通过 14 分频后可获得 2Hz 的脉冲输出;由于振荡器产生的频率很高,要得到秒脉冲,需要分频电路。本实验采用 32768HZ 晶体振荡器来产生时钟脉冲,实验所需的是标准的秒脉冲信号,所以用74ls74来进行4分频,得到我们需要标准的0.5HZ的信号。

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分频输出波形:

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3、逻辑控制电路设计

控制电路从某种意义上讲,是整机电路设计的成败关键。在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ,锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号V。脉冲信号Ⅳ和V可由两个单稳态触发器74LSl23产生,它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。触发脉冲从B端输入时,在触发脉冲的负跳变作用下,输出端Q可获得一正脉冲, Q非端可获得一负脉冲,其波形关系正好满足Ⅳ和V的要求。

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74LS123 是可重复触发的单稳态多谐振荡器,由高电平或低电平进行脉冲触发,且触发得到的脉冲宽度可调。image.png

4、锁存器

锁存器的作用是将计数器在闸门时间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.闸门时间结束时,逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ,将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能.当时钟脉冲CP的正跳变来到时,锁存器的输出等于输入,即Q=D。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D为何值,输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn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。

5、计数、译码、显示电路设计

1)计数电路:由 74LS160 组成。

2)译码显示电路:用于将计数器输出的 BCD 码表示的十进制数转换成能驱动数码管显示的段信号,以获得数字显示。 CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED (数码管)显示器的 BCD 码 —— 七段译码器;其特点有:BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动 LED 显示器。

** CD4511 引脚图如下:**

image.png

其功能如下:

image.png

D 、C 、B 、A :是 8421 BCD 码输入端

a 、b 、c 、d 、e 、f 、g :为译码输出端,输出为高电平 1 时有效

CD4511 的内部有上拉电阻,只需在输入端与数码管笔端接上限流电阻即可正常工作

CD4511 逻辑功能表:

image.png

CD4511 只能驱动共阴数码管。

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6、报警电路

本设计要求用 4 位数字显示,最高显示为 9999。超过 9999 就要求报警,即当千位达到 9(即1001)时,如果百位上再来一个时钟脉冲(即进位冲),就可以利用此来控制蜂鸣器报警。 电路如下图:

image.png

实物图

1b0fecde6a5778b1edc2a1e255bfb74.jpg

设计图

数码管驱动电路

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逻辑功能电路

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PCB_【课程设计】【数字电路】数字频率计

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ID Name Designator Footprint Quantity
1 TMB12A12 BUZZER1 BUZ-TH_BD12.0-P7.60-D0.6-FD 1
2 22u C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13,C14,C15,C16 PC_0805 14
3 0.1u C2,C18,C19,C20,C21,C22,C23,C24,C25,C26,C27,C28,C29,C30,C31,C32,C34,C36 PC_0603 18
4 10uF C1,C17,C33,C35 CAP-SMD_BD4.0-L4.3-W4.3-FD 4
5 20p C37,C38 PC_0603 2
6 4.7uF C39,C40 CAP-SMD_BD4.0-L4.3-W4.3-FD 2
7 KF2EDGRM-3.81-2P CN1 CONN-TH_P3.81_KF2EDGRM-3.81-2P 1
8 WJ15EDGRM-3.81-3P-14-00A CN2 PC_0603 1
9 DG308-2.54-02P-14-00A(H) CN3 CONN-TH_DG308-2.54-02P-14-00A 1
10 BZT52C4V3 D1,D2 SOD-123_L2.7-W1.6-LS3.7-RD 2
11 BSMD0805-110-12V F1,F2 F0805 2
12 LED-TH-5mm_R LED1,LED2,LED3 LED-TH_BD5.0_RED 3
13 SM420561N LED4,LED5,LED6,LED7 LED-SEG-TH_10P-L12.7-W19.0-P2.54-S15.24-BL 4
14 S8050 Q1 SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR 1
15 680Ω R3 PR_0603 1
16 R4,R12 PR_0603 2
17 1k R1,R5,R6 PR_0603 3
18 10Ω R7 PR_0603 1
19 10M R8 PR_0603 1
20 10k R2,R9,R10,R11 PR_0603 4
21 200Ω R13,R14,R15,R16,R17,R18,R19,R20,R21,R22,R23,R24,R25,R26,R27,R28,R29,R30,R31,R32,R33,R34,R35,R36,R37,R38,R39,R40 PR_0603 28
22 XKB8585-1-Z-140 SW1 六脚按键 1
23 TA-3532-A2 SW2 SW-TH_8P-L13.0-W3.5-P2.00-S3.40 1
24 BL1117-5V U1 SOT223_JX 1
25 NE5532P U2 DIP-8_L9.4-W6.4-P2.54-LS9.1-BL 1
26 CD4060 U4 DIP-16_L19.8-W6.5-P2.54-LS7.6-BL 1
27 XD74LS00 U6,U7 DIP-14_L20.0-W7.6-P2.54-LS7.6-BL 2
28 SN74LS123N U8 PDIP-16_L22.1-W6.3-P2.54-LS7.6-BL 1
29 CD4511BE U9,U10,U11,U12 P_CD4511 4
30 XD74LS160 U3,U5,U13,U14,U15,U16 DIP-16_L19.2-W6.6-P2.54-LS7.6-BL 6
31 KF128-2.54-3P U17 CONN-TH_3P-P2.54_KF128-2.54-3P 1
32 32.768KHz X1 MC-146_4P-L6.7-W1.5-P0.85-BL 1

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