频率计

课程设计题目：频率计电路设计•设计目的•1.掌握低频数字频率计的设计原理与设计方法•2.学会安装与调试数字电路的方法与步骤•3.熟练掌握计数、锁存、译码、显示电路的应用•设计任务与要求•1．测量信号范围:方波、正弦波；幅度0.5-5V；频率：1-9999Hz;•2．最大读数；9999Hz，用四个数码管显示，误差控制在1%；•3．应用中、小规模集成电路设计数字频率计•设计报告要求•1.根据技术指标选定实现方案。•说明所选电路的组成及工作原理，并绘出原理框图。•2．主要电路的设计计算和元器件选择。•3．画出实际电路图，（用mutisim绘图软件绘制并仿真）。•4．列出元器件清单。•5.拟订调试方法和步骤。•6.拟定技术指标的测试方案，给出相应的测试用数据表格。频率计电路设计•1基本工作原理•首先有准确的频率源，用它产生的频率信号经过分频电路后得到标准时间等于一秒的闸门信号，并在闸门信号的后沿由锁存清零控制器产生锁存信号使锁存器锁存数据、产生清零脉冲使计数器清零，以便下一次重新开始计数。•被测频率信号在闸门开启的一秒钟内可以通过闸门电路进入BCD码计数器进行计数，当闸门信号的后沿到来时计数器停止计数，同时在锁存信号的控制下将计数结果锁存在锁存器中，被锁存的数据经译码驱动电路译码后驱动数码显示电路。•2电路分析与设计•（1）晶体振荡器和分频器•用内含非门电路的集成芯片4060外加石英晶体的方法构成晶体振荡器，4060是16脚双列直插式CMOS集成电路，内含6级反向器、一级施密特反向器和14级串行2分频电路，其中Q4~Q10和Q12~Q14共10个引脚有输出端。最大分频比是1/16384。11脚是时钟输入端（Clock-in），12脚是复位端（Reset），这两个信号与各级分频输出之间的关系见表6.6.1。•选用32.768MHz晶体，经4060芯片的14级二分频之后，在第三脚只能得到2Hz频率信号，要想得到宽度为1秒的闸门信号，还需要两极二分频器，所以在4060的Q14输出端（第三脚）又串入一只双4位二进制计数器4520。4520的R端为高电平时各个输出端均复位为0，R端为底电平时，有两种可以让计数器计数的方法：一是EN端保持高电平时CLK输入端每输入一个脉冲的上升沿，计数器均可加1。二是当CLK保持底电平时EN端每输入一个脉冲的下降沿，计数器可加1。所以按图6.6.3的接线方法，从4520的Q1输出端的信号就是再经过四分频的正负半周均为1秒的方波信号。其中脉宽为1秒的正信号就是闸门信号（Gate）。•U2A也可以选用BCD码计数器4518，为了保证Q1输出端分频逻辑的正确性，须将4518接成4分频电路，4518芯片的R、EN、和CLK三脚的控制逻辑与4520完全一样，所以要改成4分频电路，须按图6.6.4的方式接线•（2）锁存清零控制器•锁存信号是用来锁存1秒闸门时间内计数结果的，所以应在闸门脉冲结束后产生锁存信号。清零信号是用来对计数器清零的，必须在锁存信号之后到来。这一电路可用十进制循环计数器4017来完成。•4017是16脚双列直插式CMOS集成电路，有两个控制端，即复位端RST（15脚）和使能端（13脚）；一个时钟输入端CLK（14脚）；一个进位输出端CO（12脚）和十个循环输出端Q0~Q9。当RST为高时，除Q0输出“1”外，所有输出端均为“0”，当RST和均为低时，它对CLK端输入的时钟脉冲上升沿进行循环计数，Q0~Q9依次循环输出高电平。根据这一特点可以设计出锁存清零控制器电路。•来自4520的Q1端的闸门信号是正逻辑信号，闸门开启期间为高电平，这时4017的Q1端为“0”，计数器可以正常计数。闸门信号结束后计数停止，4017开始工作，来自4060的Q13端的脉冲重复频率比闸门信号低8倍，第二个脉冲上升沿使4017的Q1变高，将计数器中的数据锁存在锁存器中。第三个脉冲上升沿使4017的Q2变回低电平，Q1变成高电平，锁存器中的数据不变，但计数器被清零。第三个脉冲上升沿使Q0和Q1均变低，锁存器中的数据仍然不变，计数器保持“0”状态，但由于这时的闸门信号仍然是低电平，所以计数器并不计数。•到第八个脉冲结束时，4017只循环到Q7为高电平，还没有轮到Q0第二次变高，第二个闸门脉冲就开始了，计数器重新开始计数。•在计数器计数期间，由于锁存信号始终为低电平，锁存器中的数据仍然是前一次锁存的结果，一直保持到计数结束，锁存脉冲到来，锁存器中的数据才被更新。•将4017构成的时序控制器电路连接好并与振荡分频电路对接，通电后在4017的14脚（CLK）、15脚（RST）、2脚（Q1）和4脚（Q2）应能用示波器看到4Hz方波信号、倒相前的闸门信号、锁存信号和清零信号，波形和时序如图6.6.11所示•。•图6.6.11控制电路4017各引脚的控制波形•如果波形正常，将这三个信号用导线连接到相应的控制端后，计数器即可正常工作。•（3）限幅整形电路•频率计的输入信号是各种各样的，既可能有正弦波、矩形波和三角波，也可能有各种周期的、非周期的脉冲波和奇异波。无论什么波形，要计数准确，起码的条件是信号的信噪比必须足够大。输入级阻抗要足够高，而且当信号幅度很高时输入级电路不能被烧毁。因此在信号输入端应有一级高阻输入低噪声前置放大器和限幅器，并且应有一级整形电路，把各种输入信号变成比较规范的矩形波。1274LS14R1kΩ5VUiUo•本电路属于原理型简易试验电路，可不考虑前置放大器，仅考虑限幅和整形电路，故可选用图6.6.6所示电路。内带施密特电路的74LS14将限幅后的信号变成方波并反相后输出。•（4）BCD码计数器••4518和4520的真值表•]、=ENR输出上升沿10+10下降沿0+1下降沿×0不变×上升沿0不变上升沿00不变1下降沿0不变××1Q0~Q3为0计数器由BCD码“0000”计数到“1001”时代表十进制从“0”计数到“9”，向高位进位发生在“9+1=10”的时候，也就是BCD码“1001”向“0000”跳变，Q3由高变低的时候，故高位计数器要用低位计数器Q3的下降沿作为进位脉冲。为了满足这一要求，个位、十位和百位的进位信号都从本级的Q3接到高位的EN端，并将各计数器的CLK端接地，用清零脉冲控制复位端（R）。构成4级十进制计数器电路如图6.6.7所示。该电路个位计数器输入信号和控制信号的接法也应满足这样的逻辑，这是因为输入信号在整形电路中经过了反相，为保证计数的准确性，应该用输入信号的下降沿触发计数，故应从EN端接入输入信号，同时将闸门信•号用74LS14反相后接入最低位十进制计数器的CLK端。•（5）锁存器•输入输出LEDQLHHHLHLLLL×锁存H××高阻74LS373用于数据所存。它具有三态输出的八D透明锁存器，输出端为Q0~Q7。•为低电平时，Q0~Q7为正常逻辑状态。为高电平时，Q0~Q7呈高阻态。•LE为高电平时，Q随数据D而变。LE为低电平时，Q被锁存。•74系列集成电路的电源额定值为+5±0.5V。超过5.5V会烧毁器件，低于4.5V不能正常工作。在进行实验时必须当心。•74LS373为20脚双列直插集成电路，20脚接+5V，10脚接地，其余引脚定义见图6.6.8。•（6）译码驱动器•共阳极型数码管显示器译码驱动电路常用74LS247，它是双列直插16引脚集成电路，16脚接VCC，8脚接地，其余引脚的定义如图6.6.9所示。真值表见表6.6.4。•74LS247为集电极开路输出的BCD-7段译码/驱动器。输出端a~g为低电平有效，能带动24mA的灌电流（电流从输出端流入）负载，可直接驱动指示灯或共阳极数码管。•*对十进制数0~15进行译码驱动输出时，（消隐）应为高电平或开路。•*对十进制数0进行译码驱动输出时，还要求（脉冲消隐）应为高电平或开路。•*当（消隐输入）为高电平或开路时，（灯测试）的低电平可使a~g输出端为低电平。•根据以上要求，只要将、和这三个低电平有效的控制端均接VCC，译码驱动电路即可正常工作。•（7）数码管•以共阳极型数码管为例介绍数码管的结构和使用方法。图（a）为0.5英寸数码管的管脚排列（俯视）示意图，图（b）为数码管的电路标识图。只要是0.5英寸数码管，管脚排列都是一样的，第3脚和第8脚为COM端，接VCC.•共阴极型数码管与共阳极型数码管的区别仅在于接入电路时的极性不同。共阴极型数码管的COM端应该接地，而各个字段控制端接高电平时才能辉光。•如果不准备让某个笔段（例如小数点dp）辉光时，只要将该笔段的控制端悬空或接到COM端即可。•0.5英寸数码管每个字段的最大驱动电流不得超过20mA（≥2mA时即可看见辉光），正常情况下每个字段上的电压降为1.6~2.8V，所以当电源电压为5V时，在笔段控制端与驱动电路输出端之间应该串接一只300Ω~500Ω的限流电阻,否则既有可能烧毁数码管，也有可能烧毁驱动电路。•设计课题函数波形发生器和频率计设计•一设计的目的、技术指标和要求•1目的•拓展数字模拟集成电路的应用知识。•2技术要求•（1）设计一个简易频率计，要求有4位十进制数码显示，可测量函数发生器的信号频率。•（2）拓展设计出能够产生连续可调的正弦波或三角波或矩形波或锯齿波产生电路；•（3）拓展设计出能够测量方波的周期或脉宽的电路。•3完成要求：•用相关集成电路独立设计并写出设计报告。•完成基本电路（1）的实验，测试指标符合要求，并完成设计报告。•至少完成一种拓展电路的设计及仿真。•附1：设计报告要求•1.根据技术指标选定实现方案。•2.说明所选电路的组成及工作原理，并绘出原理框图。•3．主要电路的设计计算和元器件选择。•4．画出实际电路图，（用mutisim绘图软件绘制并仿真）。•5．列出元器件清单。•6.拟订调试方法和步骤。•7.拟定技术指标的测试方案，给出相应的测试用数据表格。•附2：拓展设计报告要求•简述设计方法，绘制最终电路图。•绘出各级电路的输入输出波形。•各项测量数据及技术指标的实测结果。•技术指标中有要求时，绘制相关的曲线并进行分析。•将拓展设计报告作为附件附在设计报告之后。