數(shù)字集成芯片構(gòu)成的頻率計數(shù)器設計
摘要:頻率計數(shù)器是一種用數(shù)字顯示的頻率測量儀表,它不僅可以潮量正弦信號、三角波信號、方波信號和尖脈沖信號的頻率,而且還能對其他多種非電量信號的頻率進行測量。系統(tǒng)采用555定時器組成的多諧振蕩器作為時基產(chǎn)生電路,產(chǎn)生頻率為1 kHz的控制信號,而被測信號經(jīng)過一個放大整形電路,將其變化成滿足系統(tǒng)要求的計數(shù)脈沖信號,然后用頻率計數(shù)器測量單位時間內(nèi)變化次數(shù),即被測信號的頻率。
關(guān)鍵詞:頻率測量;555定時器;LED顯示;頻率計數(shù)器
頻率計數(shù)器是一種用數(shù)字顯示的頻率測量儀表,它不僅可以測量正弦信號、三角波信號、方波信號和尖脈沖信號的頻率,而且還能對其他多種非電量信號的頻率進行測量,例如機械振動次數(shù),物體轉(zhuǎn)動速度,明暗變化的閃光次數(shù),單位時間里經(jīng)過傳送帶的產(chǎn)品數(shù)量等,這
些物理量的變化情況可以通過相應的傳感器先轉(zhuǎn)變成周期變化的電量信號,然后用頻率計數(shù)器測量單位時間內(nèi)變化次數(shù),利用8421碼編碼的十進制計數(shù)器進行計數(shù),計數(shù)的結(jié)果由譯碼顯示電路顯示出來。
1 頻率計數(shù)器整體方案設計
所謂頻率就是信號在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù),其數(shù)學表達式為f=N/T,其中f為被測信號的頻率;N為T時間內(nèi)所累計的脈沖個數(shù);T為計數(shù)時間。計數(shù)器單位時間內(nèi)的計數(shù)結(jié)果,即為被測信號的頻率。本系統(tǒng)就是按照頻率的這一定義來實現(xiàn)其測量的,其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)由輸入電路、邏輯控制電路、計數(shù)顯示電路、時基產(chǎn)生電路4大部分構(gòu)成,其工作原理為:被測頻率信號經(jīng)過放大、整形之后,將其變換為頻率與之相等的計數(shù)脈沖信號,作為閘門的一路輸入信號,而時基產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波信號,送給邏輯控制電路,產(chǎn)生控制閘門開啟和關(guān)閉的門控信號,作為閘門的另一路輸入信號。門控信號為高電平時,閘門開啟,計數(shù)脈沖信號通過閘門進入十進制計數(shù)器進行計數(shù);門控信號為低電平時,閘門關(guān)閉,十進制計數(shù)器停止計數(shù),計數(shù)的結(jié)果通過譯碼顯示電路顯示出來。本系統(tǒng)可實現(xiàn)10~9 999 Hz信號的頻率測量,還可通過調(diào)節(jié)555定時電路的輸出頻率改變測量精度。
2 頻率計數(shù)器硬件電路設計
2.1 輸入電路設計
實際測量中的輸入信號種類繁多,可能是正弦波、三角波、方波或其他形式的波形,不能夠滿足后級的閘門或計數(shù)電路要求,所以在測量的時候需要將被測信號經(jīng)過一個整形電路,將其變化成滿足計數(shù)電路要求的脈沖信號。并且在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況,所以還要考慮信號的放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時,通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時,則調(diào)節(jié)輸入放大的增益,使被測信號得以放大。如圖2所示為放大整形電路。為保證測量精度,在整形電路的輸入端加一前置放大器,對幅值
較低的被測信號經(jīng)放大后再送入整形電路整形。模塊電路由單級共射放大電路、74LS00與非門和基本RS觸發(fā)器所構(gòu)成,其中3DG100為放大器,可對周期信號進行放大后再傳入整形器中對信號進行整形。輸入電路通過基于multisim仿真軟件的電路仿真,可實現(xiàn)正弦波、三角波到脈沖信號的轉(zhuǎn)換,如圖3所示。
2.2 時基產(chǎn)生電路設計
為了獲得較為穩(wěn)定的時間基準信號,以便準確地控制閘門的開啟與關(guān)閉時間,本設計采取用555定時器組成的多諧振蕩器作為時基產(chǎn)生電路,要求其產(chǎn)生頻率為1 kHz的脈沖。振蕩器的頻率計算公式為:,因此,可確定各個參數(shù),并通過電路仿真得到了比較穩(wěn)定的脈沖信號,這里取R1=47 kΩ,R2=39 kΩ,C=10μF。為了提高測頻精度以及顯示穩(wěn)定,這里加入了一個電位器,可改變振蕩器的輸出頻率,以改變閘門時間。
2.3 邏輯控制電路設計
邏輯控制電路是本設計最為關(guān)鍵和難搞的模塊,主要是控制閘門的開啟和關(guān)閉,同時也控制整機系統(tǒng)的邏輯關(guān)系,包括產(chǎn)生74LS90的清零信號,74LS373的鎖存信號以及譯碼顯示電路的控制信號。這里采用兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123組成邏輯控制電路,當1,觸發(fā)脈沖從A端輸入,其輸出信號控制整機系統(tǒng)正常工作。當控制電路輸出為高電平時,閘門開啟,被測信號通過閘門進入計數(shù)電路,于是計數(shù)器譯碼器同時工作,從而記下所測信號頻率值。當控制電路輸出為低電平時,閘門關(guān)閉,計數(shù)器停止工作,數(shù)碼管繼續(xù)顯示所測頻率值。直到下一次測量,當手動復位開關(guān)S按下時,計數(shù)器清零,數(shù)碼管顯示消失,頻率計數(shù)器完成一次測量。這里閘門采用74LS00與非門。時基產(chǎn)生電路原理圖和仿真波形圖如圖4、圖5所示。
2.4 計數(shù)與顯示電路設計
本模塊電路如圖6所示,由計數(shù)器、鎖存器、譯碼器和LED顯示4部分組成。其中74LS90是常用的二-五-十進制異步計數(shù)器。本設計要求采用8421碼的十進制計數(shù),所以,當R01R02=0,S01S02=0,計數(shù)脈沖從CP1輸入,CP2接QA,實現(xiàn)十進制計數(shù)功能。而R01R02連接控制電路的輸出,在控制信號為高電平時,閘門開啟,計數(shù)器工作。74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器,只有在清除端CLR為高電平時,才具有鎖存功能,鎖存控制端為11腳CLK,采用上升沿鎖存。這里如果不加74LS273鎖存器,那么器的輸出結(jié)果一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(shù)一直在工作,所以數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字,并且數(shù)字快速閃動,無法觀測數(shù)據(jù),計數(shù)停止,數(shù)碼管也停止顯示。為解決這個問題,可通過鎖存信號,實現(xiàn)計數(shù)時數(shù)碼管不顯示,計數(shù)停止后,數(shù)碼管再顯示計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果的功能。
3 結(jié)語
本頻率計數(shù)器經(jīng)過測試與應用,確保能正確傳輸信號及實現(xiàn)頻率的測量。在電路改進方面可在時基電路的555定時器的管腳2與7之間加了2個反方向的二極管,并設置參數(shù)相等的電阻R1、R2,這樣可得到占空比為50%的脈沖波形;還可將芯片CC4511和共陰極LED顯示器換為芯片74LS48和共陽極LED顯示器實現(xiàn)共陽極顯示,以及為提高測量精度,增加由74LS90構(gòu)成的分頻電路。