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頻率計報告原理部分
數字頻率計的設計
一、 設計要求和指標
1、可測頻率范圍為10Hz~1MHz。
2、采用數碼管顯示，顯示位數不少于6位。 3、顯示時間從2~7秒可調。 4、輸入阻抗大于10KΩ。
5、輸入信號峰峰電壓值在0.5~20V范圍內可測。 二、 函數發生器的基本原理
一、測量原理
頻率為單位時間內信號的周期數。對脈沖信號而言，其頻率為一秒鐘內的脈沖個數；計數器在一秒鐘內對脈沖信號進行計數，計數的結果就是該信號的頻率。只要計數結果以十進制方式顯示出來，就是最簡單的頻率計。如圖2.1.1所示，被測脈沖信號為X，在T1時刻出現一個脈沖寬度為一秒的閘門脈沖信號P，用閘門脈沖P取出一秒時間內的輸入脈沖信號X形成計數脈沖Y，計數器對計數脈沖信號Y進行計數；計數的結果（頻率值）在T2時刻被鎖存信號S控制，鎖存到寄存器，并通過譯碼器、顯示器把并率顯示出來。在T3時刻計數器被清除信號R清零，準備下一次的計數，一次測量結束。
圖2.1.1 頻率器的測量原理
顯示數值在T2時刻更換，S脈沖信號的周期為顯示時間，其大小反映顯示值的變化快慢。 顯示時間Tx為：
Tx=T3-T2+（0~2） （秒）
可見，改變T3-T2的值可調節顯示時間，通常T3是通過T2的延時而得，通過調節延salifelink.com時時間來調節顯示時間。
二、方案框圖
頻率計的框圖如圖2.1.2，由六部分組成，以計數器為核心，各部分的功能如下：
圖2.1.2 頻率計總體框圖
1、計數器：在規定的時間內完成對被測脈沖信號的計數。由輸入電路提供計數脈沖輸入，對脈
沖進行計數（在規定的測量頻率范圍內計數無益出）。計數結果一般為十進制，并將計數結果輸出送往寄存器，再由控制電路提供的清除信號R清零。等待下一次計數的開始。該部分主要考慮計數器的工作頻率和計數容量問題。
2、鎖存器：暫存每次測量的計數值。為顯示電路提供顯示數據。鎖存器由控制電路提供的瑣存信號S控制更換數值。以正確地顯示每一次的測量結果。
3、譯碼顯示電路：對鎖存器的輸出數據譯碼，變為七段數碼顯示碼，并驅動數碼顯示器顯示出十進制的測量結果。包括譯碼電路和驅動顯示電路。
4、時基電路：提供電路所需的各種工作脈沖信號。主要由控制電路形成各種控制時序脈沖。頻率的穩定和精確是重要考慮的問題，它決定了頻率測量的準確程度。
5、輸入電路：對各種輸入信號進行放大處理，產生計數脈沖。該部分要適應各種輸入信號，如對小信號進行放大，對大信號進行限幅，對高頻信號和低頻信號都能形成計數脈沖輸出，以激勵門電路。
6、控制電路：產生有一定的時序要求的鎖存信號S、清除信號R等控制信號。給基準脈沖控制的閘門脈沖信號給輸入電路取出計數脈沖。 三、 單元電路設計
1、輸入電路 1）原理設計
輸入電路是對輸入信號進行放大或衰減，變成合適的電壓范圍，同時對輸入信號進行隔直、比較、整形，處理成脈沖信號，再通過閘門電路，由基準脈沖選出計數脈沖進入計數器。
輸入電路首先要隔離直流，然后對信號進行限幅和放大處理。放大電路可采用運算放大器構成。由于輸出脈沖要求的幅度較大，要求能夠驅動門電路，對運算放大器要求速度較高。圖1是采用高速CMOS反相器74HC04構成放大電路的輸入電路。該集成電路的平均傳輸延遲時間約9nS。采用三級串接，形成足夠的放大倍數，放大電路的輸出幅度大。輸入端通過電容C隔離直流。二極管對輸入信號進行限幅，使輸入信號的電壓范圍變寬，滿足設計要求。二極管最好選用結電容較小、開關速度較高的高頻二極管，以免對高頻信號造成損失。后兩級形成施蜜特觸發器對信號進行整形，同時也有一定的放大作用。調節RW可改變施密特觸發器的閥值電壓。
4HC04
圖1 是采用74HC04構成的輸入電路
2）電路調試
在電流板上焊接好元器件，對連接好的電路先不加輸入信號，測量各級直流工作電壓和電流是否正常。直流電壓的測試非常方便，可直接測量。進行靜態測試的目的主要是檢測電路板中是否出現短路和斷路的情況，防止在焊接電路的過程中出現的焊接問題給后面的電路檢測帶來問題。
在實驗箱上調+5v的電源，給電路通上電，輸入檢測信號，從被檢測的信號輸入端輸入幅值在1V左右，頻率在1kHz，打開示波器，自檢，把示波器的第一通道的接地端接地，探針放到輸出端，用示波器觀察電路的輸出波形，理論上正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值在5V的矩形波，在示波器上我們可以觀察頻率一致的波形但是波形有一點失真，通過請教老師可知，只是因為器件的性能關系，才帶來的失真誤差。
2、時基電路
圖2 用CD4060集成電路的時基產生電路 圖3 CD4060的引腳圖 如圖2，采用CD4060集成電路，它集振蕩器和分頻器于一體，用32.768KHz的石英晶體構成振蕩器，經內部14級二進制分頻獲得2Hz的脈沖信號，再經一個由D觸發器組成的2分頻電路分
頻得1S的基準脈沖信號，該電路結構最為簡單，但只有一個1S的基準脈沖輸出。
CD4060的引腳圖如圖3所示。
2）電路調試
時基電路的作用是產生一個標準時間信號，即高電平的持續時間為1S，該電路的靜態調試已經在之前進行過，連接好電源和電路，函數信號發生器上產生一個2V頻率為100Hz的信號，連入到電路，在示波器上觀察波形，可是這次我們沒有在示波器上發現波形，于是斷開電源，對集成塊的管腳進行檢測，最終發現管腳子焊接時出錯，排除了故障，最終可以再示波器上顯示預期的波形，斷開電源，整理好試驗箱和導線。
3、計數器 1）原理設計
圖4是采用三位十進制計數器CD4553的方案。CD4553為三位BCD碼計數器，該電路的特點是只有一組BCD碼輸出端，但通過分時控制可形成三位BCD碼輸出，實現動態掃描，可節省譯碼
圖5 CD4553內部邏輯框圖
表1 CD4553的真值表
圖6 CD4553功能引腳圖
CD4553內部邏輯框圖如圖5所示。CD4553的真值表見表1。功能引出見圖6。三個用負沿觸發的BCD碼計數器以同步工作方式級聯。每個BCD碼計數器輸出端都有一個四位鎖存器，通過門鎖端LE控制。對計數器結果加以存儲或傳送。LE為高電平時執行鎖存，LE為低電平時執行傳數。鎖存器與多路轉換器配合，完成三組BCD碼計數值的分時輸出。數字選擇輸出端為分時輸出同步控制信號，以實現對LED的動態顯示，輸出低電平有效。芯片內設置了一個掃描振蕩器，用來產生掃描時鐘脈沖，通過掃描器驅動多路轉換器，完成分時輸出。掃描頻率由芯片3、4腳外接的電容器C值來設定，作為內部時鐘；或由4腳直接輸入外部時鐘。使用內時鐘時，電容器C的數值可按下式選取：掃描頻率f (Hz)=1.2/C（uF）。
在時鐘輸入端設置了脈沖整形電路，因此對輸入計數脈沖的沿口無特殊要求。13腳為復位端（MR），在高電平時，掃描振蕩被禁止，掃描器被復位，數字選擇輸出端DS1、DS2、DS3均輸出高電平，使顯示消隱；同時還將3位BCD碼計數器全部清零，14腳（OVF）為進位端，當本級輸入第1000個計數脈沖時，OF端輸出一正脈沖。
2）電路調試
連接好電路，通上+5V的電壓，連接好示波器，觀察示波器上的波形，我們可以觀察到相鄰計數器始終端的波形頻率一次大約相差十倍，各電平值或波形與電路給出的狀態大約一致其實對于這個電路的檢測，我們發現在示波器上顯示的波形的頻率關系并不一致，而且波形也不正常，于是在老師的指導下對計數器和反饋門的各引腳電平與波形進行檢測，最終發現了原因，原來我們的導線有問題，排除了故障。
4、譯碼顯示電路 1）原理設計
圖7為配合CD4553的譯碼顯示方案，其中三極管Q1、Q2、Q3由CD4553控制循環選擇動態的三位數碼顯示器。R1~R7為限流電阻。CD4543為七段鎖存/譯碼/驅動器，其特點是既可驅動共陽或共陰的LED，也可驅動LCD，使用比較方便。
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圖7 配合CD4553的譯碼顯示電路
譯碼顯示器也可選用CD4544，它和CD4543功能相同，只是多了RBI、RBO兩個滅零輸入和滅零輸出端口。它們的引腳圖如圖8，功能表如表2。
對于該電路的調試，在焊接前要對七段數碼管進行一個管腳檢測步驟，檢測掐斷數碼管同測試普通半導體二極管一樣。注意!萬用表應放在R×10K檔，因為R×1K檔測不出數碼管的正反向電阻值。對于共陰極的數碼管，紅表筆接數碼管的“-”，黑表筆分別接其他各腳。測共陽極的數碼管時，黑表筆接數碼管的接地端，紅表筆接其他各腳。另一種測試法，用兩節一號電池串聯，對于共陰極的數碼管，電池的負極接數碼管的“-”，電池的正極分別接其他各腳。對于共陽極的數碼管，電池的正極接數碼管的接地端，電池的負極分別接其他各腳，看各段是否點亮。對于不明型號不知管腳排列的數碼管，用第一種方法找到共用點，用第二種方法測試出各筆段a-g、接地端、H等。通過觀察數碼管的電量情況就可以該段電路的好壞。
5、控制電路
控制電路主要產生閘門信號、計數器清零信號、鎖存器的鎖存信號等控制信號，主要由閘門電路、延時電路、整形電路組成。
閘門電路主要產生閘門脈沖，它的脈沖寬度控制每一次的測量時間，如1S，0.1S等，由時基電路提供。圖9為使用雙D觸發器CD4013構成的方案。清零信號脈沖對觸發器UB清零，UB輸出端Q為“0”使得 UA清零信號無效。基準脈沖上升沿到來使觸發器UA翻轉，Q端輸出為“1”，第二個基準脈沖到來時，觸發器UA翻轉，Q端輸出為“0”；同時輸出端Q上升沿使得UB翻轉，UB的，輸出一個下降沿觸發延時電路，UB的Q端變為“1”，對UA置零，使UA的Q
Q輸出變為“0”
圖9 控制電路
圖11為采用三雙精密可重觸發單穩態觸發器CD4538構成的延時電路，可輸出鎖存脈沖和清零脈沖信號。電路中利用一個單穩態觸發器對閘門脈沖的后沿作延遲，延遲時間由定時電路參數決定約為R1C1，通過微分電路整形成一定寬度的脈沖，脈沖寬度約為0.7R2C2，從而形成鎖存脈沖。注意脈沖寬度的不要選得太大。另一個單穩態電路是對鎖存脈沖的延遲得到清零脈沖，其工作原理和鎖存脈沖的延遲電路原理一樣。CD4538的引腳圖見圖10，功能表見表3。
表3 CD4538的功能表
圖10 CD4538引腳圖
圖11 由單穩態觸發器CD4538構成的延時電路
6、整機電路調試
用導線接通所有的電路模塊，再用萬用表檢測各模塊之間是否連通，檢測好后，從函數信號發生器上產生一個電壓為2V頻率為100Hz的信號，連接到電路的輸入端，給電路上電，觀察七段數碼管是否正確顯示頻率的大小，這次為了節約成本，我們只用兩塊七段數碼管來顯示有三位數的顯示，我們只顯示十位和百位的數字，不斷的檢測與該進，最終我們成功的讓其顯示了正確的頻率。再次在函數型號發生器上產生一個電壓為2V頻率為90Hz的信號。連接到電路，我們發現顯示電路的百位七段數碼顯示0，十位七段數碼顯示9，這說明顯示成功。最后斷開電源，整理好實驗箱和導線，調試結束。
四、 設計心得
經過一個星期的努力，我們小組的數字頻率計制作和調試都圓滿成功，我很高興也很激動。因為自己付出得到了回報。在這過程中，我們小組很努力的去做比其他同學都認真，每一個孔的焊接，每一條線路的連接我們都很細心去做也有認真的去思考老師給我們的電路原理，，我們小組分工合作，我負責電路原理圖和電路元件參數的計算與選取，黎德強同學則負責電子元器件的購買，黎德強是電子協會的，在這個制作過程中我向他學習了不少的知識，關鵬毅同學主要負責電路板的焊機工作，對于焊接我一直覺得是一件比較麻煩的事，這兩位同學所辛苦的遠遠大于我了，在這里衷心謝謝這兩位同學，在設計過程中我們也是相互學習的一個過程，每個人都有自己擅長的，我們通過實踐相互交流，這是一種很好的學習過程。
調試過程中，我們也面臨著很多問題，有時候電路板得不到預期的效果要求，通過檢測也發現問題，有時是電路的焊接問題，有時是電路元器件參數不正確，有時電阻的誤用等。有時候我們也不得不請教老師，跟老師討論出現什么問題，，老師告訴我可能什么原因，在通過檢查后發現問題，再解決這問題，我們的數字頻率計就是這樣完成的。再此我還要感謝我們的指導老師。
電子綜合技能實訓課程，是針對專業理論和實踐相結合的一門過程，在設計的過程中，不但可以對以前所學到的專業知識作系統性的回顧，還可以學到不少的新知識，我想只有這樣的課程才能更大程度的讓我們的學習得到進步。
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