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电子小信号数字频率计的设计与制作

时间:07-18 来源:互联网 点击:

一、设计思路

该频率计的测频范围0Hz~999Hz,测量的电压范围为0~7mV,本电路结构简单,成本低廉,对于提高动手能力加强对理论知识的灵活运用具有很大的帮助。该电路大致可分为模拟和数字两个部分:

电子小信号数字频率计的设计与制作Digital frequency meter
模拟部分包括信号放大电路、信号整形电路;数字部分包括计数电路、显示电路、时基信号发生电路与计数器与锁存器控制电路等,基本框如下图所示。
该 电路的整体思路就是将交变的模拟信号转换为数字信号,然后实现频率的计算。当在该电路的输入端输入微小变化的模拟信号时。经过第一部分的放大电路放大后。 再通过由比较器组成的整形电路进行整形。此时该部分输出的信号就变成了规则的数字脉冲信号,最后通过数字电路来实现计数功能。整形过后数字信号就可以通过 计数器等数字电路来处理。计数器与显示电路相连。即可显示所测的频率。其中时基信号发生电路的作用是产生一秒钟脉宽的时基信号,来控制计数器实现一秒钟的 计数,同时时基信号还控制锁存电路,当计数结束后及时锁存数据以实现稳定的显示。

二、电路原理

系统电路如下图所示。

电子小信号数字频率计的设计与制作Digital frequency meter
(1) 放大电路:放大电路部分主要由一块LM324集成运放及外围元件组成。本放大电路采用两级放大,第一级信号的增益为20dB,第二级的信号增益为 40dB,两级的放大倍数为1000倍,其频率的带宽为0~5kHz。采用多级放大可以提高的放大电路的通频带,如果被测的信号频率较高。可以采用多级放 大来提高通频带,根据实际情况而定,由于本电路的测频范围低,对通频带不做太多的要求。图2中,A端为被测信号的输入端。B端为放大电路的输出端,接整形 电路的输入。
(2)整形电路:整形电路的主要作用是将第一部分放大的交变信号整形为数字信号(即幅度为5V的方波信号),其电路主要由比较器组成,该电路中我们选用LM393比较器,B端为整形电路输入端,C为整形电路的输出端接E端。
(3)计数电路:计数电路部分我们选用3片十进制加法计数器74LS160的级联来实现0-999Hz的频率显示,74LS160为可预置的十进制同步计数器,利用其级联,可以构成任意进制的计数器。
74LS160(a) 的2脚为脉冲信号的输入端,1脚清零端。74LS160(a)的CO进位端接74LSl60(b)的CLK脉;中输入端,74LS160(b)的进位端接 74LS160(c)的CLK脉冲输入端,三块计数器的PE、TE及LD端接电源.使计数器工作在计数的状态,CLR端接时基电路,由时基电路来控制计数 与清零。
(4)显示电路:显示电路部分主要由二块74LS273锁存器和12个红色发光二极管组成,74LS273是8位数据/地址锁存器。他是 一种带清除功能的8D触发器,主要实现对计数电路的输出信号进行锁存,由于计数器的频率较快。采用的是动态显示,我们为了显示的稳定,便于观察,所以在计 数器的输出端进行锁存。该锁存器的锁存信号由时基电路来提供,且当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个 上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的数据,并且立即呈现在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、 12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。74LS273的CLR端接高电平,使其工作在不清零状态。
(5)时基信号产生电 路:该电路的主要作用是产生O.5Hz的时基信号(即周期为2秒,脉宽为1秒的闸门信号)为锁存器提供锁存信号和为计数电路提供计数闸门信号,实现频率计 数与显示。时基信号产生电路由一个频率为3.2768MHz的晶振和一块CD4060分频器以及外围元件够成。CD4060(IC)是一种带有振荡器的 14级分频器电路。用作振荡器时需外接R、C元件或石英晶体和电容器。内部包含两个非门和14级2分频电路,它所产生的信号频率为32768Hz,经14 级两二分频后,得到一个2Hz的脉冲信号。下图H端为2Hz信号的输出端。

(6)计数器与锁存器控制电路该部分电路主要是控制计数电路的清零、计数与锁存电路的锁存显示。该电路的核心器件是一块 D触发器74L.S74与一块与非门74LS00组成。H为2Hz方波信号(即周期为0.5s,时基电路产生)的输入端I、J为控制信号的输出端,分别接 计数器的清零端与锁存电路的CLK时钟端,H、I、J端的信号时序如下图所示。

电子小信号数字频率计的设计与制作Digital frequency meter

基准信号经过D触发器分频后便获得1Q和2Q的方波信号,经由两个与非即可得到l端和J端的方波信号。当l端的信号在高电平时计数器工作在计数状态,低电平时对计数器清零。当l端的信号处于下降沿的时候,此时J端的信号处于上升沿。
该上升沿信号使锁存器开始工作,直到下一个上升沿的到来.这样便实现输入信号的计数与锁存。
(7)电源电路:该电路的整体供电需要双5V,因此我们可以设计一个简单的双电源供电电路。电路原理图如下图所示。

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