数字频率计电路设计.docx

数字频率计电路设计.docx

《数字频率计电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字频率计电路设计.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

数字频率计电路设计

数字频率计电路设计

摘要:

在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。

本课题主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、隔直，触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。

放大整型电路：

对被测信号进行预处理；计数器译码电路：

计数译码集成在一块芯片上，计算单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：

把BCD码译码在数码管显示出来。

设计中采用了模块化设计方法，采用适当的放大和整形，提高了测量频率的范围。

关键词:

集成电路；译码电路；计数电路

Thefrequencyofdigitalcircuitdesign

Abstract:

Indigitalcircuits,digitalfrequencymeterbelongstoanditmainlyconsistsofsequentialcircuitswithfunctionofmemoryflip-flopconstitutes.Incomputerandvariousdigitalinstrumenthavebeenwidelyused.InCMOScircuitseriesproducts,digitalfrequencymeteristhemostconsumable,manyvarietiesproducts,isacomputer,communicationequipment,audiovideoetcscientificresearchproductionfieldindispensablemeasuringinstrument,andwithmanyelectricparametermeasurementsystem,measurementresultsareverycloserelations,andtherefore,frequencymeasurementbecomesevenmoreimportant.

Thistopicischoosewithintegratedchipsasthecorecomponent,designsasimpledigitalfrequencygaugetotriggerandcounterasthecore,thesignalinput,liebetweenstraight,triggering,counting,dataprocessinganddatadisplayfunctionmodule.Enlargeintegercircuit:

tobemeasuredsignalpretreatment;Counterdecodercircuit:

countdecodeintegrationonasinglechip,plantimeunit,thedecimalcounterpulsenumbercounttheresultstranslatedintoBCD;Display:

putBCDindigitaltubedisplayeddecoding.Designusingmodulardesignmethod,theadoptionofappropriateamplifierandplasticandimprovethemeasuringrangeoffrequencies.

Keywords:

integratedcircuits；decodecircuit；countingcircuit

1概述

1.1课题研究背景

数字频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的历史，早期设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量的精度、稳定度等，这些也是人们衡量数字频率计的技术水平，决定数字频率计价格高低的主要依据[1]。

目前这些基本技术日益完善成熟。

应用现代技术可以轻松的将数字频率计的测量上限扩展到微波频段。

随着科学技术的发展，用户对数字频率计也提出了新的要求。

对低档产品要求操作简单方便，册来那个（足够）宽、可靠性高、价格低。

而对于中高档产品要求有高的分辨率、高精度、高稳定度、高测量速率；除了通用频率计所具有的功能外，还要求有数据处理功能，统计分辨功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能，这些要求有的已经实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

随着数字集成电路技术的发展速度，应用计数法原理制成的数字频率测量仪器具有高精度、测量范围宽、便于实现测量过程自动化等一系列的突出特点[2]。

1.2课题研究意义

本课题的研究内容为数字频率计的芯片实现，主要涉及信号的处理、数据的采集、计算、译码等功能模块的硬件实现。

通过该项设计，可以将模拟电路及数字电路的理论知识运用于实际中，同时提高分析问题和解决问题的能力[3]。

2整体方案设计（测量频率的方案设计）

测频方法主要有以下几种：

脉冲数定时测频法（M法）、脉冲周期测频法（T法）、脉冲数倍频测频法（AM法）、脉冲数分频测频法（AT法）、脉冲平均周期测频法（M/T法）、多周期同步测频法。

下面是几种方案的具体方法介绍[4]。

脉冲数定时测频法（M法）：

此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx，则待测频率为：

Fx=Mx/Tc（2-1）

脉冲周期测频法（T法）：

此法是在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率信号变化次数Mo。

这种方法测出的频率是：

Fx=Mo/Tx（2-2）

脉冲数倍频测频法（AM法）：

此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。

通过A倍频，把待测信号频率放大A倍，以提高测量精度。

其待测频率为：

Fx=Mx/ATo（2-3）

脉冲数分频测频法（AT法）：

此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。

由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍，所测频率为：

Fx=AMo/Tx（2-4）

脉冲平均周期测频法（M/T法）：

此法是在闸门时间Tc内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo。

若标准信号的频率为Fo，则待测信号频率为：

Fx=FoMx/Mo（2-5）

3主要元器件介绍

3.1CC4518

CC4518为双BCD加计数器，该器件由两个相同的同步4级计数器组成。

计数器级为D型触发器。

具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。

在单个单元运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位。

CR线为高电平时，计数器清零。

计数器在脉动模式可级联，通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联。

同时后者的CP输入保持低电平。

CC4518提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式[5]。

电源电压范围……3V～15V

输入电压范围……0V～VDD

表3.1CC4518推荐工作条件

电源电压……0.5V～18V

输入电压……0.5V～VDD+0.5V

输入电流……±10mA

储存稳定……65℃～150℃

表3.2CC4518极限值

1CP、2CP

时钟输入端

1CR、2CR

清除端

1EN、2EN

计数允许控制端

1Q0－1Q3

计数器输出端

2Q0－2Q3

计数器输出端

VDD

正电源

Vss

地

表3.3CC4518引出端功能符号

表3.4CC4518功能表

3.2CC4553

CC4553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成4位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。

CC4553引脚功能：

CLOCK：

计数脉冲输入端，下调沿有效。

CIA、CIB：

内部振荡器的外界电容端子。

MR：

计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。

LE：

锁定允许。

当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。

图3.5CC4553引脚图

3.3CC4013

CC4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。

每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出。

此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。

在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。

置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。

CC4013提供了14引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

1D－2D

数据输入端

1CP－2CP

时钟输入端

1SD－2SD，1RD－2RD

直接复位端

1Q－2Q

原码输出端

1Q－2Q

反码输出端

VDD

正电源

Vss

地

表3.6CC4013引出端符号

电源电压范围……3V～15V

输入电压范围……0V～VDD

表3.7CC4013推荐工作条件

M类……55℃～125℃

E类……40℃～85℃

表3.8CC4013工作温度范围

电源电压……0.5V～18V

输入电压……0.5V~VDD+0.5V

输入电流……±10mA

储存稳定……－65℃～150℃

表3.9CC4013极限值

图3.10CC4013逻辑符号

图3.11CC4013逻辑图

3.4CC4011

CC4011为2输入正向逻辑与非门。

CC4011与非门为系统设计者直接的与非功能，补充了已有COS/MOS门系列，所有输入和输出经过缓冲，改善了输入/输出特性，使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维持到最小。

CC4011提供了14引线多层陶瓷双列直播（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片装载体（C）4种封装形式[6]。

1A－4A，1B－4B

输入端

1Y－4Y

输出端

VDD

正电源

Vss

地

表3.12CC4011引出端符号

电源电压范围……3V～15V

输入电压范围………0V～VDD

表3.13CC4011推荐工作条件

M类

55℃～125℃

E类

40℃～85℃

表3.14CC4011工作温度范围

电源电压……0.5V～18V

输入电压……0.5V～VDD+0.5V

输入电流……±10mA

储存稳定……65℃～150℃

表3.15CC4011极限值

3.5CC4069

CC4069是由六个COS/MOS反相器电路组成，此器件主要用作通用反相器，即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。

CC4069提供了14引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式[7]。

电源电压范围……3V～15V

输入电压范围……0V～VDD

表3.16CC4069推荐工作条件

M类

55℃～125℃

E类

40℃～85℃

表3.17CC4069工作温度范围

电源电压……0.5V～18V

输入电压……0.5V~VDD+0.5V

输入电流……±10mA

储存温度……65℃～150℃

表3.18CC4069极限值

1A～6A

数据输入端

VCC

正电源

Vss

地

1Y～6Y

数据输入端

表3.19CC4069引出端符号

图3.20CC4069引出端排列（俯视）图

3.6CC4001

CC4001是2输入正向或非门。

CC4001或非门为系统设计者提供了直接的或非功能，补充了已有COS/MOS门系列，所有输人和输出经过缓冲，改善了输人/输出传输特性，使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维待到最小。

CC4001提供了14引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式[8]。

电源电压范围

3v～18v

输人电压范围

0v～Vdd

表3.21CC4001推荐工作条件

M类

55℃～125℃

E类

40℃～85℃

表3.22CC4001工作温度范围

电源电压

0.5v～18v

输入电压

0.5v～Vdd+0.5v

输人电流

士10mA

贮存温度

65℃～150℃

表3.23CC4001极限值

AB

数据输入端

Vdd

正电源

Y

数据输出端

Vss

地

表3.24CC4001引出脚功能符号

3.7CC4071

CC4071或门具有正逻辑或功能，补充了现有的COS/MOS系列。

CC4071提供了14引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。

电源电压范围……3V～15V

输入电压范围……0V～VDD

表3.26CC4071推荐工作条件

M类……55℃～125℃

E类……40℃～85℃

表3.27CC4071工作温度范围

电源电压……0.5V～18V

输入电压……0.5V～VDD+0.5V

输入电流……±10mA

储存温度……65℃～150℃

表3.28CC4071极限值

1A～4A

数据输入端

1B～4B

数据输入端

VDD

正电源

Vss

地

1Y～4Y

数据输出端

表3.29CC4071引出端符号

4设计任务和要求

使用中、小规模集成电路设计与制作一台简易的数字频率计。

应具有下述功能：

1、位数计4位十进制数

计数位数主要取决于被测信号频率的高低，如果被测信号频率较高，精度又较高，可相应增加显示位数。

2、量程

第一档：

最小量程档，最大读数是9.999KHz，闸门信号的采样时间为1s。

第二档：

最大读数为99.99KHz，闸门信号的采样时间为0.1s。

第三档：

最大读数为999.9KHz，闸门信号的采样时间为10ms。

第四档：

最大读数为9999KHz，闸门信号的采样时间为1ms。

3、显示方式

（1）用七段LED数码管显示读数，做到显示稳定、不跳变。

（2）小数点的位置跟随量程的变更而自动移位。

（3）为了便于读数，要求数据显示的时间在0.5s～5s内连续可调。

4、具有“自检”功能。

5、被测信号为方波信号。

6、画出设计的数字频率计的电路总图。

5数字频率计工作原理

脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为F=N/T，其中F为被测信号的频率，N为计数器所累积的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需要的时间。

计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。

如果1S内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ[9]。

本实验课题讨论一种简单易制的数字频率计，其原理方框图如图（5一1）所示。

图5一1数字频率计原理图

晶振产生较高的标准频率，经分频器后可获得各种时基脉冲（1ms,10ms,0.1s,1s等），时基信号的选择由控制开关S1控制。

被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端，如果被测信号为方波，放大整形可以不要，将被测信号加入到主控门的输入端。

时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间内（时基信号的一个周期），输入信号才通过主控门。

若时基信号的周期为T，进入计数器的输入脉冲数为N，则被测信号的频率为F=N/T,改变时基信号的周期为T,即可得到不同的测频范围[10]。

主控门关闭时，技术其停止计数，显示器显示技术结果。

此时控制电路输出一个置零信号，经延时、整形电路的延时，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次取样做好准备，即能锁住一次显示的时间，使保留到接受新的一次取样为止。

当开关S2改变量程时，小数点能自动移位。

若开关S1，S2配合使用时，可将测试状态转为“自检”工作状态。

6有关单元电路的设计及工作原理

6.1控制电路

控制电路与主控门电路如图（6一1）所示。

主控电路由双D触发器CC4013及与非门CC4011构成。

CC4013（A）的任务是输出闸门控制信号，以控制主控门

（2）的开启与关闭。

如果通过开关S2选择一个时基信号，当给与非门

（1）输入一个时基信号的下降沿时，门1就输出一个上升沿，则CC4013（A）的Q1端就由低电平变为高电平，将主控门2开启。

允许被测信号通过该主控门并送至计数器输入端进行计数。

相隔1S（或0.1S，10MS，1MS）后，又给与非门1输入一个时基信号的下降沿，与非门1输出端又产生一个上升沿，使CC4013（A）的Q1端变为低电平，将主控门关闭，使计数器停止计数，同时Q_1端产生一个上升沿，使CC4013（B）翻转成Q2=1，Q_2=0，由于Q_2=0，它立即封锁与非门1不再让时基信号进入CC4013（A），保证在现实读数的时间内Q1端始终保持低电平，使技术其停止计数。

图6一1控制电路

利用Q2端的上升沿送到下一级的延时、整形电路。

当达到所调节的演示时间时，延时电路输出端立即输出一个正脉冲，将计数器和所有D触发器全部置0。

复位后，Q1=0，Q_1=1，为下一次测量做好准备。

当时基信号又产生下降沿时，则上述过程重复。

6.2微分、整形电路

图6一2微分、整形电路

电路如图（6一2）所示。

CC4013（B）的Q2端所产生的上升沿经微分电路后，送到由与非门CC4011组成的斯密特整形电路的输入端，在其输出端可得到一个边沿十分陡峭且具有一定脉冲宽度的负脉冲，然后送至下一级延时电路。

6.3延时电路

延时电路由D触发器CC4013（C）、积分电路、非门（3）以及单稳态电路所组成，如图（6一3）所示。

由于CC4013（C）的D3端接Vdd，因此，在P2点所产生的上升沿作用下，CC4013（C）翻转，翻转后Q_3=0，由于开机置“0”时或非门

（1）输出的正脉冲将CC4013（C）的Q3端置“0”，因此Q_3=1，经二极管2AP9迅速给电容C2充电，使C2二端的电压达“1”电平，而此时Q_3=0，电容器C2经电位器RW1缓慢放电。

当电容器C2上的电压放电降至非门（3）的阈值电平VR时，非门（3）的输出端立即产生一个上升沿，触发下一级单稳态电路。

此时，PR点输出一个正脉冲，该脉冲宽度主要取决于时间常数R1C1的值，延时时间为上一级电路的延时时间及这一级延时时间总和。

由实验求得，如果电位器RW1用510Ω的电阻代替，C2取3μF，则总的延迟时间也就是显示器所显示的时间为3S左右。

如果电位器RW1用2MΩ的电阻取代，C2取22μF，则显示时间可达10S左右。

可见，调节电位器RW1可以改变显示时间。

图6一3延时电路

6.4自动清零电路

P3点产生的正脉冲送到图（6一4）所示的或非门所组成的自动清零电路，将各计数器及所有的触发器置零。

在复位脉冲的作用下，Q3=0，Q_3=1，于是Q_3端的高电平经二极管2AP9再次对电容C2充电，补上刚才放掉的电荷，使C2两端的电压恢复为高电平，又因为CC4013（B）复位后使Q2再次变为高电平，所以与非门1又被开启，电路重新上述变化过程。

图6一4自动清零电路

7PCB板的制作

7.1PCB板设计的设计原则

7.1.1布局

首先，要考虑电气要求、散热、封装尺寸等。

在确定PCB尺寸后．再确定特殊元件的位置。

最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

[1]尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。

易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

[2]某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。

带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

[3]重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。

那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。

热敏元件应远离发热元件。

[4]对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。

若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

[5]应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置[11]。

7.1.2布线

[1]输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。

最好加线间地线，以免发生反馈藕合。

[2]印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。

当铜箔厚度为0.05mm、宽度为1～15mm时．通过2A的电流，温度不会高于3℃，因此．导线宽度为1.5mm可满足要求。

对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02～0.3mm导线宽度。

当然，只要允许，还是尽可能用宽线．尤其是电源线和地线。

导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。

对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至5～8mm[12]。

[3]印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。

此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则．长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。

必须用大面积铜箔时，最好用栅格状．这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

7.1.3焊盘

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。

焊盘太大易形成虚焊。

焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。

对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（d+1.0）mm。

7.2PCB板电路抗干扰措施

7.2.1电源线设计

根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。

同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力[13]。

7.2.2地线设计 

地线设计的原则是：

[1]数字地与模拟地分开。

若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。

低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。

高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

[2]接地线应尽量加粗。

若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。

因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。

如有可能，接地线应在2～3mm以上。

[3]接地线构成闭环路。

只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。

7.3制板

对于手工自制印刷电路板，按板面的实际设计尺寸剪裁敷铜板可用钢锯沿边线锯开，将敷铜板表面