第二章電路得總體設(shè)計(jì)方案

2、1方案論證與選擇

2.1.1方案得提出

方案一

電路整體框架如圖一所示。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大,整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率

得脈動(dòng)信號(hào),送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，閘門(mén)得一個(gè)輸入信號(hào)就是秒脈沖發(fā)出得標(biāo)準(zhǔn)脈

沖信號(hào)，秒脈沖信號(hào)源含有個(gè)高穩(wěn)定得石英振蕩器與一個(gè)多級(jí)分頻器共同決定，其

時(shí)間就是相當(dāng)精確得，計(jì)數(shù)器顯示電路采用七段共陰極LED數(shù)碼管。

圖2-1方案一框架圖

方案二：

本方案采用單片機(jī)程序處理輸入信號(hào)并且將結(jié)果直接送往LED顯示,為了提

高系統(tǒng)得穩(wěn)定性，輸入信號(hào)前進(jìn)行放大整形，在通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機(jī)系統(tǒng),

采用這種方法可大大提高測(cè)試頻率得精度與靈活性，并且能極大得減少外部干擾,

采用VDHL編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)得數(shù)字頻率計(jì)，除被測(cè)信號(hào)得整形部分、鍵輸入部分與

數(shù)碼顯示部分以外，其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)非常精簡(jiǎn)，而且具

有靈活得現(xiàn)場(chǎng)可更改性。但采用這種方案相對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜度將會(huì)大大提高并且采用

單片機(jī)系統(tǒng)成本也會(huì)大大提高。

LED數(shù)碼顯示電路

Vin

圖2-2方案二框架圖

方案三：

采用頻率計(jì)專(zhuān)用模塊，即大規(guī)模集成電路將計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼、位與段

驅(qū)動(dòng)，量程及小數(shù)點(diǎn)選擇等電路集成在一塊芯片中，該方案在技術(shù)上就是可行得,

可以簡(jiǎn)化電路得設(shè)計(jì)，當(dāng)對(duì)于設(shè)計(jì)要求中得某些指標(biāo),采用專(zhuān)用模塊來(lái)完成比較困

難，即擴(kuò)展極為不便。

LED數(shù)碼顯示電路

2.1.2方案得得比較

方案一:具有設(shè)計(jì)復(fù)雜度小、電路簡(jiǎn)潔、功能實(shí)用且成本低廉等特點(diǎn)，其穩(wěn)定

性較好基本能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

方案二:采用單片機(jī)處理能較高要求/日成本及高且設(shè)計(jì)復(fù)雜，雖然可以達(dá)到

很高得精度要求，但就是,VHDL編程語(yǔ)言就是我們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中沒(méi)有接觸過(guò)得,

短期內(nèi)也很難掌握并且熟練運(yùn)用。

方案三:用專(zhuān)用頻率計(jì)設(shè)計(jì)模塊固然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定但系統(tǒng)可擴(kuò)展性能較

差。

2.1.3方案得選擇

綜合三種方案比較:我感覺(jué)方案一與我以前學(xué)得專(zhuān)業(yè)知識(shí)更接加近些，電路原

理容易理解，所設(shè)計(jì)得數(shù)字頻率計(jì)穩(wěn)定性好，基本上能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，所以我采

用第一種設(shè)計(jì)方案。

譯碼顯示電路

圖2-5數(shù)字頻率計(jì)組成框圖

在我得畢業(yè)設(shè)計(jì)中,數(shù)字頻率計(jì)由信號(hào)輸入電路、分頻電路、放大整形電路、

閘門(mén)電路、時(shí)基電路、邏輯控制電路、計(jì)數(shù)電路、鎖存電路、譯碼顯示電路，小

數(shù)點(diǎn)移位電路，量程選擇開(kāi)關(guān)等組成。

所謂頻率，就就是周期性信號(hào)得在單位時(shí)間(1s)內(nèi)變化得次數(shù)，若在一定時(shí)間

間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)得重復(fù)變化次數(shù)為N,則其頻率可表示為:

f=N/r(2—1)

上圖就是數(shù)字頻率計(jì)得結(jié)構(gòu)框圖。被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形電路變成計(jì)數(shù)器所要

求得脈沖信號(hào)I,其頻率與被測(cè)信號(hào)得頻率fx相同。時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)

信號(hào)H,其高電平持續(xù)得時(shí)間ti=ls，當(dāng)1s信號(hào)來(lái)到時(shí)，閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通

過(guò)閘門(mén)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到1s信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在閘門(mén)時(shí)間

1s內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得得脈沖個(gè)數(shù)為N,則被測(cè)信號(hào)頻率fx=NHzo邏輯控制電路得作

用有兩個(gè):一就是產(chǎn)生鎖存脈沖，使顯示器上得數(shù)字穩(wěn)定;二就是產(chǎn)生清“0”脈沖

V，使計(jì)數(shù)器每次測(cè)量從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。頻率計(jì)中各信號(hào)波形如圖2-6所示：

mJirULfLFWiniL

1V

鎖存n1n

V

-uu消"o，

圖2—6頻率計(jì)中各信號(hào)波形

說(shuō)明：

1、脈沖信號(hào)I為被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形電路后變成得計(jì)數(shù)器所要求得脈沖信

號(hào)，其頻率與被測(cè)信號(hào)得頻率fx相同,或與被測(cè)信號(hào)得頻率呈一定得比例關(guān)系。

2、信號(hào)H為時(shí)基電路提供得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào),其高電平持續(xù)時(shí)間為IS,

當(dāng)此信號(hào)來(lái)到，閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén),使計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù);此信號(hào)結(jié)束,

則閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。II脈沖信號(hào)乂可稱(chēng)為閘門(mén)時(shí)間脈沖用T表示。

3、脈沖信號(hào)1H為閘門(mén)時(shí)間脈沖控制下閘門(mén)所輸出得脈沖，因?yàn)橐獙⑺腿?/p>

計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以又將閘門(mén)所輸出得HI信號(hào)稱(chēng)為計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。若在閘門(mén)時(shí)

間1S內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得得脈沖個(gè)數(shù)為N,則被測(cè)信號(hào)頻率fx=NHzo

4、脈沖信號(hào)IV即為鎖存信號(hào)，就是邏輯控制電路產(chǎn)生得，控制鎖存器鎖存計(jì)數(shù)

結(jié)果得控制信號(hào),它由時(shí)基信號(hào)II結(jié)束時(shí)產(chǎn)生得負(fù)跳變來(lái)產(chǎn)生。

5、脈沖信號(hào)V就是計(jì)數(shù)器得清零信號(hào),也就是邏輯控制電路所產(chǎn)生，用于控制

計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零,使計(jì)數(shù)器每次測(cè)量從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。它就是由鎖存信號(hào)N結(jié)束產(chǎn)

生得負(fù)跳變來(lái)產(chǎn)生。

在這個(gè)總得電路設(shè)計(jì)中包含有幾個(gè)不同功能得分電路,每個(gè)電路在本設(shè)計(jì)中

都有著自己特有得功能,也只有這幾個(gè)分電路組合在一起才使得整個(gè)得電路實(shí)現(xiàn)

其所要達(dá)到得功能。所以還就是先介紹一下每一個(gè)分電路得功能特點(diǎn)。

第三章硬件電路設(shè)計(jì)

3、1時(shí)基電路與閘門(mén)電路

3.1.1時(shí)基電路

時(shí)基電路得作用就是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),其高電平持續(xù)時(shí)間為1s,由555

定時(shí)器構(gòu)成得多諧蕩器產(chǎn)生。

a.555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

555定時(shí)港就是一種模擬電路與數(shù)字電路相結(jié)合得中規(guī)模集成電路，其內(nèi)部

邏輯電路結(jié)構(gòu)如圖3—1(a)所示及管腳圖如圖3—l(b)所示：

圖3-l(a)555定時(shí)器內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)

□□□口

函DTR正a

圖3—l(b)555定時(shí)器管腳圖

它由分壓器、比較器、基本R--S觸發(fā)器與放電三極管等部分組成。分壓器

由三個(gè)5KC得等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器L、提供參考電壓，比較

器I得參考電壓為“，加在同相輸入端，比較滯八得參考電壓為加在反相

輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同得集成運(yùn)放L、八組成。高電平觸發(fā)信號(hào)加在匕

得反相輸入端，與同相輸入端得參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R-S觸發(fā)器gj

端得輸入信號(hào);低電平觸發(fā)信號(hào)加在3得同相輸入端，與反相輸入端得參考電壓

比較后，其結(jié)果作為基大R—S觸發(fā)器端得輸入信號(hào)。基本R--S觸發(fā)器得輸出

狀態(tài)受比較器,I?：得輸出端控制。

b.多諧振蕩器工作原理

由555定時(shí)器組成得多諧振蕩器如圖3—2(a)所示，其中RI、R2與電容C為

外接元件。其工作波如圖3—2(b)所示：

圖3—2(a)由555定時(shí)器構(gòu)成得多諧謝振蕩器

圖3—2(b)rh555定時(shí)器構(gòu)成得多諧謝振蕩器工作波形

設(shè)電容得初始電壓。=0,t=0時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以

高、低觸發(fā)端％=l'“=O＜-Vcc,比較器A1輸出為高電平,AZ輸出為低電平,

即=1,%=0(1表示高電位,0表示低電位),R-S觸發(fā)器置1,定時(shí)器輸出

?()=1此時(shí)。=0，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源I；經(jīng)H向電容C充電人

逐漸升高。當(dāng)?上升到口“時(shí),."輸出由0翻轉(zhuǎn)為1,這時(shí)屏=?)=1,R-S觸發(fā)

順保持狀態(tài)不變。所以0?＜期間，定時(shí)器輸出I為高電平1。

1

1=時(shí)刻，L上升到H“，比較器L得輸出由1變?yōu)?,這時(shí)

RD=0=1,R-S觸發(fā)器復(fù)0，定時(shí)器輸出％=0o

乙期間，0:1，放電三極管T導(dǎo)通,電容?通過(guò)？！放電。|按指數(shù)規(guī)律

下降，當(dāng)，＜二［時(shí)比較器L輸出由0變?yōu)?,R-S觸發(fā)器得RD二S：=1,Q得

狀態(tài)不變?nèi)说脿顟B(tài)仍為低電平。

y％時(shí)刻,L下降到比較器A,輸出由1變?yōu)?,R-S觸發(fā)器得

RD：Ua=0,觸發(fā)器處于1,定時(shí)潛輸出與=1。此時(shí)電源再次向電容C放電，重復(fù)

上述過(guò)程。

表3-1555集成定時(shí)器得功能表

RVjHVJRUoTD

0XX0導(dǎo)通

1大于分Vcc大于1/3Vcc0導(dǎo)通

1小于2/3Vcc小于1/3Vcc1截止

1小于2/3Vcc大于1/3Vcc保持保持

本設(shè)計(jì)需要得時(shí)基信號(hào)波形如圖3-3所示

0.25S

圖3?3本設(shè)計(jì)要求得時(shí)基波形

振蕩器得輸出波形如圖3-3所示，其中石=15^=4^。由公式

石與三可計(jì)算出電阻用，&及電容C得值、若取電容

C=\Qf貝（

ZK仁1a取

可得到本設(shè)計(jì)得時(shí)基電路，如圖3—所示：

+5

圖3-4時(shí)基電路

3.1.2閘門(mén)電路

測(cè)量控制電路（閘門(mén)電路）:用于控制輸入脈沖就是否送給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。由一

個(gè)數(shù)字邏輯元件與非門(mén)來(lái)獨(dú)立完成，其一端輸入高電平持續(xù)時(shí)間為ls（O、25s）得時(shí)

基信號(hào)，另一端輸入經(jīng)過(guò)放大整形后得未知頻率得待測(cè)信號(hào),與非門(mén)得輸出端接低

位計(jì)數(shù)器得信號(hào)輸入端。如圖3-5所示：

圖3?5閘門(mén)電路

閘門(mén)電路部分得與非門(mén)選用74LS00,74LS00就是四2輸入與非門(mén)。其管腳圖

如圖3-6所示。

圖3-674LS00管腳圖

表3-274LS00真值表

4^LLI

輸入物L(fēng)LJ

ABY

001

010

100

110

3、2放大與整形電路

為了能測(cè)量不同電平值與波形得周期信號(hào)得頻率，必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大

與整形處理,使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別得脈沖信號(hào).信號(hào)放大與波形整形電

路得作用即在于此。

3.2.1放大電設(shè)計(jì)

低頻放大電路采用由3DG100構(gòu)成帶電流串聯(lián)負(fù)反饋得分壓式單管共射放

大電路比較合適，工作點(diǎn)穩(wěn)定，工作頻率范圍較寬，放大器輸入阻抗比較大。電珞結(jié)

構(gòu)如圖3-7所示：

圖3-7低頻信號(hào)放大電路

在圖3-7所示低頻信號(hào)放大電路中,三極管3DG100起電流放大作用,就是組

成放大器電路得關(guān)鍵元件。

直流電源Vcc提供整個(gè)放大電路得能源，并且與電阻Rl,R2、Rp確定三極管合

適得靜態(tài)工作狀態(tài)，即保證三極管得發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，使三極管

處于正常放大得狀態(tài)。

集電極通過(guò)一個(gè)電阻Re接地，通過(guò)該電阻得反饋來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)Ube得大小，使

Ube基本保持不變。為了增大放大倍數(shù),減少輸入阻抗，在Re得兩端并聯(lián)一個(gè)較大

得旁路電容Ce,若Ce兩端得交流壓降可以忽略，則電壓放大倍數(shù)將不會(huì)因此而下

降。電容C得作用就是隔直流。

高頻放大電路采用得就是UCP1651芯片對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行放大,放大電路如圖

3-8所示：

3.2.2整形電路設(shè)計(jì)

整形電路得作用就是將輸入得周期性信號(hào)，如正弦波、三角波或其她呈周期

性變化得波形變換成脈沖波,其周期不變。將其她波形變換成脈沖波得電路有多

種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等,本設(shè)計(jì)用到就是過(guò)零比較器，如圖

3-9所示：

圖3-9被測(cè)信號(hào)整形電路

在整形電路中比較放大電路采用OP37將輸入得非方波信號(hào)（如正弦波，三角

波等）轉(zhuǎn)換為方波加以限幅，消波，在利用7404整形使其轉(zhuǎn)換成TTL電平輸出。輸

出波形如圖3-10所示:

圖3-10脈沖形成電路波形圖

本電路由放大電路與整形電路兩部分組成。對(duì)于輸入幅度比較小得正弦波,

二角波，方波信號(hào)，要測(cè)量其頻率大小，首先要進(jìn)行放大整形,變成同頻率得方波信

號(hào)，實(shí)現(xiàn)此功能得電路如圖3/1所示：

7404

0——

圖3-II放大與整形原理圖

3、3邏輯控制電路

控制電路就是通用電子計(jì)數(shù)器完成邏轉(zhuǎn)控制得指揮系統(tǒng)，控制著主閘門(mén)得開(kāi)

啟與關(guān)閉。在控制電路得協(xié)調(diào)指揮下，全機(jī)各部分電路協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成各項(xiàng)測(cè)量工

作。通用電子計(jì)數(shù)器得測(cè)量程序就是計(jì)數(shù)一顯示一復(fù)零。也就就是說(shuō)，在主門(mén)開(kāi)

啟得時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后由顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái),接著發(fā)出復(fù)零信號(hào)使

儀器又恢復(fù)到測(cè)量前程初始工作狀態(tài)。

邏輯控制電路用來(lái)產(chǎn)生兩種控制信號(hào)，一種就是控制鎖存器鎖存得脈沖信號(hào),

另一種就是產(chǎn)生計(jì)數(shù)器得清零信號(hào)，這兩種信號(hào)都需要由信號(hào)負(fù)跳變觸發(fā).其中控

制鎖存得信號(hào)就是由時(shí)基信號(hào)負(fù)跳變觸發(fā)，清零信號(hào)則就是由鎖存信號(hào)得負(fù)跳變

觸發(fā)產(chǎn)生，這里就需要用到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，兩種信號(hào)各由一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器負(fù)責(zé)產(chǎn)

生。經(jīng)選擇采用雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123,手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)S按下時(shí)，計(jì)數(shù)器清“0”。

其電路如圖3-12所示：

信號(hào)輸出

U?A

74LSI23

U

N

圖3-12邏輯控制電路圖

“XT/

CEXTCEXT_

*CC11QIQ2CLR2B2A2

116I1511413121110t

CLR

Q

4rL_H

12I345|6|7|8

AlBlCLRQIQ2CEXT?EXTGND

12CEXT

2

圖3/374LS123管腳圖

表3.474LS123功能表

輸入輸出

CLRABQQ

0XX01

X1X01

Xxo01

10t正脈沖負(fù)脈沖

1I1正脈沖負(fù)脈沖

t01正脈沖負(fù)脈沖

設(shè)鎖存信號(hào)與清零信號(hào)得脈沖寬度L相同，如果要求ta=0>02s,則得

若取R,“二10K貝考&々=44^取標(biāo)稱(chēng)值4.7//

3、4鎖存器

3.4.1電路得選擇

鎖存器就是構(gòu)成各種時(shí)序電路得存儲(chǔ)單元，具有0與1兩種狀態(tài)，一旦狀態(tài)確

定就能自行保持，即長(zhǎng)期保持一位二進(jìn)制碼，直到有外部信號(hào)作用時(shí)才有可能改

變。鎖存器就是一種對(duì)脈沖電平敏感得存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入執(zhí)沖

電平作用下改變狀態(tài)。

鎖存器得作用就是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)所計(jì)得得數(shù)進(jìn)行鎖存，使顯示器上獲

得穩(wěn)定得測(cè)量值。因?yàn)樵?s內(nèi)要計(jì)成干上萬(wàn)個(gè)輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上

得數(shù)字將隨計(jì)數(shù)落得輸出而變化,不便于讀數(shù)。1s計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，邏輯控制電路發(fā)出

鎖存信號(hào)，將計(jì)數(shù)器此時(shí)得值送譯碼顯示器，因此顯示器得數(shù)字就是穩(wěn)定得。

選用8D鎖存器74LS273可以完成上述功能、當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP得正跳變來(lái)到

時(shí)，鎖存器得輸出等于輸入，即Q=D。從而將計(jì)數(shù)器得輸出值送到鎖存器得輸出

端。正脈沖結(jié)束后，無(wú)論D為何值，輸出端Q得狀態(tài)仍保持原來(lái)得狀態(tài)Qn不變.

所以在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器得輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。鎖存器連接如圖3-14所

示：

圖3-14鎖存器連接電路圖

選用三個(gè)8位鎖存器74L273可以完成上述功能。當(dāng)時(shí)鎖存信號(hào)CP得正跳

變來(lái)到時(shí)，鎖存器得輸H等于輸入。從而將計(jì)數(shù)器得輸出值送到鎖存器得輸出端。

高電平結(jié)束后，無(wú)論D為何值，輸出端得狀態(tài)仍保持原來(lái)得狀態(tài)不變。所以，在計(jì)數(shù)

期間內(nèi)，計(jì)數(shù)器得輸出大會(huì)送到譯碼顯示器。D觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表如圖所示：

表3-5D觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表

CPDQn說(shuō)明

t0000

t0100

t1011

t1111

3、4、28位數(shù)據(jù)/地址鎖存器74LS273

74LS273就是帶清除端得八D觸發(fā)器，只有清除端為高電平時(shí)才具有鎖存功

能,鎖存控制端為11腳CLK,在上升沿鎖存。

74LS273得1腳就是復(fù)位CLR,低電平有張，當(dāng)1腳就是低電平時(shí),輸出腳

2(Q0)、5(Q1)>6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全

部復(fù)位；

當(dāng)1腳為高電平時(shí)/1(CLK)腳就是鎖存控制端，并且就是上升沿觸發(fā)鎖存，當(dāng)11腳

有一個(gè)上升沿，立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18得電平狀態(tài),并且立

即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)

上。

74LS273得邏輯功能就是，當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP得正跳變來(lái)到時(shí)，鎖存器得輸出等

于輸入，既Q=Dc正脈沖結(jié)束后，無(wú)論D為何值，輸出端Q得狀態(tài)仍保持原來(lái)得狀

態(tài)Qn不變。74LS237得引腳圖如圖3-15所示

圖3-1574LS273管腳圖

當(dāng)脈沖CLK得正跳變到達(dá)，鎖存器得輸出等于輸入，即Q二D。從而將從而

將六個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即個(gè)位、十位、百位、千位、萬(wàn)位、十萬(wàn)位得輸出值送到鎖

存器得輸出端，正脈沖結(jié)束后，無(wú)論D為何值，輸出端Q得狀態(tài)仍保持原來(lái)得狀態(tài)

不變，所以在計(jì)數(shù)期間計(jì)數(shù)器得輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。

3、5譯碼顯示電路設(shè)計(jì)

3.5.1七段數(shù)字顯示器

在數(shù)字測(cè)量?jī)x表與各種數(shù)字系統(tǒng)中，都需要將數(shù)字量直觀(guān)地顯示出來(lái)，一方面

供人們直接讀取測(cè)量與運(yùn)算得結(jié)果;另一方面用于監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)得工作情況，因

此，數(shù)字顯示電路就是許多得數(shù)字設(shè)備不可缺少得部分。數(shù)字顯示電路通常±1譯

碼器，驅(qū)動(dòng)器與顯示器等幾個(gè)部分組成，如圖3-16所示：

脈沖信號(hào)4

圖3-16數(shù)字顯示框圖

下面對(duì)顯示器與譯碼器驅(qū)動(dòng)器分別進(jìn)行介紹。

電子顯示技術(shù)得應(yīng)用與研究涉及得范圍很廣，包括各種發(fā)光材料得發(fā)光機(jī)理

得研究、實(shí)驗(yàn);各種顯示方式得基本原理及其結(jié)構(gòu)形式，顯示用得材料與器件得選

擇與制作工藝;顯示信息得輸入、變換、處理與控制,等等。隨著科學(xué)技術(shù)得發(fā)展,

隨著經(jīng)濟(jì)、軍事、社會(huì)與人們生活得發(fā)展，信息得種類(lèi)與數(shù)量不斷增加。人們生

活在信息計(jì)會(huì)中，每時(shí)每刻都在獲得某種信息。

數(shù)碼顯示器就是用來(lái)顯示數(shù)字，文字或符號(hào)得器件，現(xiàn)在已有很多種不同類(lèi)型

得產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用與各種數(shù)字設(shè)備中，目前數(shù)碼顯示器件正朝著小型,低功耗，平面

化方向發(fā)展。

數(shù)碼顯示方式一般有三中:第一種就是字形重疊式，它就是將不同字符得電極

重疊起來(lái)，要顯示字符，只需要使相應(yīng)得電極發(fā)光即可,如輝光放電管，邊光顯示管

等。第二種就是分端式，數(shù)碼就是由分布在同一平面上若干端發(fā)光得筆劃組成，如

熒光數(shù)碼管等。第三種就是點(diǎn)陣式，它由一些按一定規(guī)律排列得可發(fā)光得點(diǎn)陣組

成，利用光點(diǎn)得不同得組合便以顯示不同得數(shù)碼，如場(chǎng)發(fā)光記分牌。

近年來(lái)，由于半導(dǎo)體得制作與加工工藝逐步成熟與完善，發(fā)光二極管(LED:

LightEmittingDiode)已日趨在固體顯示中占主導(dǎo)地位。LED之所以受到廣泛重

視而得到迅速發(fā)展，就是與它本身所具有得優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)得。這些優(yōu)點(diǎn)概括起來(lái)就

是:亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化而易與集成電路匹配、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、壽

命長(zhǎng)、耐沖擊與性能穩(wěn)定。LED得發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更

高耐氣候性、更高得發(fā)光密度、更高得發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。

由組成半導(dǎo)體得材料不同而可以得到能發(fā)出不同色彩得LED晶點(diǎn)。近幾年，隨著

微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)得迅速發(fā)展，半導(dǎo)體制作工藝日趨成熟，導(dǎo)

致LED顯示點(diǎn)尺寸越來(lái)越小，解析度越來(lái)越高，而可將顯示光得三基色(紅、綠、

藍(lán))復(fù)原成全彩色效果，使得發(fā)光二極管(LED)作為顯示器件得應(yīng)用范圍日益擴(kuò)

大C

為了使數(shù)碼管能將數(shù)碼所代表得數(shù)顯示出來(lái)必須將數(shù)碼經(jīng)譯碼器譯出，然后

經(jīng)驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)得段

計(jì)數(shù)顯示電路采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)/七段譯碼器與七段LED數(shù)碼管組成8位十進(jìn)

制計(jì)數(shù)顯示器。內(nèi)部包含十進(jìn)制計(jì)數(shù)與七段譯碼器兩部分，譯碼輸出可以直接驅(qū)

動(dòng)LED數(shù)碼管。R為清零端，當(dāng)R=1時(shí)計(jì)數(shù)器全的清零。INH端接閘門(mén)控制信號(hào),

當(dāng)INH=()時(shí),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);當(dāng)INH=1時(shí)，停止計(jì)數(shù)，但顯示得數(shù)字被保留。

電路中得RBI與RBO端多級(jí)級(jí)聯(lián),作用就是自動(dòng)消隱無(wú)效零。例如,計(jì)數(shù)狀

態(tài)為“000680"，電路自動(dòng)消隱左邊三位無(wú)效零,顯示為“680”，以符合習(xí)慣。

LED顯示

LED(Light-EmittingDiode,發(fā)光二極管)有七段與八段之分，也有共陰與共陽(yáng)

兩種。

LED數(shù)碼顯示管顯示原理與結(jié)構(gòu)

單個(gè)LED就是由7段發(fā)光二極管構(gòu)成得顯示單元，有10個(gè)引腳，對(duì)應(yīng)于7個(gè)

段、一個(gè)小數(shù)點(diǎn)與兩個(gè)公共端。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。圖2.7.1就是八

段LED數(shù)碼管得結(jié)構(gòu)與原理圖:圖3—16(a)為八段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖。八段數(shù)碼

管由八只發(fā)光二極管組成，編號(hào)就是a、b、c、d、e>f、g與dp,分別與同名管腳

相連。

(b洪陰LED

圖3-17八段LED數(shù)碼管原理與結(jié)構(gòu)

八段LED數(shù)碼顯示管原理很簡(jiǎn)單,就是通過(guò)同名管腳上所加電平得高低來(lái)控

制發(fā)光二極管就是否點(diǎn)亮從而顯示不同字形得。例如，若在共陰LED管得dp、g、

f、e、d、c、b、a管腳上分別家上7FH控制電平（即dp上為0伏,不亮;其余為T(mén)TL

高電平，全亮），則LED顯示管顯示字形“8”。7FH就是按dp、g、f、e、d、c、b、

a順序排列后得十六進(jìn)制編碼（0為T(mén)TL低電平,1為T(mén)TL高電平），常稱(chēng)為字形碼。

因此,LED上所顯示得字形不同，相應(yīng)得字形碼也不一樣。八段共陰能顯示得字形

及相應(yīng)字形碼如表1所列。該表常放在內(nèi)存中,SGTB為表得起始地址，個(gè)地址偏

移量為相應(yīng)字形碼對(duì)表起始地址得項(xiàng)數(shù)。由于“B”與“8”、“D”與“（）”字

形相同，故"B”與“D”均以小寫(xiě)字母形”與“d”顯示。

圖3—16（b）為共區(qū)八段LED管得原理圖。圖中,所有發(fā)光二極管陰極共連后

接到引腳GG腳為控制端，用于控制LED就是否點(diǎn)亮。若G腳接地、則LED被

點(diǎn)亮;若G腳接TTL高電平，則它被熄滅。

圖3—16?為共陽(yáng)八段LED數(shù)碼顯示管原理圖。圖中,所有發(fā)光二極管陽(yáng)極

共連后接到G腳。正常顯示時(shí)G腳接+5V,各發(fā)光二極管就是否點(diǎn)亮取決于a?dp

各引腳上就是否低電平（）伏。因此，共陰與共陽(yáng)所需字形碼恰好相反，如表3-6

所列。

表3-6八段LED數(shù)碼顯示管字形碼表

地址偏移量共陰字形陰共陽(yáng)字形碼所顯字符

SGTB+OH3FHCOE0

+1H06HF9E1

+2H5BHA4E2

+3H4FHBOE3

+4H66H99E4

+5H6DH92E5

+6H7DH82E6

+7H07HF8E7

+8H7FH80E8

+9H6FH90E9

+AH77H88EA

+BH7CH83EB

-KH39HC6EC

+DH5EHA1ED

+EH79H86EE

+FH71H8EEF

+10H00HFFE空格

+UHF3HOCEP

+12H76H89EH

+13H80H7FE

+14H40HBFE—

3.5.2譯碼顯示電路

譯碼器就是組合邏輯電路得一個(gè)重要得器件，其可以分為:變量譯碼與顯示譯

碼兩類(lèi)。變量譯碼一般就是一種較少輸入變?yōu)檩^多輸出得器件，一般分為2n譯碼

與8421BCD碼譯碼兩類(lèi)。顯示譯碼主要解決二進(jìn)制數(shù)顯示成對(duì)應(yīng)得十、或十六

進(jìn)制數(shù)得轉(zhuǎn)換功能，一-般其可分為驅(qū)動(dòng)LED與驅(qū)動(dòng)LCD兩類(lèi)。

在數(shù)字系統(tǒng)中常見(jiàn)得數(shù)碼顯示器通常有:發(fā)光二極管數(shù)碼管（LED數(shù)碼管）與

液晶顯示數(shù)碼管（LCD數(shù)碼管）兩種。發(fā)光二極管數(shù)碼管就是用發(fā)光二極管構(gòu)成顯

示數(shù)碼得筆劃來(lái)顯示數(shù)字,由于發(fā)二極管會(huì)發(fā)光，故LED數(shù)碼管適用于各種場(chǎng)合。

液晶顯示數(shù)碼管就是利用液晶材料在交變電壓得作用下晶體材料會(huì)吸收光線(xiàn)，而

沒(méi)有交變電場(chǎng)作用下有筆劃不會(huì)聽(tīng)吸光，這樣就可以來(lái)顯示數(shù)碼，但由于液晶材料

須有光時(shí)才能使用,故不能用于無(wú)外界光得場(chǎng)合（現(xiàn)在便攜式電腦得液晶顯示器就

是用背光燈得作用下這以在夜間使用）,但液晶顯示器有一個(gè)最大得優(yōu)點(diǎn)就就是耗

電相當(dāng)節(jié)省，所以廣泛使用于小型計(jì)算器等小型設(shè)備得數(shù)碼顯示。

顯示譯碼器由譯碼輸出與顯示器配合使用，最常用得就是BCD七段譯碼器。

其輸出就是驅(qū)動(dòng)七段字形得七個(gè)信號(hào)。常見(jiàn)產(chǎn)品型號(hào)有74LS48、74LS47等。在

本次設(shè)計(jì)中我采用了74LS48。

74LS48邏輯功能及說(shuō)明

邏輯功能：

燈測(cè)試輸入:當(dāng)萬(wàn)二0且就=1時(shí)，無(wú)論入~4狀態(tài)如何，輸出Ya~Yg全

部為高電平，都可使被驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管得七段同時(shí)點(diǎn)亮，以檢查該數(shù)碼管各段能否正常

發(fā)光。利用這個(gè)功能可以判斷顯示器得好壞;消隱輸入:也稱(chēng)滅燈輸入。而為消隱

輸入，當(dāng)前=0時(shí),無(wú)論行，而及輸入入?4為何值，所有各段輸出Ya~Yg均

為低電平，顯示器處于熄滅狀態(tài)。RBO為滅零輸出;滅零輸入:誦7可以按數(shù)據(jù)顯

示需要，將顯示器所顯示得0予以熄滅，而在顯示1~9時(shí)不受影響。它在實(shí)際應(yīng)用

中就是用來(lái)熄滅多位數(shù)字前后不必要得零位。將滅零輸入端與滅零輸出端配合使

用，很容易實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示系統(tǒng)得滅零控制。

7

TA

B

211

6Co

D74LS48

15

LT

寧14

BI/RBO

RBT

圖3-1874LS48芯片管腳圖

表3-774LS48芯片功能表

十進(jìn)制輸入輸出

或功能

LTRBI4444&

011000011111110

11X000110110000

21X001011101101

31X001111111001

41X010010110011

51X010111011011

61X011010011111

71X011111110000

81X100011111111

91X100111110011

101X101010001101

111X101110011001

121X110010100011

131X110111001011

141X111010001111

151X111110000000

消F急XXXXXX00000000

脈沖消隱10000000000000

燈測(cè)試0XXXXX11111111

3、6計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

數(shù)字頻率計(jì)得核心內(nèi)容就就是電子計(jì)數(shù)器，近年來(lái)大規(guī)模得集成電路得到廣

泛得應(yīng)用，在電子計(jì)數(shù)器電路上也就是如此，比如現(xiàn)在得ICM7216集成IC就就是

CMOS工藝制造得專(zhuān)用IC,專(zhuān)用于對(duì)時(shí)間，頻率，周期等參數(shù)得測(cè)量、我在這里并不

就是用這個(gè)集成IC,我用得就是小集成塊74LS90c

74LS90就是異步二一五一十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,

又可以作五進(jìn)制與十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器連接電路如圖3.19所示：

圖3-19計(jì)數(shù)電路

BIN114AIN

RO⑴213NC

R0(2)3012QA

46

NCmIIQD

vcc510GND

(--

R9⑴69QB

R9(2)78QC

圖3-2074LS90弓I腳排歹ij

SKI%CP~2,2,。“

03X*0-

l*303X-030-g

X。131c

XP1P1*x~1*0-0~I*5

X/0-xeI-計(jì)數(shù)。

0~0-X*1-計(jì)數(shù)，

OPX。Xe03I-1計(jì)數(shù)C

OPXPCkX。I-計(jì)數(shù)/

表3-874LS90功能表

通過(guò)不同得連接方式,74LS90可以實(shí)現(xiàn)四種不同得邏輯功能;而且還可借助

R0(l)、Ro(2)對(duì)計(jì)數(shù)器清零，借助S9(l)、S9Q)將計(jì)數(shù)器置9。其具體功詳述如下：

1.計(jì)數(shù)脈沖從CPi輸入,QA作為輸出端，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

2.計(jì)數(shù)脈沖從CP2輸入,QDQLQH作為輸出端,為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

3、若將CP2與QA相連，計(jì)數(shù)脈沖由CPi輸入,QD、QC、QB、QA作為輸出端,

則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

4、若將CPi與QD相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP2輸入,QA、QD、QC、QB作為輸出端,

則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

5、清零、置9功能。

a:異步清零

當(dāng)將⑴、RoQ)均為“1”；S9(1)>SM2)中有“0”時(shí),實(shí)現(xiàn)異步清零功能,

即QDQCQBQA=OOOOO

b:置9功能

當(dāng)S9(l)>S9⑵均為“1”;Ro(l)、Ro⑵中有“0”時(shí),實(shí)現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA

=1001>

74LS90采用得就是8421BCD計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)脈沖CP由CP。輸入,Qo接CP|,

則該計(jì)數(shù)器先進(jìn)行2進(jìn)制計(jì)數(shù),再進(jìn)行5進(jìn)制計(jì)數(shù)，從而完成8421BCD得十進(jìn)制計(jì)

數(shù)，連接圖如圖3-21所示：

CP輸入

圖3-218421BCD碼計(jì)數(shù)

3、7分頻器電路設(shè)計(jì)

高頻率信號(hào)從輸入端口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)放大器放大，在經(jīng)過(guò)分頻器進(jìn)行10分頻，得

到需要得信號(hào)。分頻電路選用集成電路74LS90進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便。74LS90就是異

步二五十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，又可以作五進(jìn)制與

十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。采用1片74LS90實(shí)現(xiàn)10分須。10分頻電路如圖3-22所示:

CP輸入

圖3-2210分頻電路

3、8電源電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓電路用于當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)穩(wěn)壓電路利用其反饋使輸出電壓保持

穩(wěn)定。對(duì)于整個(gè)電源電路來(lái)說(shuō)穩(wěn)壓電路得設(shè)計(jì)就是整個(gè)電路得設(shè)計(jì)至關(guān)重要得一

環(huán),它直接影響一個(gè)穩(wěn)壓電源得好壞。

對(duì)于頻率計(jì)電源電路得設(shè)計(jì)，我采用一個(gè)7805三端穩(wěn)壓器電源，由三端穩(wěn)壓

器提供穩(wěn)定得+5V直流電源供整機(jī)電路使用。電源電路圖如3-23所示：

圖3-23電源電路

在上述電路中，電路中使用一個(gè)7805來(lái)為其她模塊提供穩(wěn)定可靠得電源。電

源變壓器將交流電網(wǎng)220V得電壓變?yōu)樗枰秒妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交

流電壓變成脈動(dòng)得直流電壓。由于此脈沖得直流電壓還含有較大得紋波,必須通

過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑得直流電壓c在整流、濾波電路之后，接上

7805穩(wěn)壓電路，從而維持輸出穩(wěn)定得直流電壓。

二極管DQ起保護(hù)作用。當(dāng)輸入對(duì)地短路時(shí).其點(diǎn)位迅速降為零，而輸出端接

有大電容，其電壓仍然接近于源輸出電壓，這時(shí)，大電容將通過(guò)三端穩(wěn)壓內(nèi)部調(diào)整

管釋放電荷，調(diào)整管得PN結(jié)在高電壓下有可能被擊穿，如果裝了二極管D,就能及

時(shí)將電容上電荷釋放掉,從而保護(hù)了穩(wěn)壓器。

C1與C2用于輸入整流濾波,C3提高7805得紋波抑制能力,C4用來(lái)改變IC

得瞬態(tài)響應(yīng)。

第四章數(shù)字頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)與誤差分析

4、1數(shù)字頻率計(jì)技術(shù)指標(biāo)

頻率準(zhǔn)確度:一般用相對(duì)誤差來(lái)表示，即

式中士av衛(wèi)為量化誤差，就是數(shù)字儀器所特有得誤差,當(dāng)主控門(mén)時(shí)間

TZvNN

T選定越低，量化誤差越大于為主控門(mén)時(shí)間相對(duì)誤差，主要由時(shí)機(jī)電路

標(biāo)準(zhǔn)