1、設(shè)計(jì)方案框圖圖2.1 方框圖2.3 電路簡(jiǎn)述所謂頻率，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間 (1s) 內(nèi)變化的次數(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)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為 fx=N/T 。因此，可以將信號(hào)放大整形后由計(jì)數(shù)器累計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的信號(hào)個(gè)數(shù)，然后經(jīng)譯碼、顯示輸出測(cè)量結(jié)果，這是所謂的測(cè)頻法?？梢?jiàn)數(shù)字頻率計(jì)主要由閘門電路、計(jì)數(shù)器電路、鎖存器、時(shí)基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路幾部分組成。數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期信號(hào)的頻率。頻率是單位時(shí)間（ 1S ）內(nèi)信號(hào)發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)波形計(jì)數(shù)，數(shù)值保持及自動(dòng)清零，并將計(jì)數(shù)結(jié)果在顯示器上顯示出來(lái)，就能讀取被

2、測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后顯示出來(lái)。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。 被測(cè)信號(hào)Vx經(jīng)放大整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，其頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率fx相同。時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，具有固定寬度T的方波時(shí)基信號(hào)II作為閘門的一個(gè)輸入端，控制閘門的開放時(shí)間，被測(cè)信號(hào)I從閘門另一端輸入，被測(cè)信號(hào)頻率為fx,閘門寬度T，若在閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測(cè)信號(hào)頻率fx=N/THz?？梢?jiàn)，閘門時(shí)間T決定量程,通過(guò)閘門時(shí)基選擇開關(guān)選擇,選擇T大一些

3、,測(cè)量準(zhǔn)確度就高一些,T小一些,則測(cè)量準(zhǔn)確度就低.根據(jù)被測(cè)頻率選擇閘門時(shí)間來(lái)控制量程.在整個(gè)電路中,時(shí)基電路是關(guān)鍵,閘門信號(hào)脈沖寬度是否精確直接決定了測(cè)量結(jié)果是否精確. 2.4.2基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與仿真1、由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器的工作原理多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形脈沖波的自激振蕩器，由于矩形脈沖波中除基波外，還有豐富的諧波成分，故得名多諧振蕩器。多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無(wú)穩(wěn)態(tài)電路。產(chǎn)生矩形波的多諧電路很多，例如用TTL與非門構(gòu)成的基本多諧振蕩器和RC環(huán)形振蕩器；用CMOS或非門組成的多諧振蕩器。本設(shè)計(jì)中使用的是用

4、集成定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。由555定時(shí)器產(chǎn)生的多諧振蕩器如下圖2.6所示。R1、R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1、R2的連接處。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來(lái)不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2

5、對(duì)電容C充電，使 電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPH的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=（R1R2）C。由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過(guò)電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時(shí)間TPL的長(zhǎng)短與電 容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù)T放R2C0隨著C的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出uo。 為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對(duì)電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之

6、間來(lái)回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。 圖2.6 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路及工作波根據(jù)Uc的波形圖可以確定以下參數(shù)：振蕩周期 T = TPH + TPLTPH 對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間 TPH = 0.7（R1+R2）CTPL 對(duì)應(yīng)的放電時(shí)間 TPL = 0.7R2C振蕩周期 T = TPH+TPL = 0.7（R1+R2）C + 0.7R2C 蕩頻率 F = 1/T取 R1=5.1K R2=2.1K C=100uF可得到 T=1.001S1S2、555簡(jiǎn)介 555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱

7、為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VC

8、C /3 和 2VCC /3。555電路的內(nèi)部電路方框圖如圖2.7所示。它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過(guò)時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出作為比較器A1的

9、參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來(lái)的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。圖2.7 555定時(shí)器內(nèi)部方框圖3、在Multisim下設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路如圖2.8圖2.8 基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路仿真顯示如圖2.9所示，基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生1HZ信號(hào)，符合要求。圖2.9經(jīng)過(guò)與非門所得反向波形如圖2.10圖2.102.4.3閘門電路設(shè)計(jì)與仿真1、閘門電路原理時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)進(jìn)過(guò)與非門反向后作為控制信號(hào)加到CD4017的

10、CP0輸入端，產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)1S的脈沖計(jì)數(shù)（即頻率檢測(cè)）數(shù)值保持及自動(dòng)清零當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，使得CD4017的Q0輸出端由低電壓變?yōu)楦唠妷?在CD4017的輸入端輸入的第二個(gè)脈沖信號(hào)到來(lái)之前，Q0將保持高電平狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，CD4017的Q0段由高電平變?yōu)榈碗娖?，輸出端Q1端由低電平變?yōu)楦唠娖健?、CD4017簡(jiǎn)介數(shù)字電路CD4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器，它的內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是Q0、Q1、Q2、Q9依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。 CD4017有10個(gè)輸出端（Q0Q9）和1個(gè)進(jìn)位輸出端Q5

11、-9。每輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，Q5-9就可得到1個(gè)進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。 CD4017有3個(gè)輸入端（MR、CP0和CP1），MR為清零端，當(dāng)在MR端上加高電平或正脈沖時(shí)其輸出Q0為高電平，其余輸出端（Q1Q9）均為低電平。CP0和CPl是2個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CP0端輸入；若要用下降沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CPl端輸入。設(shè)置2個(gè)時(shí)鐘輸入端，級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。 由此可見(jiàn)，當(dāng)CD4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。CD4017提供了16引線多層陶瓷雙列直插(D)、熔封陶瓷雙列直插(J)

12、、塑料雙列直插(P)和陶瓷片狀載體(C)4種封裝形式。3、在Multisim下設(shè)計(jì)的閘門電路如圖 2.11圖2.11 閘門電路 4017輸出端Q0的波形如圖2.12圖2.124017端Q0端跟Q1端波形對(duì)比如圖2.13圖2.132.4.4 計(jì)數(shù)譯碼驅(qū)動(dòng)顯示電路設(shè)計(jì)與仿真1、計(jì)數(shù)譯碼驅(qū)動(dòng)電路原理計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測(cè)量頻率為9999Hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，選用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC160,顯示譯碼器的作用是把用 BCD 碼表示的 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，以獲得數(shù)字顯示。顯示譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。并由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（七段譯碼器

13、）和LED數(shù)碼管組成的4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示器來(lái)顯示數(shù)字。2、74HC160簡(jiǎn)介 集成十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74HC160中， /LD為同步置數(shù)控制端，低電平有效，/CR為異步清0控制端，低電平有效，CTP和CTT為計(jì)數(shù)控制端，D0,D1,D2,D3為并行數(shù)據(jù)輸入端，Q3,Q2,Q1,Q0是計(jì)數(shù)輸出，Q3為最高位。CO為進(jìn)位輸出端，產(chǎn)生進(jìn)位輸出信號(hào)。CP為計(jì)數(shù)脈沖輸入端，上升沿有效。 74HC160的邏輯功能如下：（1）異步清0功能。當(dāng)清0信號(hào)為0，無(wú)論CP何其他輸入端有無(wú)信號(hào)輸入，計(jì)數(shù)器都被清0，這時(shí)Q3 Q2 Q1 Q0=0000。 （2）同步置數(shù)功能。當(dāng)清0信號(hào)為1，置數(shù)信號(hào)為0是，在脈沖上升沿的

14、作用下，D0 D1 D2 D3的并行輸入數(shù)據(jù)，被置入相應(yīng)的觸發(fā)器中，這時(shí)Q3 Q2 Q1 Q0= D0 D1 D2 D3。 （3）計(jì)數(shù)功能。當(dāng)/LD=/CR=CTP=CTT=1,CP輸入計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器按照8421BCD碼的規(guī)律進(jìn)行十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。 （4）保持功能。當(dāng)/LD=/CR=1,且T和P中有0時(shí)，計(jì)數(shù)器保持狀態(tài)不變。CTT=0、CTP=X，進(jìn)位為0。3、4511簡(jiǎn)介CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。CD4511 是一片

15、CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，引腳排列如圖2.14所示。其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測(cè)試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過(guò)十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱；顯示數(shù)“9”時(shí)，d段消隱，所以顯示6、9這兩個(gè)數(shù)

16、時(shí)，字形不太美觀。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來(lái)選取，電源電壓5V時(shí)可使用300的限流電阻。圖2.14 CD4511 引 腳 圖其功能介紹如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測(cè)試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來(lái)檢測(cè)數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值

17、。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。4、七段LED顯示器簡(jiǎn)介L(zhǎng)ED就是light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫，簡(jiǎn)稱LED。它是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。LED的技術(shù)進(jìn)步是擴(kuò)大市場(chǎng)需求及應(yīng)用的最大推動(dòng)力。最初，LED只是作為微型指示燈，在計(jì)算機(jī)、音響和錄像機(jī)等高檔設(shè)備中應(yīng)用，隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED顯示器正

18、在迅速崛起，近年來(lái)逐漸擴(kuò)展到證券行情股票機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA以及手機(jī)領(lǐng)域。LED顯示器集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理于一體，以其色彩鮮艷、動(dòng)態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為最具優(yōu)勢(shì)的新一代顯示媒體，目前，LED顯示器已廣泛應(yīng)用于大型廣場(chǎng)、商業(yè)廣告、體育場(chǎng)館、信息傳播、新聞發(fā)布、證券交易等，可以滿足不同環(huán)境的需要。LED顯示器結(jié)構(gòu)及分類 ：通過(guò)發(fā)光二極管芯片的適當(dāng)連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu)?？蓸?gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)。由這些發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)可以組成數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩

19、陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。 1）LED顯示器結(jié)構(gòu) 基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片按圖12排列而成的。可實(shí)現(xiàn)09的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有“反射罩式”、“條形七段式”及“單片集成式多位數(shù)字式”等（1）反射罩式數(shù)碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個(gè)LED貼在與反射罩的七個(gè)反射腔互相對(duì)位的印刷電路板上，每個(gè)反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應(yīng)金屬條之間連好30m的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內(nèi)滴入環(huán)氧樹脂，再把帶有芯片的印刷電路板與反射罩對(duì)位粘合，然后固化。 反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實(shí)封兩種。實(shí)封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件?？辗夥绞绞窃谏戏缴w上濾波片和勻光膜，為提高器件的可靠性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠，這還可以提高光效率。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示（或符號(hào)顯示