自动换挡型数字频率计

一、设计目标

1、整体功能要求

频率计主要用于测量正弦波、矩形波等周期信号的频率值。

2、系统结构要求

数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，自动换挡指的是超量程自动换高档，低量程自动换低档。

3、电气指标

（1）被测信号波形：正弦波、矩形波。

（2）被测信号的频率范围：1Hz~999KHz，共分为4个档位：

1Hz档位： 1Hz~999HZ

10Hz档位： 10Hz~9.99KHZ

100Hz档位： 100Hz~99.9KHZ

1000Hz档位： 1KHz~999KHZ

（3）测量精度：用3位数码管显示测量数据，用一位数码管表示量程单位，显示对应4个档位。

（4）具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。

（5）具有自动换挡功能，即超量程能换高档，欠量程换低档。

二、方案设计与论证

（1）信号整形电路设计

由于我们设计的是要在定时时间T内计算脉冲个数，而有些信号例如正弦信号、三角波信号就不满足要求，所以要将这些信号整形后产生同频率的脉冲信号才能进入闸门进行计数。我们让信号经过运放放大，在经过一个有555定时器构成的施密特触发器就可以达到整形的效果。

图2-2 信号整形电路

（2）时基电路设计

它包括两个部分：脉冲产生电路和分频电路

脉冲产生电路：它是由555定时器和RC元件组成的振荡器,要求其产生1000Hz的脉冲.图中，1R和2R是定时电容C的充电电阻，3R和R4是电容C的放电电阻。当电源接通后放电段截至，CCV通过1R、2R和1D对C充电，电路翻转时，放电导通，C通过2D、WR和3R放电。

输出端输出矩形脉冲信号的周期为：

T»0.7(R1+R2+R3+Rw)C

频率f为

f»10.7(R1+R2+R3+Rw)C

图2-3 脉冲产生电路

分频电路：主要由十进制计数器74LS160组成，因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.001s、0.01s、0.1s和1s。脉冲信号经过一个74LS160后就被十分频了，我们用了三个74LS160，所以555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个74LS160的输出信号频率分别为100Hz、10Hz和1Hz。

图2-4 分频电路

（3）控制信号产生电路设计

把闸门信号输到74LS160的CLK端，把74160的输出端A、B输到74LS139的输入端，其输出就能产生计数、锁存、换挡、清零控制信号。

图2-5 控制信号产生电路

（4）闸门产生和换挡控制电路设计

我们是通过74LS153双4选一数据选择器来选择所要的脉冲信号即闸门信号，由74LS153接换挡电路的A,B来对脉冲信号的选择进行控制。当BA输入00时74LS151输出的方波的频率是1Hz；当BA输入01时74LS151输出的方波的频率是10Hz；当BA输入10时74LS151输出的方波的频率是100Hz，当BA输入11时74LS151输出的方波的频率为1000HZ。然后将74LS151输出的方波作用到控制信号产生电路的CLK端，将Y0，Y1，Y2，Y3输出的信号分别接到相应端口，完成控制功能。同时，如同在换挡原理中所说，计数最高位的芯片74160N的进位输出端有进位时，应该使当前的档位提高一个档位；而只要三个显示器的最高位没有显示数字或者说仅仅是显示0时，应该使当前的档位降低一个档位。按照一个控制周期内，计数，锁存，换挡，清零的顺序依次进行。

图2-6 信号选择和闸门产生电路

换挡的实现：

首先必须说明,换挡电路a中的两个D触发器的应用:当D触发器如下图一样的连接时，其输出信号会如此变化：每一个控制周期开始时，前一个周期的

清零信号使D触发器的输出端Q=0，Q~=1;之后，第1个脉冲信号输入时，Q和Q~都会有一个跳变，分别表现为：Q输出端为向上的跳变，Q~为向下的跳变。

（1）低档到高档：此时计数最高位的芯片74160N的进位输出端有进位，计数中间位的芯片74160N的进位输出端一直有进位，这时，需要使换挡电路中的

UP触发，而不能使DOWN触发，则决定了要使UP输入端接的是Q输出的信号，因为Q~的输出信号在第1次进位脉冲输入时就已经完成了向下跳变，而这不会使DOWN触发。同时，在触发之后，一直为低电平，和经过非门的换挡信号进行与运算之后，仍然输出为低电平。而与之相反，Q端输出的波形完成了向上跳变，在和同样经过非门的换挡信号与运算后，一定会有向上的跳变，可以使UP触发。

（2）高档换低档：高位到低位时，计数最高位的芯片74160N和计数中间位的芯片74160N的进位输出端都没有进位，这时，不能使换挡电路中的UP触发，而要使DOWN触发。当Q~的输出信号在没有进位脉冲输入时就保持高电平，但在和经过非门的换挡信号进行与运算之后，一定会有向上的跳变，可以使DOWN触发。同时，Q的输出信号在没有进位脉冲输入时就保持低电平，和换挡信号进行与运算之后，仍然输出为低电平，没有跳变，UP没有触发。

图2-7 换挡电路a

另外，换挡电路b中的74192N的UP和DOWN的输入端是上升沿触发

同时需要对74192N中各个输入输出端进行说明：

（1）A,B,C,D四个输入端中，C，D两个输入端不用，接地即可，A，B两个输入端则是用预先选择档位，图中的A,B两个输入端接高电平。

（2）QA,QB,QC,QD四个输出端中，QA,QB直接接到量程选择电路中数据选择器的A,B端，QC这样连接置数端是为了当QC，QB，QA输出的信号组合将为为100时，保持选择1000Hz档位时的结果。

（3）TCD的输出信号表示，在QA，QB为00的组合时，不出现11的组合形式（74192为一个16进制的可逆移位寄存器，所以，在出现低两位出现00组合时，继续减会出现11的组合）。

图2-8 换挡电路b

（5）计数、锁存、显示电路设计

计数部分采用三个74LS160，锁存部分用三个4511BD，显示部分用三个7段数码管。74LS160的ENP和ENT端均接计数信号，LOAD端均接高电平，MR均接清零信号，第一个74LS160的CLK端接整形后的被测信号，第一个74LS160的进位输出RCO端接到第二个的CLK端，第二个的RCO端则接到第三个的CLK端。当计数信号进来时开始计数，锁存部分4511BD的LE端均接锁存信号，BI、LT端均接高电平，4511BD的输入端为4个二进制数通过译码后输出高低不同的电平接至数码管控制LED灯的亮与暗而使数码管显示不同的十进制数。

图2-9 计数、锁存、显示电路

（6）量程显示电路设计

显示电路主要是依靠4511BD译码器的作用，当AB的组合为00，01，10和11时，数码光显示0，1，2，3。表示当前挡位为10n(n=0,1,2,3)。

图2-10 量程显示电路

（7）自检电路设计

各个开关分别接1HZ、10HZ、100HZ、1KHZ、待测信号，当接到这四个闸门信号的其中一个时都可以作为自检。

图2-11 自检电路

（8）总电路图

三、系统测试结果与分析

整形电路调试

输入正弦波，经过放大整形后：

图3-1 放大电路波形图

图3-2 整形电路波形图

2.脉冲产生电路调试

设置的横坐标参数为1ms/DIV，刚好产生信号的周期为1ms,即f=1000HZ，所以测试结果正确。

图3-3 1000Hz脉冲信号波形图

3.分频电路调试

图3-4 100Hz脉冲信号波形图

图3-5 10Hz脉冲信号波形图

图3-6 1Hz脉冲信号波形图

4.控制电路测试

图3-7 控制信号波形图

5.计数、锁存电路调试

将74160的MR端，LD端都接高电平，3个74160级联，构成异步十进制计数器，同时4511的LE端接0。给最低位的74160的CLK端一个时钟信号。

图3-8 计数、锁存电路测试连接图

6.量程显示电路测试

图3-9 量程显示电路测试连接图

7.自动换挡电路测试

（1）自动换挡电路超量程测试

图3-10 模拟超量程电路测试连接图

图3-11 超量程换挡波形图

（2）自动换挡电路欠量程测试

图3-12 模拟欠量程电路测试连接图

图3-13 欠量程换挡波形图

8.实验结果分析

各个部分的模块都能顺利实现相对应的功能，实际测试波形显示的情况和理论电路分析一致。最终总电路实现了输入信号的频率测量、数值显示、超量程自动换抵挡，欠量程自动换高档的功能。