频率计数器的设计Word下载.docx
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还使用了七段译码器TC5022BP和驱动ICTD6204P其他的IC都是74HC系列的产品,至于显示部分的LED只要是共阴极七段LED,哪种型号都可以,这里使用小型化产品,TLR312,可以直接装在基板上。
使用4MHZ的石英振子产生基准信号,不过也可以使用1MHZ的振子。
1.3频率计数器的电路结构
图1.3是频率计数器的框图,我们通过这个框图来说明频率计数器的工作原理。
图1.24位频率计数器的总电路图(能够测定到9.999MHz)
图1.3频率计数器的框图
频率计数器的基本工作就是能够对1S内被测定信号的时钟脉冲数目进行计数,如果把测定频率的基本规则原封不动地应用于电路,即将1S内进入1个脉冲信号的频率设定为1Hz,那么频率为1MHZ的信号就是在1S之内计数到1000000个脉冲。
经常使用的信号频率大多在几十KHZ至几MHZ的范围,假设最大可以测定到10MHZ那就要求必须具有每秒计数到10000000个脉冲数,8位计数器,不过尽管频率的定义明确指出测定的频率是指1S时间内数得的脉冲数,但是并不以为着实际构成的频率计数器一定要计数1S。
例如:
可以不对1S内的脉冲计数,而只对其1/10的时间即对0.1S内的脉冲进行计数也是可以的,测定同样的频率只用1/10的时间,那么计数器显示的也是1/10的数据,这就是说使用少1位的计数器也可以得到同样的测定结果(移动小数点的位置)。
如果只在1/10S的时间内进行计数,那么计数器的最小位就表示10Hz。
在测定几十KHZ至几MHZ频率的场合很少有要求频率,精确到1Hz的,所以这里设计最小值为1KHZ的电路,在这种情况下就可以利用4位计数器对频率测定到9999KHz,也就是9.999MHz,因此,只需要具有1ms的基准信号和能够计数到9.999MHz的计数器就可以了。
但是图1.3中的情况与上面的说明稍微有一些不同这是为了减少部件数目而使用了TC5051P,它的最大计数频率约为1.5MHz,如果TC5051P能够工作到10MHz的话,还可能进一步减少部件数目,不过没有办法。
使用计数器IC74HC160,设定测定的频率是原来1/10而且使用10ms的基准脉
冲和4位计数器,这样一来最小位能够测定到100Hz。
所谓益处是指在测定频率高于计数器最大值的场合,表明所显示的频率数出现了错误的符号。
1.2频率计数器各框图的工作
1.2.1取样时钟脉冲发生部分
取样时钟脉冲发生部分应该具有发生约10Hz的时钟脉冲,1S内进行约10次计数器测定的功能,当计数器的基准脉冲为10ms时,这样原封不动地制作的频率计数器由于1S内要进行100次测定,测定的信号在快速变化,会导致闪烁太快而很难看清楚,为了避免这种情况出现,采用取样时钟脉冲。
1.2.2计数器部分
计数器部分用4位10进制计数ICTC5051P,这种IC是16管教的DIP,内藏有4个十进制计数器和4个锁存器,还有能够用分时操作输出BCD的多路转换器和OSC(振荡)电路,它不是74系列的产品,不过设计用CMOSIC在5V电压下工作,图1.4是TC5051P的管脚连接和内部逻辑图。
由于端子数目少(16管脚),所以不能同时取出多为的BCD输出,不过它与动态发光的LED等组合使用,可以减少布线,同时还可以减少所占据的空间。
动态扫描用的振荡电力只连接1个电容器进行振荡,在使用1000PF电容器的场合震荡频率约为25KHz,而且各位的BCD输出是在输出6个时钟(240us)的期间,2个时钟脉冲(80us)是消隐期间。
计数器以待测信号作为时钟,清零信号clear到来时,异步清零;
为高电平时开始计数。
当下降沿到来时,将计数器的计数值锁存,这样可由外部的七段译码器译码并在数码管显示。
设置锁存器的好处是显示的数据稳定,不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。
锁存器的位数应跟计数器完全一样。
(b)内部逻辑图
图1.4TC5051P的管脚连接和内部逻辑图
1.2.3LED显示部分
计数器TC5051P的输出是BCD式,所以不能直接驱动七段LED,这里用的IC是将七段译码器和驱动集成在1个管壳内的TC5022BP。
图1.5是TC5022BP的管脚以及内部连接电路。
74系列产品也有七段译码器(如7447等),不过他的使用比较麻烦,所以还是采用TC5022BP。
位驱动用的驱动IC使用TD62004P。
这部分也可以使用晶体管制作,不过由于纳入16管脚的DIP,还内藏有基极电阻,美观而且容易制作,所以还是使用专用的驱动IC。
另外,LED使用4个分立的七段显示器DPY_7-SEG_DP,不过也可以使用动态发光专用的DPY_7-SEG等产品,标称270欧姆的限流电阻可以根据所使用的LED选择最合适的电阻值,大约在220-470欧姆的范围,如果发现动态发光亮度不足,可以稍微增大电流。
(b)TC5022BP的内部构成
图1.5TC5022BP的管脚连接及内部连接电路
1.2.4基准信号发生部分
基准信号发生部分是决定频率计数器精度非常重要的部分,因此振荡电路采用石英振子以确的稳定性和振荡频率的准确性。
作为基准信号应该准确地产生10ms脉冲的宽度,如果有100Hz的振子就不需要分频电路,但是能够产生100Hz振荡频率的石英振子是具有特定形状的大体积振子。
所以,在这里采用经常使用HC18U型振荡频率为4MHz的小型石英振子。
振荡电路是利用倒相器IC的最基本电路,频率为4MHz时1个周期就是0.25us,对于10ms只能计数到1/40000。
因此在基准信号发生部分也用TC5051P灵巧地制作1/40000的电路,TC5051P有4个十进制计数器,计数器为了能够技术到(9999),就需要10000个脉冲。
就是说,TC5051P的始终(CP)与计数器进位输出(CA)之间的关系为1/10000。
由于都不使用的是BCD输出或位输出,所以是开路的。
现在考虑使用的是4MHz的石英振子,如果要使用1MHz的石英振子,就只用TC5051P进行分频,图1.6是使用1MHz的石英振子时的电路。
在4MHz的场合使用2个触发器,1/2×
1/2=1/4,4MHz被分频成1MHz,作为TC5051P的时钟脉冲。
图1.6使用1MHz的石英振子时的电路
1.2.5输出放大器的构成
进入频率技术器的信号不限于数字波形因此真正的频率计数器的输入部分是由宽带放大器和比较器构成的,这里为简单起见,尽量不使用特殊部件,所以和用倒相器IC作为放大器,给CMOS倒相器的输入,输出分别连接适当的电阻句可以作为放大器工作,这里利用74HCU04作为放大器,作为比较器同样原封不动地使用74HCU04倒相器。
1.2.6频率计数器的动作
图1.7是图1.2电力的工作波形。
频率计数器实际的计数工作只是在计数开始到计数接受的10ms期间,波形中所
示余下约100ms内没有什么动作只是处于等待下一次计数的状态,计数器输出是在计数中徐徐进行的,难以观察到,使用TC5051P时,它的内部具有锁存器,可以在计数结束的同时锁存计数器的值(利用TRF信号)
图1.7频率计数器的工作波形
计数器转移(TRF)信号处于保持状态后对计数器复位,并取准备下一次测定的方式,计数器的复位是又取样脉冲解除的,所以取样脉冲就成计数器开始计数器的信号。
使用1MHz的时钟脉冲与使用基准信号发生部分TC5051P的进位输出(CA)的D触发器(74HC74)的时间要错开一点,以形成复位脉冲,益处表示利用计数器部
分TC5051P的进位输出,如果进位输出为“H”琐存信号就会使LED发光,复位脉冲来到时锁存的信号被解除,所以在每次测定中可以判断是否益出。
1.3频率计数器性能的提高
1.3.1可变的测定周期
实验电路中取样脉冲是一定的,1S内大约测定10次,不过这个取样周期(测定周期)可以利用VR等进行调整,最简单的方法见图1.9把RC振荡器的电阻分为固定电阻+可变电阻两部分,采用图1.8中的数值可以使1S内的测定周期在5-100次的范围内变化,另外需要注意,测定周期不能够小于10ms,因为计数器部分是对10ms的时间脉冲计数的,如果在计数尚未结束时就又有计数启动脉冲进入,那就搞不清测定的究竟是什么值了。
把470千欧姆的固定电阻改变为1千欧姆固定电阻+1M欧姆的VR就能够在0.2s-10ms的范围调整取样周期。
图1.8改变取样周期
1.3.2改变最高计数频率
该实验最高可以测定到9.999MHz,分辨率(最小频率)是1KHz,可以方便地改变最高计数频率值,当希望降低最高技术频率或者希望提高精度时,只要去掉进行1/10分品的74HC160就可以了,图1.9(a)示出这种方法,经过这样的改造最高计数频率变为999.9KHz,分辨率提高到100Hz。
相反如果希望提高计数频率,那么可以在74HC160前面再追加1个分频器。
例如,图1.9(b)就是加74HC160的连线图。
在这种情况下,最高频率应该达到99.99MHz,而分辨则只有10KHz,但是对于74HC160来说,最高计数频率只有约30MHz,所以计数频率不可能再提高,74HC系列中也有在常温下计数频率达到50MHz的产品,不过使用时需要用示波器确认计数器的测定值是否准确。
注意:
由于使用IC的工作速度制约,测定被限制在约30MHz以下,
高于此限度将会出现错误显示。
(b)最高频率为99.99MHz时
图1.9改变最高计数频率的方法
如果非常希望能够计数到99.99MHz,可以使用TTL的74F160或者74AS160,这时,这些高速工作的IC必须追加在74HC160的前面,如果倒置了分频的先后,即使用速度再快IC也是毫无意义的。
当使用74F型或者74AS型器件时,使用74HCU04作为输入放大器就不能满足要求,应该使用专用的放大器。
如果只是测定数字信号,可以把被测信号直接加在74F160或者74AS160的时钟脉冲输入上,这时不需要放大器。
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