基于YL—291模塊的數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)與搭建

摘 要 隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，頻率的測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要?？紤]到Y(jié)L-291模塊中單元電路模塊的數(shù)量與功能，利用YL-291模塊設(shè)計(jì)與搭建頻率計(jì)電路，搭建后的頻率計(jì)可以測(cè)量5 V信號(hào)的頻率，頻率測(cè)量范圍為1～999 999 Hz，即接近1 MHz的信號(hào)頻率。

關(guān)鍵詞 頻率計(jì)；YL-291模塊；電路設(shè)計(jì)與搭建

中圖分類號(hào)：TM935.13+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）02-0036-05

由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展提高，人們對(duì)科技產(chǎn)品的要求也相應(yīng)地提高，數(shù)字化的電子產(chǎn)品越來越受到歡迎。頻率計(jì)作為比較常用和實(shí)用的電子測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校、家庭等場(chǎng)合。頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)基本參數(shù)，同時(shí)也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，頻率的測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。數(shù)字頻率計(jì)具有體積小、攜帶方便，功能完善、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在以后的時(shí)間里必將有著更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。比如：將數(shù)字頻率計(jì)稍作改進(jìn)，就可制作成既可測(cè)頻率，又能測(cè)周期、占空比、脈寬等功能的多用途數(shù)字測(cè)量?jī)x器。將數(shù)字頻率計(jì)和其他電子測(cè)量?jī)x器結(jié)合起來，通過傳感器制成各種智能儀器儀表，應(yīng)用于航空航天等科研場(chǎng)所，對(duì)各種頻率參數(shù)進(jìn)行計(jì)量；應(yīng)用在高端電子產(chǎn)品上，對(duì)其中的頻率參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；等等。

1 頻率計(jì)概述

頻率計(jì)原理 頻率就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1 s）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)N，則其頻率可表示為f=N/T。數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域中不可缺少的測(cè)量?jī)x器，它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。

頻率計(jì)電路搭建方法 本文考慮用YL-291模塊搭建頻率計(jì)電路，YL-291模塊有55個(gè)單元模塊。根據(jù)電子產(chǎn)品電路的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)的功能，YL-291模塊55個(gè)單元電路模塊分為單片機(jī)電路模塊、傳感器電路模塊、信號(hào)處理電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、執(zhí)行電路模塊、顯示電路模塊等。

2 頻率計(jì)電路搭建的總體設(shè)計(jì)方案

考慮到Y(jié)L-291模塊中單元電路模塊的數(shù)量與功能，搭建的頻率計(jì)電路可以測(cè)量5 V信號(hào)的頻率，頻率測(cè)量范圍為1～999 999 Hz，即接近1 MHz的信號(hào)頻率。所以，搭建頻率計(jì)電路的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

脈沖信號(hào)發(fā)生器 脈沖信號(hào)發(fā)生器單元模塊在YL-291模塊中屬于信號(hào)處理模塊之一，編號(hào)為EDM307，模塊電路如圖2所示，模塊實(shí)物如圖3所示。

1）接線端口說明。

Q4～Q14插孔：脈沖信號(hào)輸出。

OUT1插孔：1 Hz信號(hào)輸出。

OUT2：2 Hz信號(hào)輸出。

排插J1輸出FOUT、1 Hz和插孔Q13、Q14信號(hào)。

排插J2功能與Q4～Q10、Q1插孔相同。在輸出Q4～Q10、

Q12插孔信號(hào)時(shí)，可以直接使用排插J2輸出信號(hào)。

2）模塊功能。脈沖信號(hào)發(fā)生器是數(shù)字頻率計(jì)的一部分，它提供精度和穩(wěn)定度高的脈沖信號(hào)。在這里是采用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形，分頻獲得1 Hz的秒脈沖。因?yàn)殡娐分械木w振蕩器的頻率為32 768 Hz，通過15次分頻后可獲得1 Hz的脈沖輸出。

該脈沖信號(hào)發(fā)生器是由IC1 4060和IC2 CD4013組成。IC1 CD4060是14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1（和CP0）的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)。

IC2 CD4013是雙D觸發(fā)器，由CD4013組成二分頻器，這里是輸入2 Hz、輸出1 Hz秒脈沖。

十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器單元模塊在YL-291模塊中屬于信號(hào)處理模塊之一，編號(hào)為EDM603，模塊電路如4所示，模塊實(shí)物如圖5所示。

1）接線端口說明。

CP插孔：時(shí)鐘輸入，上升沿有效。

CR插孔：清零，高電平有效。

EN插孔：使能，高電平有效。

CO插孔：進(jìn)位輸出。

Q0～Q9：計(jì)數(shù)輸出。

排插J1功能與CP、CR、EN、CO、Q8～9插孔相同。在輸出CP、CR、EN、CO、Q8～9插孔信號(hào)時(shí)，可以直接使用排插J1輸出信號(hào)。

排插J2功能與Q0～7插孔相同。在輸出Q0～7插孔信號(hào)時(shí)，可以直接使用排插J2輸出信號(hào)。

2）模塊功能。該模塊的主要作用是對(duì)CP輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)，并計(jì)滿十個(gè)后由插孔CO輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖，由插孔Q0～Q9按輸入脈沖個(gè)數(shù)順序輸出，另外相應(yīng)的發(fā)光二極管LED1～LED10點(diǎn)亮。

IC1 L4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/分頻器，其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成。它的基本功能是對(duì)輸入脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)，并按照輸入脈沖的個(gè)數(shù)順序?qū)⒚}沖分配在Qo～Q9這十個(gè)輸出端，計(jì)滿十個(gè)數(shù)后計(jì)數(shù)器自動(dòng)復(fù)零，同時(shí)輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘禁止輸入為低電平時(shí)，在時(shí)鐘脈沖的上升沿進(jìn)位。在高電平時(shí)，時(shí)鐘被禁止。復(fù)位輸入為高電平時(shí)，時(shí)鐘輸入獨(dú)立運(yùn)行。

三位計(jì)數(shù)器 三位計(jì)數(shù)器單元模塊在YL-291模塊中屬于信號(hào)處理模塊之一，編號(hào)為EDM303，模塊電路如圖6所示，模塊實(shí)物如圖7所示。

1）接線端口說明。

CLK插孔：計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入，上升沿有效。

OF插孔：溢出輸出，高電平有效。

MR插孔：計(jì)數(shù)清零，高電平有效。

LE插孔：數(shù)據(jù)鎖存，高電平有效。

～：數(shù)碼管段碼輸出端，低電平有效，可直接接共陽數(shù)碼管。

排插J1輸出功能與輸出功能相同。在輸出CLK、OF、MR、LE插孔的信號(hào)時(shí)，可直接使用排插J1輸出信號(hào)。

排插J2輸出信號(hào)是～數(shù)碼管段碼輸出信號(hào)。在輸出～的信號(hào)時(shí)，可用排插J2輸出信號(hào)。

排插J3輸出信號(hào)是“個(gè)、十、百”位通信號(hào)。在輸出“個(gè)、十、百”位通信號(hào)時(shí)，可直接使用排插J3輸出信號(hào)。

2）模塊功能。該模塊主要是對(duì)由IC1 CD4553“12”腳輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，最多只能完成三位的計(jì)數(shù)；另外輸出一組3位位通信號(hào)DS1～DS3用以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示。模塊再輸出一組～驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管位選端點(diǎn)亮的信號(hào)。

計(jì)數(shù)器電路由三位計(jì)數(shù)器、譯碼器及驅(qū)動(dòng)電路組成。

其中IC1 CD4553是3位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，但輸出端卻只有一個(gè)，要完成3位輸出，只能采用掃描輸出方式，通過它的選通脈沖信號(hào)，依次控制3位十進(jìn)制的輸出，從而實(shí)現(xiàn)掃描顯示方式。CD4553內(nèi)部雖然有3組BCD碼計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)最大值為999），但BCD的輸出端卻只有一組Q0～Q3通過內(nèi)部的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)能分時(shí)輸出“個(gè)、十、百位”的BCD碼，輸出3位位選通信號(hào)。例如：當(dāng)Q0～Q3輸出“個(gè)位”的BCD碼時(shí)，CD4553的“2”腳DS1端輸出低電平；當(dāng)Q0～Q3輸出“十位”的BCD碼時(shí)，CD4553的“1”腳DS2端輸出低電平；當(dāng)Q0～Q3輸出“百位”的BCD碼時(shí)，CD4553的DS3端“15”腳輸出低電平，驅(qū)動(dòng)不同的數(shù)碼管顯示。周而復(fù)始、循環(huán)不止。IC1 CD4553及外圍組成3位計(jì)數(shù)電路，經(jīng)IC2 CD4511進(jìn)行BCD譯碼，再經(jīng)IC3 ULN2003反相驅(qū)動(dòng)，輸出a～g信號(hào)，可直驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。DS1～DS3接數(shù)碼管“位”選端。

IC2 CD4511的“7、1、2、6”腳是BCD碼輸入端，分別與IC1 CD4553的“9、7、6、5”腳連接，即BCD碼輸出端Q0～Q3，“9～15”腳分別是7段譯碼輸出端，分別接到IC3 ULN2003的“1～7”腳，IC3 ULN2003的輸出端分別為“10～16”腳。

譯碼/驅(qū)動(dòng)電路由IC2 CD4511和IC3 ULN2003AD組成。

四位數(shù)碼管 四位數(shù)碼管單元模塊在YL-291模塊中屬于顯示模塊之一，編號(hào)為EDM605，模塊電路如圖8所示，模塊實(shí)物如圖9所示。

1）接線端口說明。

～插孔：段碼輸入，低電平有效。

～、插孔：“位”選信號(hào)輸入，低電平有效。

排插J1功能與～插孔功能相同。在輸出～插孔的信號(hào)時(shí)，可直接使用排插J1輸出信號(hào)。

排插J2功能與～、插孔功能相同。在輸出～、插孔的信號(hào)時(shí)，可直接使用排插J2輸出信號(hào)。

2）模塊功能。該模塊的主要作用是顯示1～4位的0～9數(shù)字。

電源部分 直接選用外接的5 V直流電源。

3 頻率計(jì)電路的搭建效果

電路原理圖 基于以上的考慮，搭建頻率計(jì)電路的原理圖如圖10所示。

搭建電路實(shí)物圖 根據(jù)圖10原理圖，選用的模塊為EDM-三位計(jì)數(shù)器模塊兩個(gè)，EDM603-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊一個(gè)，EDM605-四位數(shù)碼管顯示模塊兩個(gè)，EDM307-脈沖信號(hào)發(fā)生器模塊一個(gè)。按照電路原理圖連接模塊，頻率計(jì)電路連接實(shí)物圖如圖11所示。

搭建電路效果 根據(jù)電路原理圖連接模塊后，接入

+5 V電源，發(fā)光二極管亮，表示電路已經(jīng)正確接入電源。把要測(cè)量的信號(hào)控制在5 V以內(nèi)，并把它接入電路的“信號(hào)輸入”端。

此時(shí)，由EDM307脈沖信號(hào)發(fā)生器模塊的Q14提供1個(gè)頻率為2 Hz的信號(hào)給EDM603-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊的CP經(jīng)由CD4017處理后由Q0輸出，分別送到EDM303-三位計(jì)數(shù)器兩模塊的MR接口，當(dāng)Q0輸出的脈沖信號(hào)高電平時(shí)，該信號(hào)對(duì)EDM303模塊中的CD4553清零，脈沖信號(hào)在0.5秒后變?yōu)榈碗娖?，在低三位的EDM303模塊中的CD4553開始對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；1秒后，EDM603-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊的CD4017中Q3（實(shí)際是Q3～Q9七個(gè)端口相連）端口輸出的脈沖送到（高電平時(shí)）EDM303-三進(jìn)制計(jì)數(shù)器兩模塊的LE端，對(duì)CD4553進(jìn)行鎖存。此時(shí)，數(shù)碼管顯示的數(shù)值即為1秒的計(jì)數(shù)值，也就是要測(cè)量的信號(hào)頻率。鎖存5秒后，CD4017由Q0又輸出高電平，如此循環(huán)，數(shù)碼管顯示的始終是信號(hào)的頻率。

在CD4017的Q0輸出低電平時(shí)，先從低三位的EDM303模塊中的CD4553開始對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果低三位EDM303模塊中的CD4553每次計(jì)數(shù)到999+1時(shí)，便會(huì)由低三位EDM303模塊中的CD4553的“14”腳OF溢出一個(gè)脈沖信號(hào)送到高三位EDM303模塊中的CD4553的“12”腳CLK，高三位EDM303模塊中的CD4553才開始計(jì)數(shù)。此時(shí)低三位亦同時(shí)清零并重新開始計(jì)數(shù)，直到CD4017中Q3端口輸出的高電平脈沖送到EDM303-三進(jìn)制計(jì)數(shù)器兩模塊的LE端，對(duì)CD4553進(jìn)行鎖存，便停止計(jì)數(shù)。

4 搭建頻率計(jì)電路的局限

為什么頻率只能測(cè)到999 999 Hz呢？由2個(gè)EDM605-四位數(shù)碼管顯示模塊本應(yīng)可以顯示接近100 MHz的頻率，但由EDM303-三位計(jì)數(shù)器模塊中的CD4553只是一個(gè)三位計(jì)數(shù)器，由2個(gè)EDM303-三位計(jì)數(shù)器模塊的2個(gè)CD4553只能提供6位的計(jì)數(shù)了。

5 總結(jié)

中等職業(yè)學(xué)校電子與信息專業(yè)和電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生以電子產(chǎn)品為依托進(jìn)行技能實(shí)訓(xùn)，是提高中職學(xué)生實(shí)踐能力和綜合職業(yè)能力的主要途徑和手段，在中職電子類專業(yè)教學(xué)體系中應(yīng)該占有極為重要的地位。圍繞電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)技能實(shí)訓(xùn)課程和綜合技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，是學(xué)生掌握職業(yè)綜合能力，走上工作崗位時(shí)能夠勝任崗位要求和可持續(xù)發(fā)展的可靠保證。使用電子產(chǎn)品單元電路模塊組建電子產(chǎn)品電路，對(duì)運(yùn)用基本能力和提高電路認(rèn)識(shí)是有很大幫助的。

參考文獻(xiàn)

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