1、數字電路綜合設計案例十字路口交通管理器一、要求設計一個十字路口交通管理器，該管理器自動控制十字路口兩組紅、黃、綠三色交通燈，指揮各種車輛和行人安全通過。二、技術指標1、交通管理器應能有效操縱路口兩組紅、黃、綠燈，使兩條交叉道路上的車輛交替通行，每次通行時間按需要和實際情況設定。2、在某條道路上有老人、孩子或者殘疾人需要橫穿馬路時，他們可以舉旗示意，執勤人員按動路口設置的開關，交通管理器接受信號，在路口的通行方向發生轉換時，響應上述請求信號，讓人們橫穿馬路，這條道上的車輛禁止通行，即管理這條道路的紅燈亮。3、橫穿馬路的請求結束后，管理器使道口交通恢復交替通行的正常狀態。三、設計原理和過程：本課題

2、采用自上而下的方法進行設計。1確定交通管理器邏輯功能、十字路口每條道路各有一組紅、黃、綠燈，用以指揮車輛和行人有序地通行。其中紅燈亮表示該條道路禁止通行；黃燈亮表示停車；綠燈亮表示通行。因此，十字路口車輛運行情況有以下幾種可能：甲道通行，乙道禁止通行；甲道停車線以外的車輛禁止通行（必須停車），乙道仍然禁止通行，以便讓甲道停車線以內的車輛安全通過；甲道禁止通行，乙道通行；甲道仍然不通行，乙道停車線以外的車輛必須停車，停車線以內的車輛順利通行。、每條道路的通車時間（也可看作禁止通行時間）為30秒2分鐘，可視需要和實際情況調整，而每條道路的停車時間即黃燈亮的時間為5秒10秒，且也可調整。、響應老人、

3、孩子或殘疾人特殊請求信號時，必須在一次通行一禁止情況完畢后，阻止要求橫穿的那條馬路上車輛的通行。換句話說，使另一條道路增加若干通行時間。設S1和S2分別為請求橫穿甲道和乙道的手控開關，那么，響應S1或S2的時間必定在甲道通乙道禁止或甲道禁止乙道通兩種情況結束時，且不必過黃燈的轉換。這種規定是為了簡化設計。由上述邏輯功能，畫出交通管理器的示意圖如圖8-1所示，它的簡單邏輯流程圖如圖8-2所示。示意圖中甲道的紅、黃、綠燈分別用R、Y、G表示，而乙道的紅、黃、綠燈分別用r、y、g表示。簡單邏輯流程圖中設定通行（禁止）時間為60秒，停車時間為10秒。甲道乙道圖0-1交通菅理器示爲圖2確定系統方案及邏輯

4、劃分由確定的邏輯功能，進而來具體地討論實施方案。交通管理器與其他數字系統一樣，劃分成控制器和受控電路兩部分，控制器送出對受控部分的控制信號，它接受來自外部的請求信號S1和S2以及受控部分的反饋信號，決定自身狀態轉換方向以及輸出信號。設定Sl=l時為有人要橫穿甲道，又設定S2=1時為有人要橫穿乙道，若S1=O,且S2=0，則表示沒有穿越馬路的特殊請求。S1和S2信號均用紐子開關產生。控制器應送出甲、乙道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，我們把燈的代號和驅動燈的信號合而為一，因此有如下規定：R=1甲道紅燈亮Y=1甲道黃燈亮G=1甲道綠燈亮r=1乙道紅燈亮y=i乙道黃燈亮g=1乙道綠燈亮同時又作以

5、下規定：甲道通行、乙道禁止的一段時間內，即G=l,r=1的時間內（假設調定為60秒），用符號W=0表示，否則W=l。乙道通行、甲道禁止的一段時間內，即g=l,R=1的時間內（假設也調定為60秒），用符號P=0表示，否則P=l。圖鑲靂I簡單在黃燈亮的時間內（假設調定為10秒），用L=0表示，否則L=l。在上述各種情況時，如果無特殊請求橫穿馬路，那么，甲、乙道交替通行60秒鐘，轉換時有10秒鐘的停車或準備時間。當交通控制處于甲禁止乙通行的狀態時，它只響應S1信號，因為若S2=l時，只需本狀態結束，經過10秒鐘就轉入甲通乙不通狀態，行人可以穿越乙道，這樣做的目的是為了簡化設計。在甲通乙不通的狀態時，

6、管理器能響應S1信號，控制器受到S1信號后，狀態轉換為甲禁止、乙通行狀態；如果S1=O,而控制器收到S2=1信號，則維持甲道通行、乙道禁止狀態，讓行人通過乙道。為使交通管理器按照規定的通行和停車時間有效地工作，故設置秒脈沖信號發生器，它作為整個電路的時鐘信號和定時電路的參考間。秒脈沖發生器的構成請參閱“數字鐘”的有關內容。設計者亦可安裝一個模擬性的簡單的秒信號發生器。管理器設置60秒通行時間和10秒停車時間的定時電路。定時電路接受控制器送來C1(甲道禁止乙道通行)和C2(甲道通行乙道禁止)信號，驅動60秒定時電路工作，它接受C3信號，驅動10秒定時電路運行，定時電路的參考時間就是秒脈沖。申明一

7、點：定時電路的定時時間可由設計者調整。定時電路的輸出信號是W、P、L,其中W和P是60秒定時結束時饋送給控制器的信號，而L是10秒定時結束時定時電路送到控制器的反饋信號。控制器根據這些信號的狀況，發生相應的狀態變換。控制器的狀態經譯碼器譯出交通信號燈的控制信號，驅動甲、乙道相應燈點亮。現在就可以畫出交通管理器的結構組成圖如圖8-3所示。而它的控制器的詳細邏輯流程圖可用圖8-4示出。控制器的輸出已在流程圖各工作塊的外側標明。圏S-3交通管理器結構組威圈3受控電路的硬件設計由于受控電路的組成已經明確，現在的問題是如何選擇具體的器件來實現。在此作簡明介紹。秒脈沖信號發生器秒脈沖是交通管理器的時間基準

8、，秒脈沖發生器可以參照數字鬧鐘課題內的標準時間源。由于本課題對秒信號穩定度、精度的要求并不高，因此建議用一般的環形震蕩器組成，電路如圖8-5所示。其中邏輯門選用74LS00四與非門。由于該電路輸出信號的周期約為T=2.2RC在保證(R+Re)700Q(TTL門電路關門電阻)的前提下，選擇恰當的R和C值組成。60秒和10秒定時電路定時電路有多種形式，設計者可以任選。這里介紹一種用MSI74LS161同步計數器構成定時電路的方法。由于電路配置秒脈沖信號發生器，如果把秒信號作為計數器的CP輸入，那么計數器連接成60進制時就可作為60秒定時電路。由此推廣，模N計數器就是N秒定時電路，這對于靈活調整道路

9、通行時間是相當方便的。以下討論用74LS161構成N進制計數器的方法。啟動團8-4詳細邏輯流程圖74LS161具有同步預置控制端LD，因此可以采用反饋預置法實現N進制計數器。實現的方法為：首先使LD=0,數據輸入端A=B=C=D=0,CP來到將計數器置0(即QdQcQbQa=0000)，并以此作為初態；然后使Ld=1，器件在CP作用下開始計數，當計數到(N-1)時，經與非門反饋給預置控制端LD，又使LD=0,再次預置數據0從而完成一個0到(N-1)的循環，實現了N進制計數器的功能。圖8-6(a)示出了根據上述原理構成的模14計數器的外部連接圖。1圖8-6用反饋置位法構成14送制和酣進制計數卓一

10、片74LS161的最大計數模數為16,大于模16時必須用若干片連接。但是在連接成同步計數鏈時，應注意用計數器控制端P、T傳遞溢出進位信號，使各片計數器快速、正確地工作。圖8-6示出了用兩片74LS161組成M=60計數器的連接圖，因為N=(60)10=(111100)2,故反饋預置端QQM現，其中qa1、qb1和qd1是低位片的三個觸發器的輸出，qa2和qB2是高位片的兩個低位的輸出。低位片的TP固定接1,滿足計數條件。而高位片要計數,只有等待低位片輸出為全1時，因此用低位片的溢出進位輸出QC控制高位片的TP端,當QC=1時，高位片在輸入下一個計數脈沖時接受進位，加1計數，否則為保持狀態。再則

11、，74LS161也有異步清零功能，故可使用清零控制端Cr,采用反饋復位法使它成為任意進制計數器。圖8-7(a)是用用反饋復位法構成的模10計數器，因為(10)10=(1010)2，由于Cr是異步清零端，一旦QB=1與QD=1時，立即使計數器復0(0000),故(1010)2這個狀態不能持續，計數器狀態由0000、00011001、0000,實現十進制計數。圖8-7(b)是反饋復位法連接成的60進制計數器，工作原理請讀者自行分析。(b)1CF團8-7月反潰復位法構成m進制和和達制計數器本課題允許任選反饋預置法或反饋復位法構成60秒和10秒定時電路。這里選擇反饋預置法組成，如圖8-8所示。團3-S

12、和秒和1Cl秒定時電蹈1我們要注意幾點：選通信號C、c2和C3來自控制器，它們反映在何時打開哪一個定時電路的CP控制門。如果確定兩通道通行時間均為60秒，則可用同一定時電路實現。但考慮到兩道通行時間的靈活調整，即每道通行時間可在30秒2分鐘之內變動，甚至甲道和乙道通行時間不相同等等，故可分別用n和n2秒定時電路來產生P和W應答信號，以供控制器判別、決策，如圖8-9所示。黃燈亮的定時電路是公用的，設定時時間為n3秒，其輸出信號L同樣送至控制器。、交通管理燈選用紅、黃、綠不同顏色的發光二極管組成，它們分別受控制器輸出信號R、Y、G、r、y、g所驅動。至此，我們可畫出交通管理器受控部分硬件實施簡圖如

13、圖8-9所示。圖8-0交通管理器受控部分硬件實施簡圖4控制器設計導出管理器的MDS圖從圖8-4所示的交通管理器詳細邏輯流程圖出發，畫出相應的MDS圖如圖8-10所示。在圖中狀態A為甲道禁止乙道通行狀態（甲R乙g）,狀態B為甲道禁止乙道停車狀態（甲R乙y）,狀態C為甲道通行乙道禁止狀態（甲G乙r），狀態D為甲道停車乙道禁止狀態（甲Y乙r）。狀態分配本課題采用D觸發器作為控制器記憶元件，四個狀態用兩個D觸發器，狀態分配如下：狀態A00、狀態B01、狀態C11、狀態D10,狀態分配圖如圖8-11所示。、填寫激勵圖根據狀態分配的情況，填寫兩個D觸發器激勵函數降維卡諾圖如圖8-12所示。其中狀態變量Q2

14、為高位，Q為低位。P+PS!WSSLw+wss.圖3-10交通菅理器MI匹團激勵函數降維卡諾圖證100L1DiT可十呂D；A：甲道禁止乙道H行B:甲道禁止乙適停車C:甲道HIT乙道禁止D:甲道掙車乙道禁止由激勵函數卡諾圖求得激勵函數為：Di=Q?Q-iPSi+QjQi-FQjQi（W+S1S2）=QiQ：L4QxL+Q2Qi（經化簡可得Di=PSiQ:十QiQ十WQi十QlSiS?D=QQL4QQiLQiWSi求輸出函數方程乙道通行、甲道禁止時（P=O）的定時電路選通信號Ci=QQi甲道通行、乙道禁止時（W=0）的定時電路選通信號C尸Q丄Q停車時間（L=0）定時電路的選通信號Cj=QjQl+Q

15、;Qi=Qi控制器驅動甲道紅、黃、綠燈的信號R=QQi+Q:Qi=Q2G=Q?Qi控制器驅動乙道紅、黃、綠燈的信號i=Q:Q計Q：Qi=Q?g二控制器邏輯電路圖設計工作至此，所有方程已經求出，設計者可以選擇各種SSI、MSI、LSI器件來實現。四、討論1試用MSI組合器件數據選擇器和譯碼器實現交通管理器控制器，畫出相應的控制器邏輯電路圖。2試用集成單穩電路SN74121或SN74123組成交通管理器道路通行、禁止、停車定時電路。在此情況下，受控部分硬件實施圖和控制器邏輯電路圖。3假設甲、乙道交叉路口的交通管理按以下規則進行：甲道通行時間為2分鐘；甲道停車時間為20秒鐘；乙道通行時間為1分鐘；乙

16、道停車時間為10秒鐘；老人、孩子和殘疾人請求過馬路時，管理器立即響應，10秒鐘后允許行人穿越；交通管理人員有權隨時終止甲、乙道交替通行的狀況，而使某道連續通行，以解決某道交通堵塞現象或者應付臨時需要，如警車、消防車、救護車等特殊車輛的緊急或較長時間的通行。試設計并實現上述要求的十字路口交通管理器。4能否設計一個三、五條道路、以至六條交叉路口的交通管理器。5試選用MSI時序器件74LS161、74LS194等，設計交通管理器的控制器。6交通管理器控制器工作過程的ASM圖，并與MDS圖設計方法相比較。多路可編程控制器設計與制作一、問題的引入：在實際應用中，常常需要一種能同時控制多組開關按一定的方式

17、閉合與斷開的裝置，比如顯示圖樣不斷變化的各種霓虹燈或彩燈的電源控制系統。本節設計與制作的多路可編程控制器就具有這種功能。二、設計目的：通過這一課程設計，讀者可以在如下方面得到鍛煉。（1）基本了解設計數字系統的一般方法。（2）進一步熟悉常用數字器件的使用方法。（3）基本掌握通過邏輯分析查找數字電路故障的方法。（4）熟悉并學會使用用于讀寫EPROM的常用軟件，掌握固化與擦除EPROM的方法。三、設計要求：設計并制作出一種用于控制霓虹燈的控制器，它具有如下功能：（1）可以控制每段霓虹燈的點亮或熄滅。（2）每段霓虹燈的點亮與熄滅可以通過68編程來實現。（3）每間隔一段時間，霓虹燈的圖樣變化一次。（4）

18、圖樣變化的間隔時間可以調節。四、所需儀器設備與器件示波器，穩壓電源，EPROM讀寫軟、硬件，EPROM擦除器。五、設計內容、方法與步驟：1設計內容1）霓虹燈受控顯示的基本原理我們以背景霓虹燈的一種顯示效果為例，介紹控制霓虹燈顯示的基本原理。設有一排n段水平排列的霓虹燈，某種顯示方式為從左到右每間隔0.2秒逐個點亮。其控制過程如下：若以“1”代表霓虹燈點亮，以“0”代表霓虹燈熄滅，則開始時刻，n段霓虹燈的控制信號均為“0”，隨后，控制器將一幀n個數據送至n段霓虹燈的控制端，其中，最左邊的一段霓虹燈對應的控制數據為“1”，其余的數據均為零，即1000000。當n個數據送完以后，控制器停止送數，保留

19、這種狀態（定時）0.2秒，此時，第1段霓虹燈被點亮，其余霓虹燈熄滅。隨后，控制器又在極短的時間內將數據1100000送至霓虹燈的控制端，并定時0.2秒，這段時間，前兩段霓虹燈被點亮。由于送數過程很快，我們觀測到的效果是第一段霓虹燈被點亮0.2秒后，第2段霓虹燈接著被點亮，即每隔0.2秒顯示一幀圖樣。如此下去，最后控制器將數據1111111送至n段霓虹燈的控制端，則n段霓虹燈被全部點亮。只要改變送至每段霓虹燈的數據，即可改變霓虹燈的顯示方式，顯然，我們可以通過合理地組合數據（編程）來得到霓虹燈的不同顯示方式。2）系統框圖根據設計要求，確定如圖8.1所示系統框圖。8-1系統方框圖框圖中，右邊的D0

20、-Dn為n個發光二極管，它們與n段霓虹燈相對應，二極管亮,則霓虹燈亮。下面介紹框圖中各部分的功能與實現方法。（1）移位寄存器移位寄存器用于寄存控制發光二極管亮、滅的數據，對應n個發光二極管，移位寄存器有n位輸出。移位寄存器的輸入信號取自存儲器輸出的8位并行數據，為使電路簡單，可以采用8位并入并出的移位寄存器，也可以采用并入串出的移位寄存器。（2）只讀存儲器只讀存儲器內部通過編程已寫入控制霓虹燈顯示方式的數據，控制器每間隔一段時間（顯示定時）將n位數據送移位寄存器，所送的數據內容由存儲器的地址信號確定。存儲器的容量由霓虹燈的段數、顯示方式及顯示方式的種類確定。n段霓虹燈，m種顯示方式，要求存儲器

21、的容量為n=nXnXm（bit）只讀存儲器可以采用常用的EPROM,如2764、27128、27256、27512等。（3）地址計數器地址計數器產生由低到高連續變化的只讀存儲器的地址，存儲器內對應地址的數據被送至寄存器。地址計數器輸出的位數由存儲器的大小決定。64Kbyt容量的存儲器對應的地址線為16根，因此要求16位計數器。其余可依次類推。地址計數器給出存儲器的全部地址以后自動復位，重新從0000H開始計數。地址計數器可以采用一般的二進制計數器，如74161、162等。（4）控制門與定時器控制門用于控制計數脈沖是否到達地址計數器。控制門的控制信號來自定時器，定時器啟動時，控制門被關閉，地址計

22、數器停止計數，寄存器的數據被鎖存。此段時間發光二極管發光。達到定時值時，定時器反相，計數器重新開始計數。控制門可以用一般的與門或或門，定時器可以采用單穩態電路來實現，也可以用計數器實現。（5）長度計數器長度計數器與地址計數器對應同一個計數脈沖。長度計數器工作時，地址計數器也在工作。計數器工作期間，存儲器對應地址的數據被逐級移位至對應的寄存器。長度計數器的計數長度為n/8,該長度恰好保證一幀圖樣（n位）的數據從存儲器中讀出送寄存器鎖存。長度計數器達到長度值時自動清零，同時啟動定時器工作。定時器啟動期間，長度計數器與地址計數器的計數脈沖均被封閉。長度計數器電路可視計數的具體長度來確定。當計數長度較

23、短時，可以采用移位寄存器來實現。）實用電路根據上面的分析，設計出如圖8.2所示的實用電路。實用電路可以控制32段霓虹燈，用32個發光二極管代替霓虹燈。實際電路中，霓虹燈是由開關變壓器提供的電源點亮的，開關變壓器通過光耦進行強、弱電隔離，從寄存器輸出的點亮發光二極管的驅動信號完全可以驅動開關變壓器工作。電路中的移位寄存器采用74LS374,當與11腳相連的移位脈沖產生上升沿突變時，8位數據從上至下從一個寄存器移位至另一個寄存器，構成8位并行移位電路。顯然，出現在11腳的移位脈沖，一次只能有4個。VlT+LflilTH3U12ErTFU2T+La(l*QCIDI11TCmilTILOeDS1DDD

24、IDIDID3.m_E.npi1Fl1n1ipBT.E.PD価T匚了*匚1遼11121T-ilSMT4LDHDDDItlDIDD5DADTHCISMOmicBTHEA01pF7+LE74T+LE7474LS71-口iDlDID2DADTH、n_艮DDDIDIDID-DADT口日muDI11TDDDDDDn-n-zbclBDI-87+LE7+elejEJ圖8.2霓虹燈顯示控制器實用電路電路中的存儲器采用具有8K地址的EPROM2764,電路中2764的最后兩根地址線All、A12接地。因此，實際只用到了前面2K地址的存儲單元。由于只控制32段霓虹燈，它仍可以保證有足夠多的顯示方式。如有必要，可以

25、通過接插的方式改變A11、A12的電平，選擇其他6K地址對應的圖樣。電路中的地址計數器由3塊74LS161組成，它產生11位地址數據，計數輸出直接與存儲器的地址線相連。定時器采用555組成的單穩態觸發器來實現，改變可變電阻VR的數值。可以改變定時器的時間，即每幀畫面顯示的時間。顯示時間一般定在0.11S之間。振蕩電路采用555組成多諧振蕩器來實現，其振蕩頻率可以在1KHz1MHz之間取值。2方法與步驟）器件檢測與每次實訓一樣，首先對所用器件進行檢測。保證器件完好，可以減少因器件不良帶來的各種麻煩。）電路安裝在印刷電路板上安裝好全部器件。所需電路板可以在電子CAD課程作為課程設計內容完成，也可委

26、托電路板廠加工。如無現成的印刷電路板，也可在萬能板上安裝。由于電路連線較多，不宜在面包板上安裝。）檢測電路（1）檢測由555組成的時鐘振蕩器的輸出波形，正常情況應能在U5的第3腳觀測到頻率為幾十KHz的矩形波。如不能觀測到輸出波形，則應檢測555的工作狀態，找到故障所在。（2）將定時器電位器VR調至最小值，用示波器觀測計數脈沖的波形，如電路正常，可以得到波形。如沒有波形或波形為連續矩形波，則檢測定時器555輸出端第三腳的電平。正常時可以觀測到輸出電平以短于1S的時間周期跳變，如果不出現跳變，則定時器沒有工作，應檢測定時器與長度計數器的工作狀態。通過檢測各引腳電平或波形，根據電路的邏輯關系進行分

27、析，排除故障。（3）檢測存儲器各地址線的電平，在低地址端應能觀測到電平的跳變。如地址線電平不發生變化，則應檢測由4個74LS161構成的地址計數器工作是否正常，通過檢測各IC的引腳或波形，排除故障。（4）檢測寄存器74LS374各引腳電平，各電平值應與電路確定的值一致，出現異常則應找出故障所在，予以排除。）排列發光二極管將32個發光二極管按你喜歡的方式排列成一定的圖形或字符。）確定顯示方式根據排列的圖形，確定發光二極管的顯示方式。）確定存儲器各地址對應的數據顯示方式確定之后，則可確定存儲器各地址對應的數據。為加深讀者的認識，設發光二極管水平排列，顯示方式為從左至右一個一個點亮。這種情況下，各地

28、址對應的數據如表8.1所示。表中，每行第一個16進制數為存儲器的一個起始地址，其余16個數為該地址及與該地址相連的其他15個地址的數據，也用16進制數表示。表8.1一種顯示方式各地址對應的數據0000H00H00H00H01H00H00H00H03H00H00H00H07H00H00H00H0FH0010H00H00H00H1FH00H00H00H3FH00H00H00H7FH00H00H00HFFH0020H00H00H01HFFH00H00H03HFFH00H00H07HFFH00H00H0FHFFH0030H00H00H1FHFFH00H00H3FHFFH00H00H7FHFFH00H0

29、0HFFHFFH0040H00H01HFFHFFH00H03HFFHFFH00H07HFFHFFH00H0FHFFhFFH0050HOOH1FHFFHFFH00H3FHFFHFFH00H7FHFFHFFH00HFFHFFHFFH0060H01HFFhFFHFFH03HFFHFFHFFH07HFFHFFHFFH0FHFFHFFHFFH0070H1FHFFHFFHFFHFFH3FHFFHFFH7FHFFHFFHFFHFFHFFHFFHFFH讀者讀懂表8.1的內容以后，就可以自己編輯顯示方式了。）輸入數據讀者可以利用任何讀寫EOROM的軟件及相關附件將編輯好的內容固化在EPROM中。固化時，必須注意

30、選擇編程電壓時，應與實際存儲器的編程電壓一致。）顯示圖樣將EPROM插入IC插座，接通電源，即可看到發光二極管依一定的規律在點亮與熄滅。觀看顯示方式是否與自己設計的方式一致，如不一致，找出原因。如屬數據編輯錯誤，可改寫前面的數據。EPROM具有光擦除功能，要修改內部數據，必須用紫外線擦除器擦除后重寫全部內容。六、課程設計驗收硬件制作實物完成情況，演示設計與調試的結果設計方案與說明書數字頻率計的設計與制作一、問題的引入：在許多情況下，要對信號的頻率進行測量，利用示波器可以粗略測量被測信號的頻率，精確測量則要用到數字頻率計。二、設計目的：本設計與制作項目可以進一步加深我們對數字電路應用技術方面的了

31、解與認識，進一步熟悉數字電路系統設計、制作與調試的方法和步驟。三、設計要求：設計并制作出一種數字頻率計，其技術指標如下：(1)頻率測量范圍：109999Hz。(2)輸入電壓幅度300mV。(3)輸入信號波形：任意周期信號。(4)顯示位數：4位。(5)電源：220V、50Hz四、所需儀器設備與器件示波器、音頻信號發生器、邏輯筆、萬用表、數字集成電路測試儀、直流穩壓電源。五、設計內容、方法與步驟：1設計內容)數字頻率計的基本原理數字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間(1S)內信號發生周期變化的次數。如果我們能在給定的1S時間內對信號波形計數，并將計數結果顯示出來，就能讀取被測信號

32、的頻率。數字頻率計首先必須獲得相對穩定與準確的時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數字電路識別的脈沖信號，然后通過計數器計算這一段時間間隔內的脈沖個數，將其換算后顯示出來。這就是數字頻率計的基本原理。)系統框圖從數字頻率計的基本原理出發，根據設計要求，得到如圖8.3所示的電路框圖。下面介紹框圖中各部分的功能及實現方法(1)電源與整流穩壓電路框圖中的電源采用50Hz的交流市電。市電被降壓、整流、穩壓后為整個系統提供直流電源。系統對電源的要求不高，可以采用串聯式穩壓電源電路來實現。(2)全波整流與波形整形電路本頻率計米用市電頻率作為標準頻率，以獲得穩定的基準時間。按國家標準，市電的頻率漂移不

33、能超過0.5Hz，即在1%的范圍內。用它作普通頻率計的基準信號完全能滿足系統的要求。全波整流電路首先對50Hz交流市電進行全波整流，得到如圖8.4(a)所示100Hz被剛信口！p顯示譯碼器全波整硫圖8.3數字頻率計框圖的全波整流波形。波形整形電路對100Hz信號進行整形，使之成為如圖8.4(b)所示100Hz的矩形波。圖8.4全波整流與波形整形電路的輸出波形波形整形可以采用過零觸發電路將全波整流波形變為矩形波，也可采用施密特觸發器進行整形。(3)分頻器分頻器的作用是為了獲得1S的標準時間。電路首先對圖8.4所示的100Hz信號進行100分頻得到如圖8.5(a)所示周期為1S的脈沖信號。然后再進

34、行二分頻得到如圖8.5(b)所示占空比為50%脈沖寬度為1S的方波信號，由此獲得測量頻率的基準時間。利用此信號去打開與關閉控制門，可以獲得在1S時間內通過控制門的被測脈沖的數目。分頻器可以采用第5章介紹過的方法，由計數器通過計數獲得。二分頻可以采用觸發器來實現。（4）信號放大、波形整形電路為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理,圖8.5分頻器的輸出波形使之成為能被計數器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。信號放大可以采用一般的運算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發器。（5）控制門控制門用于控制輸入脈沖是否送計數器計數。它的一個輸入端

35、接標準秒信號，一個輸入端接被測脈沖。控制門可以用與門或或門來實現。當采用與門時，秒信號為正時進行計數，當采用或門時，秒信號為負時進行計數。（6）計數器計數器的作用是對輸入脈沖計數。根據設計要求，最高測量頻率為9999Hz，應采用4位十進制計數器。可以選用現成的10進制集成計數器。（7）鎖存器在確定的時間（1S）內計數器的計數結果（被測信號頻率）必須經鎖定后才能獲得穩定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發脈沖控制，將測得的數據寄存起來，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器，為使數據穩定，最好采用邊沿觸發方式的器件。（8）顯示譯碼器與數碼管顯示譯碼器的作用是把用BCD碼表示的10進制數

36、轉換成能驅動數碼管正常顯示的段信號，以獲得數字顯示。選用顯示譯碼器時其輸出方式必須與數碼管匹配。3）實際電路根據系統框圖，設計出的電路如圖8.6所示。圖中，穩壓電源采用7805來實現，電路簡單可靠，電源的穩定度與波紋系數均能達到要求對100Hz全波整流輸出信號的分頻米用7位二進制計數器74HC4024組成100進制計數器來實現。計數脈沖下降沿有效。在74HC4024的Q7、Q6、Q3端通過與門加入反饋清零信號，當計數器輸出為二進制數1100100（十進制數為100）時，計數器異步清零。VccERCLKEH7T1-5LSU+EB直-_Ulr-ENCLEO*J-1-J18LOEffItZU5CTf

37、fiCn2&-lT5LI131+oomOQmotBoimdnln2D5Dtn3DCn7BOeLEW+J11kABBccD口上LTFMGLE4-5LSD3E7-1HC11U1EMEEIdftEL6V7SO5沾LE1_D+5喘出LEEDCLEQQSDC口TYK74-HE109U3匚74HEL1ElTfqlQ2Q3Q*QT中圖8.6數字頻率計電路圖實現100進制計數。為了獲得穩定的分頻輸出，清零信號與輸入脈沖“與”后再清零，使分頻輸出脈沖在計數脈沖為低電平時保持一段時間（10mS）為高電平。電路中采用雙JK觸發器74HC109中的一個觸發器組成觸發器，它將分頻輸出脈沖整形為脈寬為1S、周期為2S的方

38、波。從觸發器Q端輸出的信號加至控制門，確保計數器只在1S的時間內計數。從觸發器端輸出的信號作為數據寄存器的鎖存信號。被測信號通過741組成的運算放大器放大20倍后送施密特觸發器整形，得到能被計數器有效識別的矩形波輸出，通過由74HC11組成的控制門送計數器計數。為了防止輸入信號太強損壞集成運放，可以在運放的輸入端并接兩個保護二極管。頻率計數器由兩塊雙十進制計數器74HC4511組成，最大計數值為9999Hz。由于計數器受控制門控制，每次計數只在JK觸發器Q端為高電平時進行。當JK觸發器Q端跳變至低電平時，端的由低電平向高電平跳變，此時，8D鎖存器74HC374（上升沿有效）將計數器的輸出數據鎖

39、存起來送顯示譯碼器。計數結果被鎖存以后，即可對計數器清零。由于74HC4518為異步高電平清零，所以將JK觸發器的同100Hz脈沖信號“與”后的輸出信號作為計數器的清零脈沖。由此保證清零是在數據被有效鎖存一段時間（10mS）以后再進行。顯示譯碼器采用與共陰數碼管匹配的CMOS電路74HC4511,4個數碼管采用共陰方式，以顯示4位頻率數字，滿足測量最高頻率為9999Hz的要求。2方法與步驟1）器件檢測用數字集成電路檢測儀對所要用的IC進行檢測，以確定每個器件完好。如有興趣，也可對LED數碼管進行檢測，檢測方法由自己確定。2）電路連接在自制電路板上將IC插座及各種器件焊接好；裝配時，先焊接IC等

40、小器件，最后固定并焊接變壓器等大器件。電路連接完畢后，先不插IC。3）電源測試將與變壓器連接的電源插頭插入220V電源，用萬用表檢測穩壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應為+5V。如果輸出電壓不對，應仔細檢查相關電路，消除故障。穩壓電源輸出正常后，接著用示波器檢測產生基準時間的全波整流電路輸出波形。正常情況應觀測到如圖13.5（a）所示波形。4）基準時間檢測關閉電源后，插上全部IC。依次用示波器檢測由Ul(74HC4024)與U3A組成的基準時間計數器與由U2A組成的觸發器的輸出波形，并與圖13.6所示波形對照。如無輸出波形或波形形狀不對，則應對Ul、U3,U2各引腳的電平或信號波形進行檢測，消除故障。輸入檢測信號從被測信號輸入端輸入幅值在1V左右頻率為1KHz左右的正弦信號，如果電路正常，數碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則作進一步檢測。輸入放大與整形電路檢測用示波器觀測整形電路U1A(74HC14)的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸