简易数字频率计课程设计.doc

1、一、课题名称与技术要求名称：简易数字频率计主要技术指标和要求：1. 被测信号的频率范围100HZ100KH2. 输入信号为正弦信号或方波信号3. 四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位4. 具有超量程报警功能二、摘要 以门电路，触发器和计数器为核心，由信号输入、放大整形、闸门电路、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。放大整型电路：对被测信号进行预处理；闸门电路：由与门电路通过控制开门关门，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：周期性产生一秒高电平信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数

2、码管显示出来。关键字：比较器，闸门电路，计数器，锁存器，逻辑控制电路三、方案论证与选择频率测量原理与方法对周期信号的测量方法，常用的有下述几种方法。1、测频法（M法）对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率为：f1=N1/TG。TG为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数，设在TG期间，计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是N1=N1,N1的相对误差为&N1=（N1-N）/N=（N1-N）/N=1/N,由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的

3、条件下，为减小N1的相对误差，可通过增大TG的方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。当TG为确定值时(通常取TG=1s)，则有f=N，固有f1的相对误差：&f1=(f1-f)/f=(f1-f)/f=1/f由上式可知，f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，M法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。 测频法原理图2、测周法（T法）首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。若在

4、T时间内的计数值为N2,则有T2=N2*Toscf2=1/T=1/(N2* Tosc)= fosc/N2 N2的绝对误差为N=1N2的相对误差为&N2=(N2-N)/N=(N1-N)/N=1/N 从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频你标准计数信号的频率成反比。当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。 测周法原理图频率测量方案选择根据性能和技术指标的要求，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。有上述对各种方法的讨论可知，M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测

5、信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。这种方法比较适合测量高频信号的频率。T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。这种方法比较适合测量频率较低的信号。综合以上几种方案的优缺点和该课题的频率范围和精确度的要求，我们选择直接测频法。对测量频率的最低值100Hz来说，相对误差最大为1%，可以满足要求，随着测量频率的增大，相对误差逐渐减小。四、方案的原理框图、总体电路图、接线图以及说明方案原理框图 总体电路图 图4.2工作过程说明1放大整形电路任意形式信号经过

6、施密特触发器放大整形变成方波信号，和脉冲信号一起控制与门的开启与关闭，2秒脉冲控制时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls。开关闭合后与JK触发器的Q端一起控制给计数器CLK脉冲的门电路，同时控制着计数器的清零端和锁存器（D触发器）的锁存端。3计数寄存译码经过整形放大后的方波信号在与门U22A开门的1秒内给计数器提供计数脉冲，与门打开瞬间计数器74LS160N清零结束，74LS273DW 处于锁存状态，计数器开始计数， 当计数值未超过四位数码管的量程时，即U7输出为0000，4或门U3A输出为 0，非门U23B输出1，小数点熄灭，

7、74LS257N选择低四片计数芯片，单位为Hz； 当计数值超过四位数码管的量程时，即U7输出不为0000，小数点亮，74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz； 当计数值超过100KHz时，U7给JK触发器一个脉冲，JK触发器翻转，Q=1，蜂鸣器报警， Q非和多谐振荡器通过与门U22B电路输出0，所有计数器清零，与门U22A输出为0； 当为、两种情况时，每经过1S的开门时间后，下降沿通过非门U23A给74LS273一个上升沿锁存数据，低电平使计数器全部清零，等待下轮开门时间计数； 当出现时，需要手动关闭开关，给JK触发器清零，蜂鸣器停止报警，再闭合开关使电路重新开始测频率。4显示电路利用D

8、CD_HEX LED显示器自带译码功能显示所计频率的大小。五、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算放大整形电路此设计选用555构成的施密特触发器对被测信号进行放大整形，电路图如图5.1.1 图5.1.1CON端通过电阻分压提供一个0.5V的基准电压Ua，输入频率信号的幅值与1/2Ua和Ua进行比较，输出同频率的方波。输入输出波形图如图5.1.2（正弦波为输入信号、方波为输出信号） 图5.1.2秒脉冲控制时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls。电路如图5.2.1图5.2.1555多谐振荡器的清零端接开关，输出端与JK触发器的

9、Q端通过与门U22B控制给计数器CLK脉冲的门电路，同时控制着计数器的清零端和锁存器（D触发器）的锁存端。电路如图5.2.2 图5.2.2计数器计数器由5片74LS160级联组成，低片的进位输出端分别作为相邻高片的CLk输入端。A、B、C、D、ENT、ENP、LOAD都接高电平，清零端接在一起和与门U22B的输出端相连。如图5.3.1 图5.3.1表5-174LS160功能表输入输出CLKCLRLOADENPENTDCBAQDQCQBQAX0XXXXXXX000010XXDCBADCBAX110XXXXX保持X11X0XXXX保持1111XXXX加计数由表可知，该计数器的主要功能有：（1）异步

10、清零：当CLR=0时，其他输入端任意取值，计数器将被直接置零。（2）同步预置数：当CLR=1，LOAD=0,且有CLK脉冲下降沿作用时，完成将输入端DCBA的数值置入计数器操作，使QDQCQBQA=DCBA。（3）保持：当CLR=LOAD=0时，若ENP*ENT=0，则计数器保持输出原状态不变，不管有无CLK脉冲作用。不过ENT=0时，进位输出RCO=0.（4）计数：当CLR=LOAD=0，若ENP=ENT=1时，处于计数状态，对CLK脉冲下降沿进行十进制加计数。 图5.3.2 74LS160逻辑管脚图单位转换由74LS257和门电路组成单位转换电路。4片257的使能端G都接地，数据选择控制端

11、A/B连在一起与非门U23B的输出相连，数据端A、B连接图5.4.1 图5.4.1若最高位计数器为零，小数点熄灭，门电路给A/B高电平，选择低四片计数器输出，单位为Hz；当数值超过四位数码管的量程时，即U7输出不为0000，小数点亮，74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz；实现单位的自动转换。表5-274LS257功能输入输出GA/B1A2A3A4A1B2B3B4B1Y2Y3Y4Y1XXXXXXXXXZZZZ01XXXX1B2B3B4B1B2B3B4B001A2A3A4AXXXX1A2A3A4A由表可知，74LS257具有以下特点：(1) G=1时，输出高阻态。(2) G=0，A/B=

12、1时，选择将B口值赋给Y口输出，1Y2Y3Y4Y=1B2B3B4B。(3) G=0，A/B=0时，选择将A口值赋给Y口输出，1Y2Y3Y4Y=1A2A3A4A。图5.4.2 74LS257的逻辑管脚图数据锁存数据锁存电路由两片8D触发器74LS273组成。每片273 的8个输入端分别与两片257的输出端相连，8个输出端分别与两个DCD_HEX数码管相连，清零端CLR都接高电平，脉冲CLK端接非门U23A的输出端。如图5.5.1 图5.5.1每来一个上升沿，273就会把输入端的值赋给输出端，并保持到下一个上升沿的到来。74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为

13、数据输出端，上升沿触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。表5-3输入输出CLRCLKD1D2D3D4D5D6D7D8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q80XXXXXXXXX000000001D1D3D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D81XXXXXXXXXQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q874LS273功能表注：CLR=1时，CLK的X表示除上升沿的其他状态。由表可知，74LS273具有以下特点：（1）清零：CLR=0时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；（2）触发：CLR=1，CLK为上升沿触发时， D1D8的数据通过芯片输出给Q1Q8；（3）锁存：CLR=1，CLK不

14、是上升沿触发时，将数据锁存，D0D7的数据不变。图5.5.2 74LS273逻辑管脚图超量程报警和复位超量程报警由JK触发器和蜂鸣器和开关电路组成。如图5.6.1 图5.6.1置“1”端和J、K都接高电平，Q端接蜂鸣器（加了一个灯显示蜂鸣器是否处在报警状态），Q非接与门U22B的一个输入端，清零端接开关电路，CLK接计数器最高位的进位端。电路连接如图5.6.2 图5.6.2接通电源前，JK触发器清零，同时使555多谐振荡器清零，当接通电源后，Q端保持低电平，Q非保持高电平，振荡器开始工作，计数器可以计数；当计数不超量程时，最高位没有进位信号，Q保持低电平，蜂鸣器不响；当计数器超量程时，最高位进

15、位信号给JK触发器的CLK，使触发器翻转，Q输出高电平，灯亮，蜂鸣器报警，Q非输出低电平，使与门U22B和U22A都输出低电平，所有计数器清零。只有手动断开开关才能结束报警。表5-474LS112功能表 图5.6.3 74LS112逻辑管脚图材料清单芯片LM555两个74LS160五个74LS257四个74LS273两个74LS04一个74LS08一个4072BD一个显示管DCD_HEX四个二极管发光一个蜂鸣器200Hz一个开关一个电容10uF一个10nF一个电阻108.2K一个36.08K一个4.7K一个300三个 六、心得体会及存在的问题 回顾起此次课程设计， 至今我们仍感慨颇多， 的确，

16、从理论到实践，在整整一星期的日子里，学到很多很多的的东西。我们不仅可以巩 固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。从图书馆、 网上查找资料对电路设计及制作的成型， 都对我们所学专业知识进行了检验， 我们也从中懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，可以说得是困难重重，发现自己的不足还有很多，比如对 以前所学过的知识理解得不够深刻，遇到了一些以前没有用过的元件， 稳压管管脚不懂怎么放置， 不懂得分二极管的正负极，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用，进一步得到了提升。制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎。 在设计过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记