课程设计---长安大学简易数字频率计

1、电工与电子技术基础课程设计报告 题 目 简易数字频率计 学院（部） 汽车学院 专 业 能源与动力工程 班 级 学生姓名 学 号 6 月 20 日至 6 月 24 日 共 1 周 指导教师（签字） 目录简易数字频率计（一）主要技术指标和要求3（二）摘要3（三）方案论证与选择3（四）原理框图5（五）总体电路图及工作过程5（六）单元电路的设计和元器件的选择6（七）收获与体会12（八）附件13（九）教师评语14 简易数字频率计（一）主要技术指标和要求：（1） 被测信号的频率范围100Hz10kHz；（2） 输入信号为正弦信号或方波信号；（3） 用四位数码管显示所测频率值，并用红、绿色发光二极管表示单位

2、；*（4） 具有超量程报警功能。（二） 摘要数字频率计在数字电路中应用广泛是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。本课题主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、整形，触发、计数、锁存、和数据显示、超量程报警等功能模块组成。放大整型电路：由电压比较器对被测信号进行预处理输出数字信号；闸门电路：由D触发器构成一个秒信号，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数器译码电路：计数译码集成

3、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码译码在数码管显示出来。设计中采用了模块化设计方法，采用适当的放大和整形，并且有两个档位Hz和 KHz提高了测量频率的范围。（三） 方案论证与选择1. 对于测频率的方法主要有以下几种计数法（M法）计数法又称测频法，是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为N1=(N1-N)/N=1

4、/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：f1=(f1-f)/f=1/f 从上式可知f1的相对误差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。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。侧周法（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

5、行计数。若在T时间内的计数值为N2,则有T2=N2*Toscf2=1T2=foscN2N2的绝对误差为N=1N2的相对误差为 N2=N2-NN=N1-NN=1N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。根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。有上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路

6、较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。2.时基电路的论证经过网上资料的对比时基电路主要有以下两种方法石英晶体振荡器石英晶体的震荡频率极为稳定，因而用它构成的多谐振荡器产生的矩形波脉冲的稳定性很高，但是石英晶体的造价比较高。555定时器组成的多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器构造和原理都比较简单而且频率和占空比都可以调节，并且造价比较低。综合以上两种方法我们选择由

7、555定时器组成的多谐振荡器来作为计数器的时基电路。3.放大整形电路的论证电压比较器电压比较器的作用是比较输入电压和参考电压,在输出端以高电平和低电平(即为数字信号的1或0)来反应比较结果。应用电压比较器的这一性质我们可以处理被测信号。施密特整形电路 门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状

8、态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。 它是一种阈值开关电路，具有突变输入输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。为了简单起见我们选择既可以达到要求又比较方便的电压比较器做为整形电路。（四）原理框图多谐振荡器逻辑控制电路显示器译码器锁存器计数器闸门电路整形电路时基电路信号输入超出量程？报警（指示灯亮）NY时

9、基电路HZ KHZ （五）总体电路图及工作过程整体电路的工作过程：由于输入的信号可以是正弦波，三角波，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个放大整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。通过一个时基电路产生1Hz和1KHz的脉冲，通过逻辑控制电路将上述脉冲周期加倍用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。该闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的数据通过锁存器固定再通过译码显示电路显示出来，即为被测信号的频率。

10、测量频率的差与闸门信号的精度直接相关。整体电路图如下:（六）单元电路的设计和元器件的选择1.放大整形电路将输入的正弦信号或方波信号经电压比较器放大整形成数字电路能够识别的方波信号，和脉冲信号共同控制闸门的开和关。此设计选用电压比较器来对被测信号进行放大整形电路图如下所示。通过一个运算放大器LM324构成电压比较器，使用单电源连接。LM324的引脚图如上所示。2.时基电路与分频通过555振荡器产生频率为1Hz和1K Hz的基准信号。然后1KHZ的信号通过三个十进制计数器74LS160组成的三个十分频器将信号变成频率为1Hz的脉冲，两个脉冲作为计数电路的闸门信号的两个档位。电路图如下所示(用555

11、组成占空比可调的多谐振荡器输出频率为1K Hz的信号)。参数的计算555分频器输出信号的频率f=1/0.7(R1+X1+R2)C=1000Hz,占空比D=R1/(R1+X1+R2)=0.5，因此选择R1=1K，R2=1K,X1=4 K,C=0.24F。在测量频率的时候，由于分两个显示单位，那么在不同的单位的时候，比如测量频率的单位需要显示Hz的时候，那么在显示的时候四个数码管的小数点不需要显示，此时绿灯亮。测量频率的单位需要显示KHz的时候，那么显示的时候，四个数码管第二个位的数码管的小数点要显示，也就是当显示的数值以KHz显示时，后面有两位小数以保证测量值度，并且此时红灯亮，表示单位是KHz

12、。电路图下3.逻辑控制电路用一个D触发器连接成一个T触发器，因为T触发器的逻辑功能是每来一个时钟脉冲，翻转一次，具有计数功能。当输入信号的频率为1Hz时即周期为1S时，输出信号的频率变为0.5Hz，周期变为2S；当输入信号的频率为1KHz时，输出信号的频率为500Hz。所以输出信号作为闸门控制信号就可以实现在1S（1ms）内使闸门打开，被测信号通过闸门，1S（1ms）后关闭，如此循环就可以实现测量输入信号的频率的作用。电路图如下选择74LS74做D触发器，其功能和管脚图如下CPDQn+1CPDQn+101QnQn0101该触发器的特点如下CP=0或CP=1期间，触发器的输出状态均保持不变；只有

13、在CP由0变为1 时Q端才能跟着D输入端变化。4.计数电路用4个74LS160计数器构成计数电路，进位输出端RCO与计数控制端ET EP相连，当低位计数器信号为1001（十进制9）时，RCO端产生高电平，向高位计数器进位，如此循环可以用来测量在一个脉冲内被测信号通过计数器的次数N，如果脉冲是1s高电平则频率f=N,如果脉冲是1ms高电平则频率f=1000N。电路图如下所示计数电路的控制信号由放大整形后的输入信号和逻辑控制电路的输出信号Q经过一个与门构成的，以实现在单位时间内计数的作用,清零信号Rd=CP*Q，实现测频之前清零的作用。 74LS160的逻辑状态表如下74LS160的管脚图其中1为

14、清零端，低电平有效；2为始终输入端CP，上升沿有效；36为数据输入端；7,10为计数控制端ET,EP,两者军为高电平时计数；9为同步并行置数端，低电平有效；1114为数据输出端；15为进位输出端RCO,高电平有效。5.锁存电路锁存电路的作用就是在计数完毕后将计数器测得的频率值锁存起来，否则在显示器上我们看到的就会是一个不断快速变化的数字，得不到稳定的测量值。锁存信号CP2=CP*Q,将计数器测量的频率值锁存。电路图如下74LS175外引脚排列图和功能表如图其中,RD是异步清零控制端。在往寄存器中寄存数据或代码之前，必须先将寄存器清零,否则有可能出错。1D4D 是数据输入端,在CP 脉冲上升沿作

15、用下，1D4D端的数据被并行地存入寄存器。输出数据可以并行从1Q4Q 端引出，也可以并行从1Q4Q 端引出反码输出。6.报警电路报警电路是在最高位的十进制计数器74LS160的进位端加一个蜂鸣器或者是LED灯，当有进位时蜂鸣器就会发出响声，LED灯会亮起来，以此提醒被测信号频率超出量程。7.译码显示电路电路图如下选择74LS247和BS204组成译码显示电路。（其中限流电阻的值为510）74LS247的功能表如下引脚图8.稳压电源的设计电路图，用W7805集成稳压器做成一个集成稳压电源，C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，一般在0.11F之间，这里选择1F。C2可用1F。输

16、出固定正电压5V，电流范围5mA1.5A。（七）收获与体会通过本次课程设计让我们更好地了解简易数字频率计的工作原理以及应用，此外让我们明白设计电路、连接电路过程中的苦与甜。同时这次课程设计为我们提供了一个应用自己所学知识运用到实践的机会。让我们明白理论与实践的巨大差别。为了完成本次任务我们从图书馆、网上查找资料，这很好的检验并提高了我们的自主学习能力，也可以对我们所学这门课程进行巩固。在设计制作的过程中，发现了以前所学的模电数电的知识掌握地不够扎实。同时，在设计的过程中，遇到了一些以前没有用过的元件，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。本次课程设计告诉我们，我们先要熟练地掌握课本中所学的知识并加以综合运用，然后，要明白理论与实际的差别，注意将所学东西用到实际上，这样才能加深对知识的理解及遇到问题自主分析解决能力。最后非常感谢我们小组的所有成员，通过大家的共同努力，才可以完成本次课程设计。