课程设计——数字频率计

1、贵州大学课程设计 第14页目录目录1简易数字频率计2摘要2前言2本论2一、数字频率计设计原理21.基本原理22. 频率计的基本组成框图33.逻辑控制电路44.锁存器65.脉冲形成电路66.闸门电路、77.扩展电路8二、设计内容与要求9三、电路设计与测试9四、测试数据与误差分析11总结12致谢12参考文献12附录13简易数字频率计摘要数字频率设计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。他的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。而且还可以测量他们的周期。经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量

2、仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因为数字频率计在测量方面有广泛的应用。关键字：数字频率计，Proteus，课程设计，逻辑电路，译码器。前言随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。数字频率计是主要用来显示被测频率的大小的装置，其广泛应用于许多设计复杂、功能多样的电子设备中，虽然其功能复杂，但是使用起来既简单又方便。本课程设计是为了达到学以致用的能力，把所学的电子技术应用到实际生活中去，巩固学生所学知识等而进行的。课程设计既要理论联系实际，又要通过学生自

3、己的设计对理论知识牢固而灵活的掌握，着重培养了学生的实际动手能力。本论一、数字频率计设计原理1.基本原理数字频率计是直接用十进制数字来显示被测量信号频率的一种测量装置，它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。测频的基本原理是，若T为时间间隔，N为T内测得的周期信号重复变化次数，则其频率可表示为f=。计数译码显示闸门电路脉冲形成电路fx门控电路时基信号发生器频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率

4、值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。本文。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。2. 频率计的基本组成框图简易数字频率计的组成框图和波形图如下所示。 a 图表 1 b译码显示器锁存器计数器闸门电路器时基电路放大整形电路逻辑控制电路x锁存计数清“0”TxN主要功能：4位十进制数显示、小数点自动定位；主要技术指标频率测量范围

5、1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ； 频率准确度 -3；被测信号幅度Vxm=0.2V5V（正弦波、方波、三角波）3.逻辑控制电路根据图1（b）所示时序波形，在标准信号结束时所产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清“0”信号，他们的脉冲宽度由本身电路的参数所决定。因此这两个脉冲信号和可以由两个单稳态触发器产生，其电路图如图2所示，其中74LS123是集成电路可重复触发的单稳定触发器，其内部有两个完全独立的单稳态触发器。74LS123的功能表如表3所示。图表 2图表 3设锁存信号和清“0”信号的脉冲宽度tw相同，如果tw=0.02s,可由式tw=0

6、.45RextCext来计算时间常数RextCext=0.02s时的值。因为tw=0.45RextCext=0.02s若取Rext=10K,则Cext=tw/0.45Rext=4.4F取标准值4.7F。当CLR=1，触发脉冲从A输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一正脉冲，Q非端可获取一负脉冲，其脉宽tw由Rext决定。4.锁存器锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行所存，使显示器上获得的稳定的测量值。因为计数器在1s内要计成千上万个输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读数。1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号IV，将计数器此时的值送

7、译码显示器，因此显示器的数字是稳定的。选用锁存器74ls273可以完成上述锁存功能。如图4所示，采用2片74ls273构成的16位二进制的输出锁存器的连接电路。当时钟脉冲信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D，从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位及千位的输出值送到锁存器的输出端。由锁存器74ls273的功能可知，正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数时间内，计数器的输出不会送到译码显示器。图表 45.脉冲形成电路脉冲形成电路的作用是将输入的周期性信号如正弦波、三角波或者其他周期性变化的波形变换成脉冲波，其周期不变。将其他波形变换成脉

8、冲波的电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等，其中施密特触发器的应用较多。构成施密特触发器的器件有运算放大器、集成逻辑门、集成触发器、集成定时器555等。我采用的是集成定时器555构成的施密特触发器，其电路图如图5所示。图表 5图中R10与R11的作用是将被测信号进行移动。因为集成定时器555构成的施密特触发器的上触发电平VT+=2Vcc/3,下触发电平VT=Vcc/3.回差电平VT为VT=VT+VT即 VT=1/3Vcc6.闸门电路、闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准信号（1s正脉冲）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数；标准时间脉冲结束时（为低电平时

9、），闸门关闭，计数器无时种脉冲输入。可见闸门电路的逻辑功能可以由一个与非门来完成，如图6所示。标准时间为1s的脉冲是由定时器555构成的多振荡器电路产生的（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得），取振荡器的频率=0.67Hz，则振荡器的输出波形如图所示，其中T=（R+R）Cln20.7（R+R）C可以计算电阻R1、R2及电容C的值，即 T=0.7（R+R）C T=0.7RC若取电容C=10F，则 R6= =35.7K R7=107.2K图表 67.扩展电路扩展电路的功能是使数字频率计对频率范围和电压范围更宽的信号都能进行测量。（1） 扩展电路的频率范围。扩展测量频率范围电路可以

10、实现测量范围的自动切换。其工作原理是：当计数器计满时，最高位产生进位单位脉冲Qcc,，使多路数据选择器的地址计数器加1，多路数据选择器将选通下一路数据输入信号，即为上一次频率的1/10的分频信号，因此只要将显示器的数乘以10就得到被测频率值，这可以通过移动显示器上的小数点位置来实现。（2） 扩展被测信号的幅度范围。采用如图7所示电路，可以扩展被测信号的幅度范围。当输入信号Vx的幅度较大时，可以先经过电阻网络衰减，在经过相同运算放大到施密特整形电路所需的信号幅度。当输入信号的幅度太小，如数毫伏时，则可直接进行线性放大，再经过施密特触发器整形。图表 7二、设计内容与要求(1) 被测信号的频率范围为

11、1Hz999KHz，分为4个档位：1Hz,10Hz,100Hz,1KHz。(2) 被测信号幅度Vxm=0.5(正弦波、三角波、方波)。(3) 用3为数码管显示测量数据，测量误差小于10%。(4) 设计频率计相应的单元电路。(5)设计频率计的整机电路并画出框图和总电路图。三、电路设计与测试（1）计数、显示电路如图8所示。图表 8（2根据各电路原理及功能，设计出总电路图如图8所示。图表 9四、测试数据与误差分析实验数据如下表所示：实际数据测量数据误差误差百分比5Hz5 Hz00150Hz149Hz1Hz0.67%400Hz396Hz4Hz1%515Hz510Hz5Hz0.9%1000Hz996Hz

12、4Hz0.4%1.5kHz1.5kHz003kHz3kHz004.5kHz4.5kHz005kHz5kHz009kHz9kHz0012kHz11.9kHz100Hz0.8%20kHz20kHz0050kHz50kHz0095kHz94.9kHz100Hz0.1%120kHz121kHz100Hz0.08%200kHz200kHz00500kHz500kHz00950kHz949kHz1000.1%图表 10总结数字频率计是数字电路中一个典型的应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生较大的延时。随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，将使整个系统大大简化，提高整体性能。通过本次课程

13、设计，对仿真软件更好的掌握了，了解了数字频率计测频率与测周期的基本原理，熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法，锻炼了我们的动手思考能力和创新思想，为以后的学习更深的知识和工作打好了坚实基础。致谢感谢老师对我相关知识的传授和课程设计的指导，感谢同学在课程设计中对我的问题的解答和帮助，有了老师和同学的帮助，才是我这次课程设计得以完成。通过本次课程设计，我对Proteus软件的应用更好的掌握了，用这个软件完成对电路的设计。在设计中我们队很多方面的设计总是不理想，但通过向同学的请教、自己的查找资料，以及与一些老师的交流，设计出了合适的电路。当把所设计的所有分块电路组合起来却出现了一些

14、问题，这些问题可能是在设计之初没有考虑到全局的各各方面导致的。但是凭借对软件的掌握，对电子技术课程的透彻理解，让我改进了电路，基本上完成了指标。让我感到了成功的喜悦。通过该课程设计，我对于数字电子技术的理论知识也有了更深厚的理解，并且体会到了在努力学习知识重要性。谢谢！参考文献数字电路逻辑设计 王毓银主编电子技术基础 康华光主编子技术实验指导 王愉节 窦勤耘 编附录（1） 计算机程序Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与