数字电子技术基础 ---数字频率计

1、武汉理工大学数字电子技术基础课程设计学 号0121409341721课 程 设 计题 目数字电子技术基础-数字频率计学 院信息工程学院专 业电子信息工程班 级电信1404姓 名周成浩指导教师孟哲2016年07月01日武汉理工大学数字电子技术基础课程设计摘 要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，同时频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。在传统的生产制造企业中，在计量实验室中，在无线通讯测试中都需要用到频率计。本次实验的频率计是由NE555产生时基信号，计数器74LS90分频、计数，74ls273触发锁存数据，七段共阳数码管作为显示部分来显示频率。该设

2、计方案简单、实用、经济，能够测量1-999Hz、1-9.99kHz幅度为0-10V的正弦波、三角波、方波信号的频率，在测量0-999Hz范围幅度时精度为1Hz，在测量0-9.99kHz范围幅度时精度为0.01kHz。关键词：multisim、时基信号、计数器、施密特触发器目录1.电路方案论证 31.1 系统基本方案31.2 各模块方案论证与选择31.2.1输入电路设计 41.2.2时基产生电路设计 51.2.3分频电路设计 71.2.4逻辑控制电路设计 81.2.5计数与显示电路模块 92.电路仿真112.1 Multsim进行仿真112.2仿真数据113.焊接与调试123.1 焊接123.2

3、 调试124.参数测量与计算 135.心得体会 136. 元件清单 15参考文献 16附录一 17附录二 181 电路方案论证1.1 系统基本原理所谓频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其数学表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率；N为T时间内所累积的脉冲个数；T为计数时间。计数器单位时间内的计数结果，既为被测信号的频率。本系统就是按照频率的这一定义来实现其测量的，其系统原理框图如图1-1所示。时基电路信号输入闸门电路计数器放大电路锁存器译码显示控制电路图1-1频率计数器原理框图1.2 各模块方案论证本系统由输入电路、逻辑控制电路、计数显示电路、时基产生电路4大部分构成，其工作原理为

4、：被测频率经过放大、整形之后，将其变换为频率与之相等的计数脉冲信号，作为闸门的一路输入信号，而时基产生电路方波信号，送给逻辑控制电路，产生控制闸门开启和关闭的门控信号，作为闸门的另一路输入信号。门控信号为高电平，闸门开启时，计数脉冲信号通过闸门进入十进制计数器进行计数；门控信号为低电平时，闸门关闭，十进制计数器停止计数，计数的结果通过译码器显示电路显示出来。本系统可实现1Hz-9.99kHz信号频率的测量，还可以通过调节555定时电路的频率改变测量精度。1.2.1输入电路设计实际测量中的输入信号种类繁多，可能是正弦波、三角波、方波或者其他形式的波形，不能够满足后级的闸门或技术电路的要求，所以在

5、测量的时候需要将被测信号经过一个整形电路，将其变化成满足计数电路要求的脉冲信号。并且在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以还要考虑信号的放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，则调节输入放大增益，使被测信号得以放大。如图1-1-1所示为放大整形电路。为保障测量精度，在整形电路的输入端加一前置电路，对幅值较低的被测信号经放大后在送入整形电路整形。模块电路由单级共射放大电路、74LS00与非门和基本RS触发器所构成，其中3DG100位放大器，可对周期信号进行放大后在传入整形器中对信号进行整形，实际操作时可用施密特触发器代替此部分电路

6、，如图1-1-2所示。输入电路通过基于multisim仿真软件的电路仿真，可实现正弦波、三角波到脉冲信号的转换，如图1-1-3、1-1-4所示。图1-1-1放大电路图1-1-2整形电路图1-1-3三角波到脉冲信号的转换图1-1-4正弦波到脉冲信号的转换1.2.2时基产生电路设计为获得较为稳定的时间基准信号，以便更准确地控制闸门的开启与关闭时间，本设计采用555定时器组成的多谐振荡器作为时基产生电路，要求其产生频率为1Hz的脉冲。振荡器的频率计算公式为：因此，可确定各个参数，并通过仿真得到了比较稳定的脉冲信号，这里取R1=5.1k,R2=1k,C=100uF。为了提高测频精度以及显示稳定，这里加

7、入了一个10k电位器，可改变振荡器的输出频率，以改变闸门时间。时基产生电路，如图1-2-1所示；所产生波形，如图1-2-2所示。图1-2-1时基产生电路图1-2-1时基产生波形1.2.3分频电路设计分频器可采用十进制计数器实现，对时钟脉冲进行分频后取得不同量程所需要的时间基准信号，实现量程控制。如图1-3-1所示，1 Hz的时钟脉冲，对其进行3次10分频，每个10分频器的输出信号频率分别为1 Hz，0.1 Hz，0.01 Hz的3种时间基准信号。因为闸门时间为定值（1s高电平），当选择未分频的一路信号输入时，倍率为1。当选择十分频的一路信号输出时，倍率为10。同理，当选择十分频的一路信号输出时

8、，倍率为100。显然，闸门时间应该选择适当，闸门时间过短则因计数有效值有效位数少而降低了测量精度，过长则会导致计数器溢出而得不到正确的结果。闸门时间应能自动选择在最佳点上：如被测频率太高，致使计数器溢出，此时应自动将闸门锁住的信号分频后再输入。实现自动量程首先要解决的问题是计数值的检测，即如何知道计数值已大于该量程的上限，对于标准的4位BCD码来说。在计数值大于999时，最高片计数器的QD将产生一个下降沿。利用此特性便可实现自动升、降量程。其次要解决的问题是如何实现升降量程，本方案中是用数据选择器74LS90实现的。自动切换量程的同时必须同时切换小数点，否则读数因无量程信息要很大程度上失去了意

9、义。图1-3-1 分频电路1.2.4逻辑控制电路设计逻辑控制电路是本设计最为关键和难搞的模块，如图1-4-1所示，主要是配合分频计和控制闸门的开启和关闭，同时也控制整个系统的逻辑关系，包括产生74LS90的清零信号，74LS273的锁存信号以及译码显示电路的控制信号。这里我们是通过74LS153双4选一数据选择器来选择所要的脉冲信号即闸门信号，由74LS153接换挡电路的A,B来对脉冲信号的选择进行控制。当BA输入00时74LS153输出的方波的频率是1Hz；当BA输入01时74LS153输出的方波的频率是10Hz；当BA输入10时74LS153输出的方波的频率是100Hz，当BA输入11时7

10、4LS153输出的方波的频率为1000Hz。按要求只用到1Hz、1000Hz两个档位，然后将74LS153输出的方波作用到控制信号产生电路74LS90，将74LS90的QA、QB输出的信号分别接到74LS153的A、B相应端口，A,B所译码出00, 11分别完成清零，计数，锁存和换挡的功能。同时，如同在换挡原理中所说，计数最高位的芯片74LS90的进位输出端有进位时，应该使当前的档位提高一个档位。而只要三个显示器的最高位没有显示数字或者说仅仅是显示0时，应该使当前的档位降低一个档位。按照一个控制周期内，计数，锁存，换挡，清零的顺序依次进行。图1-4-1逻辑控制电路1.2.5计数与显示电路设计本

11、模块电路如图1-5-1所示，由计数器、锁存器、译码器和LED显示4部分组成。其中74LS90是常用的二-五-十进制异步计数器。本设计要求采用8421码的十进制计数，所以，当R01R02=0，S01S02=0，计数脉冲从CP1输入，CP2接QA，实现十进制功能。而R01R02连接控制电路的输出，在控制信号为高电平时，闸门开启，计数器工作。74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端CLR为高电平，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。这里如果不加74LS273锁存器，那么计数器的输出结果一直往数码管里送。由于在计数一直在工作，所以数码管上面一直显示数字，并且数字快速闪

12、动，无法观测数据，计数停止，数码管也停止显示。为解决这个问题，可通过锁存信号，实现计数时数码管不显示，计数停止后，数码管再显示计数器的计数结果的功能。图1-5-1计数与显示电路2 电路仿真与调试2.1 Multsim进行仿真数字频率计，如图2-1所示。图2-1数字频率计部分仿真结果如下: 待测频率为10HZ时，得如图2-2所示的仿真结果1。图2-2仿真结果1待测频率为100HZ时，得如图2-3所示的仿真结果2。图2-3仿真结果2由于仿真软件时间步进较小，若要测量较大频率，则仿真时间会特别长，故不在此演示。2.2 仿真数据（表1）表1数字频率计仿真数据输入频率1Hz50Hz1.1kHz2.1kH

13、z仿真频率值1Hz50Hz1.10kHz2.10kHz3 组装与调试3.1 组装这次数电实验电路组装时，主要使用了面包板来连接电路，同时时基产生电路用了焊接的方式。3.2调试(1)接入5V电源。 (2)调节电位器直到时基电路参数1Hz的脉冲信号。(3)接入待测电路。4 参数测量、计算与误差分析4.1 参数测量、计算记录输入频率、仿真频率以及数码管显示频率，比较输入频率与测量值相对误差，记录在表2、表3中。表2 实测结果1输入频率1Hz50Hz1.1kHz2.1kHz仿真频率值1Hz50Hz1.10kHz2.10kHz测量频率值1Hz50Hz1.09kHz2.09kHz相对误差000.010.0

14、1表3 实测结果2输入频率200Hz500Hz4.21kHz8.53Hz仿真频率值200Hz500Hz4.21kHz8.52Hz测量频率值200Hz501Hz4.21kHz8.51Hz相对误差0100.024.2误差分析从上述测量结果可以看出，此电路已达到了较高的精度。5 心得体会数字频率计使用广泛，选用不同类型的集成电路可以设计出多种书记频率计方案，也可以采用单片机、硬件描述语言等方式进行设计。本次课设我应用集成电路和电阻等器件设计数字频率计，避开老式数字频率计存在的种种不足，进行全新设计，构思巧妙、电路新颖，通过多次电路制作和调试检测，论证了本电路性能优良、能提高和完善数字频率计的各个方面

15、性能，对提高我电路设计能力效果显著。短暂的课程设计一转眼就过去了，虽然历尽艰辛但却让我加深了对课堂上所学的东西的理解，明白了许多在课堂上不能明白的东西。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只掌握理论知识是远远不够的，唯有把所学的知识与实践相结合起来，从实践中验证理论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次独自做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。但通过这次课设也让我提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有

16、了很大的进步，加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性。培养查阅参考书和独立思考的能力非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。总之，中间虽然经过了很多的波折，但最终还是成功了，其实不管成功与否这次经历对于我们来说都是一笔宝贵的财富，它对于我们以后的生活和工作都将意义深远。6 元件清单元件名5.1k欧姆电阻1k欧姆电阻10k欧姆电阻100uF电容数量（个）1211元件名74LS47N74HC273NLED灯（红）10nF电容数量（个）3222元件名74LS153N74LS08N74LS00