南京邮电大学课程设计报告-简易数字频率计(步骤详细)

1、目录第一章 技术指标1.1整体功能要求1.2系统结构要求1.3电气指标1.4扩展指标1.5设计条件第二章 整体方案设计2.1 算法设计2.2 整体方框图及原理第三章 单元电路设计3.1 时基电路设计3.2闸门电路设计3.3控制电路设计3.4 小数点显示电路设计3.5整体电路图3.6整机原件清单第四章 测试与调整4.1 时基电路的调测4.2 显示电路的调测4-3 计数电路的调测4.4 控制电路的调测4.5 整体指标测试第五章 设计小结5.1 设计任务完成情况5.2 问题及改进5.3心得体会第一章 技术指标1. 整体功能要求频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展

2、功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。2. 系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目-频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。测量电路被测信号 显示电路档位转换数字频率计整体方案结构方框图3. 电气指标3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。3.2 测量频率范围：分三档：1Hz999Hz0.01kHz9.99kHz0.1kHz99.9kHz3.3 测量周期范围：1ms1s。3.4 测量脉宽范围：1ms1s。3.5 测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误差）。3.6当被测

3、信号的频率超出测量范围时,报警.4.扩展指标要求测量频率值时，1Hz99.9kHz的精度均为+1。5.设计条件5.1 电源条件：+5V。5.2 可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能数量CD4093具有施密特触发功能的四2输入与非门1片741518选1数据选择器2片74153双4选1数据选择器2片7404六反向器1片4518十进制同步加/减计数器2片7400四2输入与非门2片CD40294位二进制/十进制加减计数器3片C392数码管3片4017十进制计数器/脉冲分配器1片45114线七段所存译码器/驱动器3片74132四2输入与非门（有施密特触发器1片10K电位器1片电阻电容若干拨盘开关1个

4、门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。第二章 整体方案设计2.1 算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。计数电路闸门输入电路闸门产生显示电路被测信号 图2-2 频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改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，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被

5、测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10 ³量级，则要求闸门信号的精度为10 量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10 ，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合5*10 ³的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10 ³范围内。2.2 整体方框图及原理输入电路：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

6、形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。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，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。频率测量：测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3个档位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号由RC振荡电路构成一个较稳定的多谐振荡器，经4093整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准

7、时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。周期测量：测量周期的原理框图2-4.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。时基电路：时基信号由4093、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为T1=0.7（R

8、a+Rb）C T2=0.7RbC重复周期为 T=T1+T2 。由于被测信号范围为1Hz1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档： 1Hz999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms、0.01ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时

9、基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生10kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图2-5.第三章 单元电路设计3.1 时基电路设计图3-1 时基电路与分频电路它由两部分组成: 如图3-1所示，第一部分为4093组成的振荡器(即脉冲产生电路),由于标准时基信号即1KHz在本电路设计中产生于4518

10、的第一次分频，所以由RC振荡电路与4093需要产生10KHz的方波，我们通过电位器调节并用示波器观测可以基本产生10KHz的标准信号。第二部分为分频电路,主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为标准时基信号是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q³连接至下一

11、计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。 如图3-2所示，4093与RC振荡电路产生的10kHz的信号经过四次分频后得到4个频率分别为1KHz、100Hz、10Hz和1Hz的方波。图3-2 10kHz的方波分频后波形图3.2闸门电路设计 如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz；这里我们以输出100Hz的信号为例

12、。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。图3-3 闸门电路 图3-4 4017输入100Hz信号和Q1、Q2的信号波形3.3控制电路设计通过分

13、析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生4029预置数信号（也可以称为清零信号，因为本设计预置数为零，可以达到清零的效果），4511的锁存信号。 图3-5 控制电路设计控制电路。计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器

14、CP信号波形、PE端输入波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形是PE的波形图、第二个是CP端输入信号的波形图、第三个是锁存信号。PE是高电平的时候计数器预置数为零，可以达到清零的效果。根据图得知在计数之前对计数器进行了预置数为零即起到清零作用。根据4511（4511的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图

15、可以看到，当CP输入的一个周期信号通过之后，此时4511的LE端的输入信号也刚好到达下降沿。图3-6 4029计数器PE信号波形、CP端输入波形、4511锁存端波形图图3-6，是测量被测信号频率是500Hz的频率的图。时基电路产图中电路10K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基准信号。那么这个电路实现测量频率的范围是0.01KHz9.99KHz的信号的频率。同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。当CBA的取一定的值，电路实现一定的测量功能。3.4 小数点显示电路设计在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。比如CBA接011测量频率的时候，

16、它所测信号频率的范围是0.1KHz99.9KHz，那么在显示的时候三个数码管的第二个数码管的小数点要显示。CBA接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01KHz9.99KHz，那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图3-7所示。 图3-7小数点显示电路（9端接最高位小数点，7端接次高位小数点）3.5整体电路图图3-8 整体电路图3.6整机原件清单元件数量元件数量CD4093一片7404一片10K三个4518两片7400两个个

17、拨盘开关一个10K电位器一个4017一片74151一片CD4029三片74153两片4511三片LED灯一个数码管三个0.01F电容两个保护电阻四个导线若干5V直流电源一个第四章 测试与调整4.1 时基电路的调测首先调测时基信号，通过4029、RC阻容件构成多谐振荡器，把振荡器产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为10KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频、四级分频的输出端，测试其信号。测出来的信号频率和理论值很接近。由于是将示波器的测量端分别测量每个原件的输出端。下面我在实验中把74151和拨盘开关接好，通过拨盘

18、开关来控制74151的输出信号，把示波器的测量端接74151的输出端。在CBA取三个不同的高低电平时，得到三个不同频率的信号。具体的波形图见图3-2所示。这里就不再重复了。这样，时基电路这部分就测试完毕，没有问题了。4.2 显示电路的调测由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。图4-1 显示电路调测连接图如图4-1所示接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。然后将4511的5端接地。然后给4511的6217端分别接高低电平，数码管

19、就会显示对应的数字。比如6217分别接1000，那么数码管就对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。接好后的测试方法同上。这样，显示电路也就搞好了。4-3 计数电路的调测图4-2 计数电路调测连接图计数电路按照图4-2所示连接好，将4029的PE端接低电平，3个4029级联，构成异步十进制计数器。同时4511的5端要接0，在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面数码管一直不显示数字。接好后，给最低位的4029一个CP信号。让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。这样，计数器就开始计数了。数码管从000999显示。计数电路就这样搞好了。在调测的过程中，4029的PE端，4511的5端

20、都是用临时的线连接。因为在后面这些端都是连接控制电路产生预置数零、锁存信号的输出端。4.4 控制电路的调测 图4-3 控制部分电路控制电路的连接图如图4-3所示，其中两个74153的BA端分别接了01，4017的输入的CP的频率是100Hz，此时的功能是测量范围是0.1KHz99.9KHz。图4-4 控制电路的三路主要信号(置数端、CP端、锁存端信号）由调试波形可以知道电路设计是正确的。这部分是测量频率的功能。同时控制电路还要实现测量周期和脉宽的功能，在前面已经说明的如何测量周期的算法，它的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为图4-5 测量周期

21、连接图（部分）测量周期的时候只需将74153的CBA置100就可以实现了。当74153的CBA为100的时候，74153的1Y输出的信号为1KHz的标准时基信号与4017输出的信号相与的结果，它产生的是信号是被截取为一个闸门宽度的方波，这个信号作为4029的CP信号。根据图4-5可以知道74151的输出的信号是被测信号fx，经过4017后的输出信号信号Q0、Q1、Q2的脉宽刚好为fx的周期，这个原理在前面测量频率部分已经介绍过，这里就不再重复了。其中Q0作为4029的PE的预置数端信号，在Q0为高电平时，4029的四个输入端预置数为零，表示计数器从零开始计数；Q2信号非一下，就可以作为4511

22、的锁存信号，时候计数器计数。PT在闸门导通的时间，即PT一直为高电平的时候，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期，用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时钟信号周期。根据Ts=1ms，N=50.可以知道被测信号的周期为50ms，在电路中我们给出被测信号的频率为20Hz。那么测量的结果和理论值是一样的。以上是对被测信号周期测量的部分。调测过程中电路的输入输出波形图见图4-6，其中的控制计数器计数的原理和测量频率所用的方法一样。 图4-7测量周期 波形分别为被测信号、4029PE信号、4029CP信号

23、、4511锁存信号最后是测量脉宽部分的调测。测量脉冲宽度的原理与测量周期的原理十分相似。所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间。在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期，并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。如下图4-7所示，与图4-6对比一下，会发现CP端信号的脉宽为4-6图中对应的波形脉宽的一半。那么最终数码管显示的数字应该是25.实际的测量值也与理论值非常接近。那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。到这里，会发现控制电路这个模块在这个课程设计中占的分量。也是整个设计过程的精华所在。把控制电路这部分搞定，那么本次的课程设计也就基本完成了。 图4-7

24、测量脉宽 波形分别为被测信号、4029PE信号、4029CP信号、4511锁存信号4.5 整体指标测试被测信号频率周期脉宽的测量档位 测量范围 被测信号频率 测量值001 1Hz999Hz 200Hz 201Hz 011 0.1kHz99.9kHz 12.3KHz 12.3KHz 010 0.01KHz9.99KHz 3.45KHz 3.46KHz100 测量周期 20Hz 50ms101 测量脉宽 20Hz 25ms第五章 设计小结5.1 设计任务完成情况通过为期两周的课程设计，在老师的指点与帮助下我顺利的完成了此次设计。在开始设计之前，我根据资料提供的算法与芯片用途用proteus仿真软件

25、很快把计数部分与显示部分搞定，但控制部分暂时还不太清楚。为了能够及时跟上进度，我先把计数与显示部分在面包板上硬件实现，确认这部分模块没有问题后，我用了两天时间来研究设计的控制部分，最后经过多次仿真与调试，确定了方案可行性，进而有条不紊的在硬件上实现控制模块的各部分功能，在最后硬件调试的时候很快就实现了整个设计的所有功能，而且很高兴测量的误差很小，尤其是在测量较小频率时，测量结果可以与函数发生器同步。5.2 问题及改进本次设计虽然比较顺利，但其中出现的许多小问题还是能让自己值得反思。最突出的是我的板面设计问题，整个板面压线太多，影响美观，是自己没有注重全局把握而造成，导致在后面连接控制线的时候整

26、个版面显得更加凌乱，以后再做类似设计的时候一定要做一个全局的大概模型，这样才会达到完美效果；其次，产生基准信号的振荡电路也可以由555定时器设计，如果想要产生更加精确稳定的信号可以用晶振电路来设计，本次设计用了学校提供的4093芯片，它由四个2输入端施密特触发器组成，对于本设计来说4093也足够用了；还有在计数器部分，也可以使用我们更加熟悉的74160芯片，学校给我们换成了4029芯片，他们两个最大的区别在于4029没有清零端，而这个清零端正是控制部分需要的重要信号输入端，如果没有的话那么就无法测量出信号频率、周期、脉宽，但是别忘了4029同样有预置数端口，在4029的四个输入端接地同时在预置

27、端口PE高电平的时候表示计数器从零开始，同样达到了清零的效果，个人认为这是整个设计的关键部分之一，不仅考察你是否了解整个设计算法，还要把设计所给的芯片功能精通掌握；在分频电路中，对于这部分模块我们可以很好的利用示波器进行检测，因为他的信号是一级接一级的，很有规律，在测试开关与4017芯片好坏时候我们都可以利用其信号规律去排查线路原因；最后在主控部分，我想了很长时间外加参考资料才把其中原理摸清楚，这个部分是整个设计的核心，他就好比电脑的CPU，把送进来的信号处理之后再送出去，如果在这个部分模棱两可的话很容易导致全盘崩溃，而且各种问题基本都是在这里产生，在这里我主要利用了一片4017与两片7415

28、3进行控制，在测量频率的时候，通过4017的信号具有脉宽为基准信号的一个周期特点，选取其中Q1的输出信号与被测信号进行相与，可以得到具有闸门宽度的被测信号，然后当Q0通过4029，即对其进行预置数零后，具有一个闸门宽度的被测信号当作CP进入4029，4029在CP作用下进行上升沿计数，此时4511的锁存端为Q3的非，处于锁存状态，计数完成后，4511解除锁存，把信号送给译码器，同时数码管被点亮，同理，测量周期与脉宽也是大同小异，这个部分的设计方法不仅仅只有一个，我们可以根据这几个主控信号的特点选用合适的芯片，令其产生我们所需要的信号，也会很好的得到我们所需，由于个人能力有限，仅仅搞清楚这一个方

29、法，但也同样收获很多。本次设计没有设计被测信号的整形电路，降低了难度，如果要设计的话还需用到施密特触发器来进行整形，如果有足够的时间的话，我想这个部分应该不算太难。在最终验收的时候数码管显示与实际相差很大，后来陈老师发现我没有把被测信号调为方波，导致进入的信号脉宽不定，设置为方波后很快就好了，这也暴露了我的理论知识不足，被测信号本来就应该被整形为方波，而我却天真的认为正弦波也可以。5.3心得体会 虽然课程设计仅仅只有两周的时间，但是我在实验室的这十几天收获了课堂上所不能学到的知识，从原理电路的proteus进行仿真，再到硬件上进行面包板的设计，我真真切切的体会到了做一个完整设计的过程。这两个礼

30、拜中，有排查不出问题的困惑与急躁，也有柳暗花明时的喜悦与感慨，有与同学们一起设计时的快乐与新鲜，也有与老师讨论问题时的顿悟与激动、整个过程非常有意义，不仅加深了我们对过去所学知识的理解，也使同学们之间建立了互帮互助的团结情感，这让我们没有浪费在实验室的每一秒每一刻。 最后非常感谢陈老师的悉心指导，每次有问题时陈老师都会详细解答原因，这让我收获颇丰，非常感谢。附录CC 4518十进制同步加/减计数器简要说明 CC4518 为双 BCD 加计数器，该器件由两个相同的同步 4 级计数器组成。计数器级为 D 型触发器。具有内部可交换 CP 和 EN 线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。在单个单元运算中，EN 输入保持高电平，且在 CP 上升沿进位。CR 线为高电平时，计数器清零。计数器在脉动模式可级联，通过将 Q3 连接至下一计数器的 EN 输入端可实现级联。同时后者的 CP输入保持低电平。45