简易数字频率计

1、郑州轻工业学院电子技术课程设计 题 目： 简易数字频率计 学生姓名： 专业班级： 学 号： 院 （系）： 指导教师： 完成时间： 简易数字频率计郑州轻工业学院课程设计（论文）任务书题目 简易数字频率计 专业 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1阅读相关科技文献。2学习protel软件的使用。3学会整理和总结设计文档报告。4学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求1. 要求测量频率范围1Hz100KHz，量程分为4档，即×1、×10、×100、×1000。2. 要求被测量信号可以是正弦波、三角波和方波。3. 要求测试结果用数码管表示出

2、来，显示方式为4位十进制。主要参考资料1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5康华光，电子技术基础，高教出版社，2003完 成 期 限： 2014年01月03日 指导教师签章： 专业负责人签章： 2013年12月26日简易数字频率计摘 要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、3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。测量频率的方法有多种,

3、其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本文阐述了用数字电路设计了一个简单的数字频率计的过程。关键词 数字频率计 锁存器 计数器 闸门电路 时基电路目 录中文摘要1.设计原理要求.11.1 设计原理.11.2 主要功能要求.11.3 主要技术指标.11.4 系统结构设计框图及其工作原理.11.5 频率计的基本组成框图.21.6 测量频率的

4、原理框图.32 框图各个部分的设计及其主要参数的确定.32.1 逻辑控制电路.32.2 锁存器.42.3 脉冲形成电路.52.4 闸门电路.62.5 时基电路.73芯片功能介绍.83.1 74LS48的引脚及功能表.83.2 555的引脚及功能表.93.3 74LS90 引脚图及功能表.103.4 74LS00引脚图及功能表.113.5 74LS273引脚图及功能表.12结束语.13致谢.14参考文献.15附录一、简易频率计电路图.16附录二、元器件参数列表 .17简易数字频率计1 设计原理及要求1.1 设计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

5、波、方波、三角波和尖端冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。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计,计价器等。因此，数字频率计在测量物理量方面应用广泛。所谓“频率”就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可以表示为：f=N/T (1-1)1.2 主要功能要求4位十进制数显示、小数点自动定位；1.3 主要技术指标频率测量范围 1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ； 频率准确度 fx/fx±10-2；

6、被测信号幅度Vxm=0.2V5V（正弦波、方波、三角波） 1.4 系统结构设计框图及其工作原理 计数译码显示闸门电路脉冲形成电路f温控电路时基信号发生器图1-1 基本工作原理 简易数字频率计一般由脉冲电路，挡位转换器，时基信号发生器，门控电路，闸门电路，计数译码器，显示器等几部分组成。 其中脉冲形成电路的作用是：将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率 。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计

7、数。由于计数器计得的脉冲数N是在一秒时间内累计数，所以被测得频率 =NHz。 1.5 频率计的基本组成框图 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Vfx锁存计数清“0”TxN (a) (b) 图1-2 数字频率计的基本组成及工作过程 如上图所示，数字频率计的工作过程是：被测信号 经脉冲形成电路整形，变换成上图中（b）中的脉冲波形，其周期Ts与被测信号的周期相同。时基电路输出标准信号，设其高电平持续时间为1s，则计数器的计数时间就为1s，计数器计得的脉冲数图所示就是被测信号的频率。逻辑控制单元的作用有两个：其一，产生清“0”脉冲，计数器每次从零开始计数；其二，产生锁存信

8、号，使显示器上的数字稳定不变。 1.6 测量频率的原理框图频率测量：测量频率的原理框图如下图.测量频率共有4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。时基信号有555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，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。译码显示衰减放大整形电路计数电路闸门电路被测信号K1K2K3K4fx控制电路时基电路振荡器 图1-3 测量频率原理框图2 框图各个部分的设计及其主要参数的确定2.1 逻辑控制电路根据上图（b）所

9、示的时序波形，在标准的时间信号II结束时所产生的负跳变用来产生锁存信号V，锁存信号V的负跳变又用来产生清“0”信号IV，它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IV和V可以由两个单态稳定触发器产生，其电路如下图所示。其中74LS123是集成电路可重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的功能表如下表所示。 图2-1 逻辑控制电路表2-1 逻辑控制电路功能表 输入输出说明ABQ 0××01稳态××001×1×0110触发0111 设锁存器信号和清“0”信号的脉冲宽度tw相同，如果Tw=0.

10、01s，可由式Tw=0.45RextCext来计算时间常数的值。因为Tw=0.45RextCext ， 若取Rext=10K，则Cext=2.2uF 。 2.2 锁存器锁存器的作用是将计数器在1s结束的计数器进行锁存，使显示器上获得稳定的测量值。因为计数器在1s内要计成千上万的输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字随计数器的输出而变化，不便于计数。所以必须加一个锁存器将其固定。选用8D锁存器74lLS273可以完成上述锁存功能。如下图所示，2片74lLS273构成的16位二进制数的输出锁存器连接电路。当时钟脉冲CP的正跳变到时，锁存器的输出等于输入，既Q=D，从而将4个十进制计数器的输出值送到

11、锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端D的状态保持原来的状态Qn不变。所以在计数器的时间内，计数器的输出不会送到译码显示器。 图2-2 锁存器 连接电路2.3 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、三角波或者其他呈周期性的变化波形变换成脉冲波，其周期不变。将其他波形变换成脉冲波的电路有多种，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。下面介绍采用集成电路555构成施密特触发器，其电路如下图所示： 图2-3 脉冲形成电路连接图 图2-4 脉冲形成电路转换

12、波形图 图中R1与R2的作用是将被测信号进行电平移动。因为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+ - VT-即 VT=2Vcc/3 - Vcc/3= Vcc/3 输入信号的直流电平Vxo应满足下列关系： Vcc/3 < Vxo < 2Vcc/3输入信号的幅度Vxm与直流电平Vx0和回差 有关，一般来说， 越小，对输入信号的幅度 要求越小。如果需要减少回差，可以在555 的控制CO端接入一正电源电压。 如果取+Vcc=+5V，则由上式可得回差 =1.67V，则输入信号幅度 大于0.83V。 为使 U。=2.5V，则

13、取R1=R2=10 K 。 2.4 闸门电路如下图所示，闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间（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进行计数；标准时间脉冲结束时（为低电平）闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。可见，闸门电路的逻辑功能可以由一个与非门来完成，如下图所示。设标准时间为1s的脉冲是由定时器555构成的多谐振荡器电路产生的（当标准时间精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得），此电路的振荡周期T的表达式为T0.7(2R2+R1)C1 （2-1）可以计算电阻 、 及电容C的值，若取电容C=10uF， 则 = /0.7C=35.7 k 取标准值36 K 。

14、= /0.7C- =103.9 K。 取 =91 K， =47 K 。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 量级，则要求闸门信号的精度为 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 ，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2* 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2* 范围内。 图2-5 标准脉冲产生与闸门电路连线图2.5 时基电路如图所示， 555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路

15、),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/(R1+2*R2)*C) （2-2）因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了 取430K, 取500K,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在R1和R2之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产非常接近1KHz的频率。 图2-7时基电路3芯片功能介绍3.1 74LS48的引脚及功能表74LS48是控制七段显示器显示的集成译码电路之一，其引线排列图如图3-1所示。A、B、C、D为BCD码输入端，A为最高位, YaYg为输出端，分别驱动七段显示器的ag输入端，高电平触发显示，可驱动共阴极发光二极管组成的

16、七段显示器显示。其它端为使能端。 它的使能端的功能如下：一 消隐输入BI/RBO。 当BI=0时， 不论其它各使能端和输入端处于何种状态， YaYg均输出低电平， 显示器的七个字段全熄灭。这个端子是个双功能端子， 既可作输入端子， 也可作输出端子。 作输入端子用时， 它是消隐输入BI； 作输出端子用时， 它是灭零输出RBO。二 灭零输出BI/RBO。RBO为灭零输出。当RBI=0，输入ABCD=0000时，RBO=0， 利用该灭零输出信号可将多位显示中的无用零熄灭。 图3-1 74LS48引脚图输入输出A3 A2 A1 A0abcDEfg012345678911111111111&#

17、215;××××××××000000010010001101000101011001111000100111111111111011010111111110011111011111111011011010*101000101010001110110011111011101112131415111111××××××101010111100110111101111111111000100001000010000110110100010001110111110L

18、T×10×0××××0 0 0 0×××001001001001001001001001 表3-2 74LS48功能表3.2 555的引脚及功能表555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。NE555引脚图1GND电源负极5CVOLT控制2TRIG触发6THR阈值3OUT输出7DISC放电4RESET复位8VCC电源正极 555管脚图图3-3 555的引脚图输入输出X导通<(2/3)VCC<(1/3)VCC截止>(2/3)VCC&

19、gt;(1/3)VCC导通<(2/3)VCC<(1/3)VCC不变不变 图3-4 555功能表3.3 74LS90 引脚图及功能表74LS90逻辑电路图如图3-5所示，74LS90 可以获得对称的十分频计数，办法是将QD 输出接到A 输入端，并把输入计数脉冲加到B 输入端，在QA 输出端处产生对称的十分频方波。 图3-5 74LS90引脚图Reset Inputs复位输入 输出 R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) QD QC QB QA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L  LH X L X L COUNT

20、COUNT COUNT COUNT L X L X L X X L X L L X 图3-6 74LS90功能表3.4 74LS00引脚图及功能表74LS00 是常用的2输入与非门集成电路，他的作用很简单顾名思义就是实现一个与非门。 图3-7 74LS00引脚图输入输出图3-8 74LS00功能表3.5 74LS273引脚图及功能表74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。D0D7：出入； Q0Q7：输出；第一脚WR：主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；CP

21、（CLK）：触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0D7的数据不变。 图3-9 74LS273引脚图及功能表 结束语通过本次设计，使我进一步加深了对数电模电和电路知识的认识和理解，掌握了简易数字频率计的设计、组装和调试的方法。并且使我更加熟练的应用仿真软件，让我学习到了如何运用软件测试电路的可行性，并且对电路的调试改进都有了一个很大的提高。 以前上课都是基本的东西，而现在却是用以前学的东西来实践。在这个过程中，我遇到了很多困难，比如如何运用仿真软件画图，如何组织一些比较专业的语言，以及上网、图书馆查找资料。虽说很费劲，但是乐趣也不少。做完这次设

22、计，我发现这个设计对于数电的要求较高，相信数电在今后的应用也会比较广泛，会占据非常重要的地位。课堂中的学习是远远不够的，我们还需要自己多去自学，去探索去研究。这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。而且要涉猎各方面知识，提高自己综合能力，取得更加长远的进步。 通过此次设计，我也了解了团队的作用。在遇到困难时，能够向队员请教，共同完成。此次课程设计收获颇丰，不仅是对自己个人能力的提高，也让我认识到了自己的局限，让我学习到了团队的可贵，让我能够为以后的学习奠定一个更好的基础。致谢在本次论文设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，老师从选题指导、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下才完成的，多亏了小组组员之间的团队合作还有老师的悉心指导。在上了老师这么多课时之后，对于电路知识的运用更加灵活，对电路的系统理解更加规范，在这次设计课程的过程中，运用了不少新的知识，这也