数电课程设计_数字频率计

1、河南理工大学电子技术课程设计报告设计题目： 数字频率校音器 院 （部): 电气工程与自动化学院专业班级: 测仪 学生姓名: 吴 学 号: 3113 指导教师: 目录 摘要2绪论31、设计原理方案31.1设计总体方案：31.2工作步骤:41.3测频原理：52、 单元电路设计62.1采集音律信号电路62.2时标和闸门电路72.3锁存器、计数和清零93、心得体会、元器件清单104、 参考文献115、附件 14 5.1电路仿真图及样品图14 5.2音阶频率对照表15设计题目:数字频率校音器 摘 要随着社会的发展，人们的业余生活不断丰富，学乐器的人也越来越多，但是对于初学者来说，学习乐器最难的问题之一就

2、是对乐器音准的把握、调节。例如二胡经常会出现跑音的现象，需要人对其进行不断的调节，但对于初学者来说便是个很是让人头疼的问题。在电子技术中，我们可以测量声音的频率来知道乐器是否音准，从而去调节，解决生活难题。因此频率的测量就显得更为重要。本次课程设计的目的是根据已经学到的知识，按照这次课程设计的要求设计一个简易的数字频率校音器，要求频率计范围内能测出所输入音调的频率，一般基准中低音在200到900Hz。关键词：校音器，频率计,逻辑控制，计数器，定时器。绪 论乐器是个很有活力的娱乐工具，千百年来在世界各个地区居住的人群基本都有属于自己的民族乐器，随着社会的发展，人民的生活水平的不断提高，人们的业余

3、文化生活也越来越丰富，学乐器的人群也越来越多。但是对于有有些乐器，往往在演奏前需要对其音准进行调试，例如我国民族乐器中的二胡经常会出现跑音的现象，竹笛的制作定调时则需要对每个音控的位置进行校准。那么对于初学乐器的人群来说，通过自己的耳力去听音准则是一件很难的事。本次设计的目是利用测量音调频率的方法去判断音调的准度，这样便为了给那些初学乐器或者对乐器的音准把握不准的人们在调试乐器音调高低时带来方便。测量频率的方法有多种，中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，其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

4、被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。根据设计的要求我是按照第一种方法设计的，是直接测频法。可以见一定范围内的信号输入后直接测的信号的频率。1、 设计原理方案1.1设计总体方案校音器的核心部分是数字频率计，数字频率计就是直接用十进制的数字来显示被测信号频率。当语音传感器接收到语音信号之后,经过放大电路对其幅度进行放大,再经过施密特触发器将其变成方波信号,然后在与555振荡器产生的门控信号进行相与运算,再对门控信号内的脉冲个数进行技术显示,得到其频率f=N/T,其中N为计数器对门控信号内的脉冲计数量,T为门控时间,当可以通过调节555振荡器外围电路的充电电容与放电电阻的大小值使得T为

5、1秒,那么N就是所测信号的频率.其原理图如下: 数字语音频率计组成框图1.2工作步骤:首先，对语音信号进行频率采集，然后对其信号经放大整形处理后，会得到与输入信号频率相同的方波；然后时标电路产生的闸门信号，与处理后的被测信号一起送入由与非门构成的闸门电路，若是时标输出为低电平，则闸门关闭，被测信号不能进入计数器，当时标输出为高电平时，闸门开启，被测信号被送入计数器时，计数器开始计数，后面的锁存电路导通，译码电路开始工作，此时数码管应该是变化上升的数字量，当时标信号再次输出低电平时，闸门关闭，此时需要锁存计数器所输出的数字量，并对计数器进行清零，此时显示应该固定不变的数字，当闸门开启关闭时间间隔

6、为1秒是，则显示的是所测信号的频率。如图1.2所示，为被测量的频率信号，为门控信号，当门控信号的门控时长为1秒时中计数器所记录的脉冲个数为的频率。图1.2当输入信号频率在一段时间内稳定时，显示锁存时的频率应该固定不变，所以要求被侧信号频率需要稳定一段时间，至少稳定1秒。根据实际要求，乐器一般校音只需要校准14个基准音，通常二胡只需要对空弦的内外弦进行校音，其内弦一般做音律D（频率：262Hz）外弦做A（频率：440Hz）这样，通过测量频率就可以得出音调的偏移量，从而更方便的进行校音。1.3测频原理：由逻辑电路组成的频率计，大多是由中小规模的集成芯片按照逻辑原理组合而成，其结构复杂，组装、调试比

7、较麻烦；但是我们所学的知识大部分是集成芯片，所以只用中小型规模的集成芯片组成的逻辑电路，有多个单元组成而成的简易数字频率计。图1.3原理方框图测频法。测量频率的原理框图如1.3图，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。对频率是f的周期信号，测频的实现方法，是有一个标准闸门信号（闸门宽度为T）对周期信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其信号

8、的频率为：f=N/T，式中T为标准闸门的宽度（s），N是由计数器记录的脉冲个数（重复周期数）。如图1.2和1.3所示，其中1.2中为被测信号，为门控信号，为计数器工作记录过程，测量电路在检测到脉冲信号的上升沿的时候打开计数器, 并且在检测到下降沿的时候关闭计数器, 设脉冲宽度为T, 计算公式为: T = N/f。2、单元电路设计2，1采集音律信号电路音频信号采集传感器（麦克风）。此设计中使用的是CZN-15E电容式音频采集传感器，当外界语音信号发生变化时，其能量带动电容的薄膜级板，使得电容的电容量发生变化，从而不断地对外围电路进行充放电，使得外围电路产生随语音频率一致的电流或电压信号，一般其输

9、出电压变化大概为2-3mV.对其进行250倍的电压放大，从而完成对音律频率的测量。图2.1 电容式麦克风简单原理图2.2时标和闸门电路555定时震荡电路（时标电路）。由555定时器组成的多谐振荡器院里如图2.2(C)所示，其中R1，R2和电容C为外接元件。其工作波如图2.2(D)所示。图2.2 多谢振荡器 当对定时器供电时，定时器3引脚输出为低电平，7引脚对地断开，电源则通过R1,R2对电容进行充电，2，6引脚分别接的是两个电压比较器，当电容两端电压大于2/3的电源电压时，3引脚输出为高电平，7引脚则对地接通，同时电容通过R2放电，当电容放电到1/3电源电压值时，3引脚输出低电平，7引脚对地断

10、开，放电结束。接下来电容便继续重复充放电，使得3引脚不断的输出高低点平的方波信号，从而产生震荡。闸门电路可以使用2输入与非门构成，闸门是控制计数器计数的标准时间信号，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器的个数就是由闸门信号决定的，闸门信号的精度很大程度上决定了频率计的频率测测量精度。当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。本次频率计的设计要求精度不是太高，因此在频率计设计中，我选用的是时基信号采用555定时器构成的多谐振荡器电路，当标准时间信号（高电平）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器开始计数；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。如图所示

11、时标发生电路：图2.2 仿真多谐振荡器2.3锁存器、计数和清零锁存器的作用是将计数器在计数结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。因为计数器计数要计算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。当计数器计数结束时，逻辑控制电路会产生锁存信号，将计数器此时的值送到译码器，因此经由显示器的数字是稳定不变的。在本次试验中我选用的两片8D锁存器74LS573可以完成上述锁存功能。74LS573使能控制1脚接地有效，11引脚则是锁存控制端，当11引脚接高电平时，锁存器打开，此时锁存器则相当于导线对应输入输出导通，当11接低电平时，锁存器锁存，此时输入将不

12、再影响输出，并且输出是锁存器开启时最后显示的值，此时其固定不变，再此设计中，我将锁存段直接接时标脉冲的输出，这样当时标信号变为低电平时即就是闸门关闭时锁存器锁存，使得显示数值稳定。清零信号是在计数器的计算值送锁存后，为了下次计数而把计数器进行清零，再此设计中，我讲计数器74LS161的清零端(低电平有效清零)直接接到时标信号的输出端，这样，当时标信号发出关闭闸门的指令时，锁存器进行数据锁存的同时计数器清零。仿真电路图如图2.3。 图2.3仿真计数、锁存、显示电路3、心得体会刚接到课程设计的时候完全没有思路，不知该如何下手，好像自己学到的东西一点都用不上，后来经过翻阅资料就有了思路，在整个课程设

13、计完后，总的感觉是：有收获。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：如何利用现有的元件组装得到设计利用计算机来画图等等。在学习中的小问题在课堂上不可能犯，在动手的过程中却很有可能犯。特别是在接电路时，一不小心就会犯错，而且很不容易检查出来。但现在回过头来看，还是挺有成就感的。我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴 我学到了课本上没有的东西，还知道课本上的知识也是很重要的，在你完全没有思路的时候课本会给我很多灵感，这在以后的学习和生活中会有很大的用处，增强了我的动手能力和实践能力，但是我还有不足，我会在以后的学习中逐步提高，做一个动手能力强的大学生。头来看，还是挺有成就

14、感的。我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴。此，还得感谢老师给了我们这次动手实践的课题，使我明白了很多，让我觉自己学到的知识是这么的有用，还了解了在实际的应用中许多应该注意的但没有注意到的问题，这对以后的应用实践有很大的帮助。还得感谢在这次的课程设计中和我同组的同学，是他们给了我很多启发，然我能顺利的完成实验课题4、参考文献1 河南理工大学电子技术实验指导书，2015年3月.2 康华光，电子技术基础（模、数），高教出版社，2005年73 詹惠琴，电子测量原理，机械工业出版，2014年1月.4 董爱华，检测技术与传感器原理，中国电力出版，2007.5、附 件5.1元器件清单在设计频率校音器时用了许多各种各样的元器件，我将其整理成表格清单如下表5.1所示表5.1 元器清单表元件数量元件数量555定时器1片CZN-15E音传感器1片10F电容1个电位器6个电源USB插口1个5V直流电源1个按键开关1个其余电阻若干CD4093BE2个