数字频率计.doc

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1、贵州大学课程设计 第 1 页目录目录I摘要IIAbstractIII1前言12本论22.1设计方案论证22.2计算部分32.3结构设计部分42.3.1 时基电路设计42.3.2信号放大及整形电路62.3.3 控制电路的设计与调测72.3.4显示电路的控制与调测92.3.5 整体电路图113结论12参考文献13致谢14附录15贵州大学课程设计 第 11 页数字频率计摘要数字频率计是数字电路的一个典型应用，本文将对简易数字频率计进行分析和调试。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

2、频法适用于低频信号的频率测量。简易数字频率计的系统主要由输入整形电路、逻辑控制电路、闸门、门控电路、计数译码显示电路等组成。关键词：数字频率计，时基电路，放大电路Digital frequency planAbstractDigital frequency of digital circuit design is a typical application, this paper will be of simple digital frequency plan are analyzed and debugging. Electronic counter measuring frequency

3、in two ways: one is the direct frequency measurement method, that is, in a certain gate time measurement of the measured signal pulse number; 2 it is indirect frequency measurement method, such as cycle frequency measurement method. Direct frequency measurement method for high-frequency signal frequ

4、ency measurements, indirect frequency measurement method used in low frequency signal frequency measurements. Simple digital frequency meter system mainly by the input plastic circuit, logic control circuit, the door control circuit, count, decoding display circuit etc.Keywords: Digital frequency pl

5、an ,time-base circuit,Amplifier circuit1前言频率计是数字电路中的一个典型应用，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，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。数字频率计是一种基础测量仪器，在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计,测量频率的方法有多种,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。数字频率计实际上就是脉冲计数器，即在单位时间里（如1s）所统计的脉冲个数。它不仅可以测量正弦波、方波、三

6、角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。本次课程设计的频率计测量信号为方波和正弦波，4位十进制数显示、小数点自动定位，主要技术指标为频率测量范围 1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ、频率准确度 -3、被测信号幅度Vxm=0.2V5V2本论2.1设计方案论证a直接频率测量法直接频率测量法是严格按照频率的定义（即：周期性信号在单位时间（1s内）变化的次数）来测量的，其测量的相对误差公式如下式： 除计数器外，应设法取得准确的1s，并且让计数器只计数1s，计数结果则为频率值。设fx为待测频率，从A端输入，经整形电路变成方波，加到与非门的一

7、个输入端上。该与非门起主闸门的作用。在与非门的第二个输入端加有闸门控制信号。控制信号为低电平时，闸门关闭，无信号输入。 控制信号为高电平时，闸门开启，经整形后的脉冲进入计数器计数。 控制信号经1s后再次为低电平，闸门开启恰为1s.1s内，fx个脉冲进入计数器，计数器即显示出频率值fx(HZ).图2.1 直接频率测量法根据本课程设计的要求，首先需要确定能满足着些指标的频率测量方法。由上述频率测量原理与方法的讨论可知，测周法适合对低频信号的测量，而测频法则适合于对较高频率信号的测量。但由于测周法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而二进制数据的求倒数运算用中小规模数字集成电路却

8、较难实现，因此测周法不适合本实验要求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差越大，信号频率越高，其误差越小。另外用测频法所获得的测量数据，闸门时间为1s时，不需要进行任何换算即可测出信号频率。因此本设计采用测频法。b测周法：首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期Tosc高频方波信号作为计数脉冲，在一个周期信号T的时间内对fosc信号进行计数，若在T时间内的计数值为N2,则有T2=N2*Tosc f2=1/T2=1/(N2*Tosc)=fosc/N2图2.2 测周法波形2.2计算部分频率是周期信号每秒钟内所含的周

9、期数值，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。该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。时基电路使其产生1000Hz的脉冲，由振荡器的频率计算公式为:f=1.43/(R2+2*R3)*C)因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R2=4.3K ，R3=5K，C=0.1F使得555能够产生非常接近1

10、KHz的频率。第二部分为分频电路,主要由74LS90组成，因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求周期为1s。74LS90为十进制计数器，用于在时钟上升沿或下降沿计数。 逻辑控制电路的调测使用74LS123单稳态触发器，tw=0.7RC；经计算，选用R=50K，C=0.03F,计算得到tw约为1ms。2.3结构设计部分如图所示数字频率计的系统主要部分为由输入整形电路、逻辑控制电路、闸门、门控电路、计数译码显示电路等组成。将被测信号通过放大整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后将它加到闸门的一个输入端。闸门的另一个输入信号是门控电路发出的标准脉冲，当闸门

11、被打开时被测量的脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。逻辑控制电路是控制计数器工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作。 图2.3 测量频率计的原理图2.3.1 时基电路设计它由两部分组成:如图2.4所示，第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路)图2.4 时基电路首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R2=4.3K ，R3=5K，C=0.1F。把555产生的信号接到示波器中，使得输出的信号的频率为1KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后输出端信号。测出来的信号频率和理论值相等。这样，时基电路这部分就测试完毕

12、，可以用于做标准的闸门信号。 图2.5 时基电路分频后的波形2.3.2信号放大及整形电路图2.6 放大整形电路图待测的波先被送入到放大电路的输入端，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形波，所以需要设计一个整形电路在测量的时候，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。然后把放大调整后的信号送入由555构成的施密特触发器，施密特触发器具有脉冲整形功能经过施密特触发器后便把信号整形成为矩形波。用信号发生器产生一个三角波形，输入放大整形电路，用示波器来观察待测信号经放大整形电路后波

13、形的前后变化，如图2.7，蓝色表示整形后的波形，红色表示整形前的波形。图2.7待测信号放大整形前后的波形图2.3.3 控制电路的设计与调测控制电路设计通过分析，可知主要控制电路还要产生74LS160的清零信号，74LS273的锁存信号。而两个74LS123单稳态触发器的作用一个是产生清零信号，另一个是产生锁存信号，正好可以满足要求。图2.8控制电路逻辑控制电路详细的电路如图2.8所示。图2.7是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR端清零信号波形、74LS273锁存端波形图。其中波形是被测信号的波形图，是PT时基闸门信号波形图，是计数器脉冲，是锁存信号波形图，是清零信号

14、。PT是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据74LS273的功能表可以知道，当锁存信号CP为低电平的时候，74LS160不送数。如果不让74LS373锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时74LS273的CP端的为上升沿，触发，信号锁存，传至数码管。数码管显示数字。当显示完成后，对计数器清零，以便下一次计数，CLR为低电平清零，其触发在锁存信号下降沿，如图：tw锁存计数清“0”TxN图2.9 控制电路工作波形示意图tw图2.1

15、0 逻辑控制电路输出波形图频率计开始工作，清零信号由1变为0时，此时计数器清零。当信号输入后，闸门开始打开，当闸门打开时，即闸门信号为高电平时，计数器开始计数我们所设计的闸门的高电平时间为1s，在此时间内计数器计数被测信号的变化次数，所得结果便是被测信号的频率。当闸门信号变为低电平，计数完成，锁存器开始锁存，以免显示时数字跳动，此时闸门信号的下降沿作为锁存的CP信号，清零信号则利用锁存的下降沿作为清零的CP，使CLR由高电平变成低电平，计数器完成清零。到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。2.3.4显示电路的控制与调测显示电路的主要结构如图2.11所示，显示电路主要由计数器、译码器

16、、锁存器组成。整体电路要接收三个信号,被测信号、74LS160的CLR段清零信号和74LS273锁存端信号。图2.11 显示电路在测量频率的时候，由于测量频率范围广，需要显示不用的单位，于是不同的单位，小数点也要跟着移动。其原理是利用量程选择开关（图2.12的绿色框内）的选择决定小数点的位置，当测量为10000 Hz99999 Hz时，开关A和第二个闸门开关打开，出现的信号将在第二个数码管上显示小数点，同时单位变为kHz。图2.12小数点显示电路图2.3.5 整体电路图图2.13 整体电路图3结论本次课程设计让我体味到做一个设计的苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次设计恰恰给我们提供了一个应

17、用自己所学知识的机会。当刚拿到课题的时候，其实我还是很多的茫然，毕竟自己从来没有做过类似的东西，甚至连如何运用软件仿真我都不知道。但通过去图书馆查阅资料，上网和老师答疑等多种形式的学习，使我对本次设计的电路有了一定的了解，同时也熟悉了如何进行模拟电路的仿真。此次课程设计对我所学的知识进行了一次检验。在此过程中我发现以前学的数字电路的知识还存在很多漏洞和不足。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。通过此次的设计，我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非常高，我相信在今后的学习和工作中这种学习的方式也将占据着非常重要的地位。因为课堂中的学

18、习是远远不够的，我们还需要自己吸收和再学习，不断的探索和研究。这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。不但如此，我想要完成一个任务，不能只局限在自己所学的知识中，要各个方面都有涉猎，提高自己的综合能力，这样才能取得长足的进步。参考文献1王愉节.电子技术实验指导M.贵州科技出版社,2004.5558.2高吉祥,易凡.电子技术基础实验与课程设计.第版,电子工业出版社,2005.17233刘宇征.电子电路设计与制作.第1版,福建科学技术出版社,2003.156178.4林涛.数字电子技术基础.第1版,北京：清华大学出版社，2006.7781.5张豫滇.电子电路课程设计.第1版,南京：河海大学出版社，2005.8992.致谢在本次课程设计中，我得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们能够将学到的只是应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议的各位老师表示感谢。附录整体电路图