简易数字频率计设计报告.doc-资料库

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北华航天工业学院《电子技术》课程设计报告报告题目：简易数字频率计的设计作者所在系部：作者所在专业：作者所在班级：作者姓名：作者学号：指导教师姓名：完成时间： 1

课程设计任务书课题名称指导教师低频数字频率计的设计完成时间职称教授学生姓名班级总体设计要求和技术要点 1．设计一个简易数字频率计电路，要求： ① 测量信号范围：方波、正弦波，幅度：0.5～5V，频率：1～9999Hz； ② 最大读数：9999Hz，用四个数码管显示。闸门信号的采样时间为 1s； ③ 电路具有启、停控制，用于启动和停止频率的连续显示，停止时对计数器清零。 2．用中、小规模的集成电路设计数字频率计电路，画出单元电路图，整机逻辑框图和逻辑电路图。 3．闸门信号可以改为 1s、0.1s、0.01s、0.001s 四个档位，用一个开关切换量程。工作内容及时间进度安排第 15 周：周 1---周 3 ：立题、论证方案设计周 4---周 5 ：预答辩第 16 周：周 1---周 3 ：仿真实验周 4---周 5 ：验收答辩课程设计成果 1．与设计内容对应的软件程序 2．课程设计报告书 2

内容摘要数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器，其功能是测量正弦信号，方波信号，尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，因此已经成为电路设计的常用原器件之一，有它不可取代的地位。本课题要设计的是简易数字频率计，使其频率值以十进制的数在数码管上显示出来。从而可以直接的看出频率值，相对比较直观，而且误差相对较小（误差约为 1％）。设计的数字频率计的测量范围是 1HZ～9999HZ，显示的数值 N 是 0001～9999。该数字频率计将在频率测量方面显示出它独特的优越性。关键字：整形锁存清零数显频率 3

目录一、概述 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 二、方案设计与论证 … … … … … … … …… … … … … … … … … … … … … … … 1 1 ．测频法 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 2 ．测周法 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 3 ．测周期 / 频率法 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 4. F/ V 与 A/ D 法 ……………………………………………………………… 2 三、单元电路设计与分析………… ……………………………………………… 2 1 ．放大整形电路 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3 2 ．闸门电路 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 4 3．时基电路…………………………………………………………………… 4 4．控制电路 ………………………………………………………………… 4 5．计数，锁存，译码，显示电路 ………………………………………… 5 四、总原理图及元器件清单…………………………………………………… 6，7 五、结论………………………………………………………………………… 8 六、心得体会…………………………………………………………………… 8 七、参考文献…………………………………………………………………… 8 4

一、概述通过信号整形电路使被测频率 Fx 产生一个 CP 脉冲（闸门信号），通过时基电路产生高电平时间长度为 1s 低电平时间长度为 0.25s 方波信号。通过计数器来测 CP 脉冲在一秒钟内的个数。通过 74LS273 锁存其数据，通过译码器翻译，使七段数码管显示其数值 N。用四只 LED 数码管构成数字显示器。数码管用来显示四位，均用十进制数表示，即数字显示器可显示出的最大数字和最小数字分别为 9999 和 0。响应时间 Tx 不超过 12s，即接上 FX 后，在 12s 之内，显示器所显示数字 N，Fx 的测量范围为 0hz~9999hz。二、方案设计与论证频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。它可以测量正弦波、方波、三角波的频率。利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量 1s 内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。常用的频率测量方法有以下四种。 1．测频法测频法的基本思想是：对频率为 f 的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为 Tg）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为 N 时，其信号频率为 f=N/TG 测频法的测量误差与信号频率有关：信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。 2．测周法首先把被测信号进行二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期的方波信号，然后用一个已知周期 TS 的高频方波信号作为记数脉冲，在一个周期信号的时间内对 fS 信号进行记数，如图 7.12 所示。若在 T 时间内的计数为 N，则有 5

即 T=N*TS f=1/T=1/(N*TS)=fs /N 测周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准技术信号的频率成反比。当 fs 为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也越高。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不较难实现，因此测周法不适合本设计要求。 3．测周法/频率法周期/频率测量是采用两个计数器，分别对被测信号 f 和高频标准计数信号 fs 进行计数。在确定的检验时间内，若对被测信号 f 的计数值为 N1，对高频信号 fs 的计数值为 N2，（对信号 fs 的计数，必须是信号 f 在第一个计数器停止计数后的一个完整的 f 信号周期）。则所测的信号频率为 f=1/T=N1/(N2*Ts)=N1*fs/N2 可见，周期/频率法需要进行除法运算才能得到信号频率，这用中小规模数字集成电路却较难实现，因此，该方法不适合本设计要求。 4.F/V 与 A/D 法这种频率测量法是先通过 F/V 变换，把频率信号转换成电压信号；然后再通过 A/D 转换把电压信号转换成数字信号，在对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。根据性能与技术指示的要求，首先需要确定能满足这些指标的测量方法。根据上述频率测量原理与方法的讨论，本设计采用测频法。由于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。用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为 1S 时，不需要进行任何计算，计数器所记数据就是信号频率。另外，在信号频率较低时，如 1 到 100HZ，可以通过增大闸门时间来提高测量数据。三、单元电路设计与分析用测频法构成的数字计的原理框图如图所示。 6

fx 放大整形 & 计数器锁存器译码器数码管闸门控制信号清零信号锁存信号控制电路时基电路（1）放大整形电路放大整形系统包括运算放大器和 555 构成的施密特触发电路，如图 1 所示。图 1 7

它将正弦波输入信号整形成同频率的方波。幅值过大的被测信号经分压器分压送到后级放大器，以避免波形失真。由运算放大器构成的跟随器使输入信号幅值扩展，其放大倍数为（Rf+R1）/R1。系统的整形电路由施密特触发器构成，整形后的方波送到闸门以便计数（2）闸门电路闸门电路由与非门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输入端的一端接门控信号，另一端接整形后的方波信号。闸门是否开通受门控信号的控制，当门控信号为“1”时，闸门开启；而门控信号为“0”时，闸门关闭。只有在闸门开启时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器。（3）时基电路（4）时基电路由 555 定时器构成的多谐震荡器实现，如图 2 所示。其作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号（1s 正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数；当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。计算： T=（R1+2R4）Cln2 f=1/T=1/（R1+2R4）Cln2 通过改变 R1 的阻值（即通过开关 K 选择不同的电阻）来改变 T 以改变频率的量程。图 2 8

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