数字频率计.docx

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数字频率计

摘要

在电子技术中,频率是最基本的参数之一,在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，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，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,频率是反映信号特性的基本参量之一,频率测量在应用电子技术领域有着重要的地位。

测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。

本文数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。

如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。

因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

本次设计选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易七位数显频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、放大、整形、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。

放大整型电路：

对被测信号进行预处理；闸门电路：

读取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：

产生一个秒信号；计数器译码电路：

计数译码集成在一块芯片上，记录单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：

把BCD码译码在数码管上显示出来。

文中首先对七位数显频率计的整体设计方案进行了分析和论证，并对用Protel99se软件画原理图及PCB图的制作了具体介绍。

关键词：

频率，集成电路，Protel99se软件

Abstract

Inelectronictechnology,thefrequencyisoneofthemostbasicparameters,indigitalcircuits,digitalfrequencymeteraresequentialcircuit,ithasamemoryfunctionbythecompositionoftheflip-flop.Inthecomputerandvariousdigitalinstruments,theyarewidelyused.CMOSproductsinthecircuit,thedigitalfrequencymeteristheamountofthelargestvarietiesofmanyproducts,computers,communicationsequipment,audio,videoandotheressentialareasofresearchandproductionofmeasuringinstruments,andwithanumberofelectricalparametersofthemeasurementprogram,themeasurementresultsareverycloselyrelatedtothefrequencycharacteristicsofreflectedsignals,oneofthebasicparameters,

Thisarticleisadigitalfrequencymeterwithdigitaldisplayoftheequipmentundertestsignalfrequency,themeasuredsignalcanbesinewave,squarewaveorotherperiodicsignalchange.Suchaswiththeappropriatesensors,cantestawiderangeofphysicalquantities,suchasthefrequencyofmechanicalvibration,speed,soundfrequency,aswellaspiece-rateproductsandsoon.

Thedesignofthemainchoiceofintegratedchipsasthecoredevices,wedesignedasimpledigitalfrequencymeter7toflip-flopandcountersatthecore,bythesignalinput,amplification,shaping,counting,dataprocessinganddatadisplayfunctionmodulegroupinto.Cosmeticsurgerytoenlargethecircuit:

Thepre-processingofmeasuredsignals;gatecircuit:

readperunittimethenumberofpulsesintothecounter;timebasesignal:

1secondsgeneratedsignal;CounterDecoder:

Decodingcountonasinglechipintegrated,recordingthenumberofpulsesperunittime,CounttheresultsofthedecimalcountertoBCDcode;show:

theBCDcodedecodinginthedigitaltubedisplay.Protel99seuseofschematicandPCBdrawingmapsforthedetails.

Keywords:

Frequency,Intergratedcircuit,softwareProtel99

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第一章引言1

1.1课题的目的及意义1

1.2国内外发展现状及研究概况1

1.3设计的主要技术指标与参数2

1.4设计的主要内容2

第二章方案的比较与论证3

2.1测量方法分析3

2.2误差分析4

2.3方案的选择与确立5

第三章总体电路设计6

3.1电路的组成及工作原理6

3.1.1电路的组成6

3.1.2频率计的工作原理6

3.2原理方框图8

3.3电路工作各部分原理9

3.3.1计数显示电路9

3.3.2放大分频整形电路10

3.3.3秒脉冲发生电路和控制电路11

3.3.4测晶振电路13

3.3.5电源供电电路14

3.4整体电路原理图15

第四章各部分芯片介绍16

4.1MC14543的介绍16

4.2MC14553的介绍18

4.3HCF4033的介绍20

4.4CD4060的介绍21

4.5CD4017的介绍22

4.6AD829的介绍24

第五章Protel99SE的介绍26

5.1Protel的发展26

5.2Protel99SE的简介26

5.3原理图设计步骤27

5.4PCB板图的设计28

5.5PCB版图31

结论32

参考文献33

致谢34

附录原件明细表35

第一章引言

1.1课题的目的及意义

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，是一些科研生产领域不可缺少的测量仪器，被测信号可以是正弦波，方波，三角波或其它周期性变化的信号。

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；如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。

因此，数字频率计作为一种基础测量仪器到目前已有30多年的发展史，并且在工业测量中有广泛的应用。

本次设计的七位数显频率计是在基础理论和专业技术基础上，用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。

通过对其的设计，使我巩固了所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，增强了综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；对频率计的工作原理、元器件选择及电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解；进而掌握应用计算机进行电子线路设计的基本思想和方法。

1.2国内外发展现状及研究概况

当今社会，随着科技的进步，电子技术得到了飞速的发展与应用，数字系统的设计也有了很大的进步，如今运行速度快、在功能更加强大的基础上更加便于使用携带成了发展的方向。

60年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，结合电测技术创造出了完全新的数字式仪表。

它在测试方法、原理、仪器结构和操作方法上完全与前面所讲的模式式仪表不同，在质的方面也有很大的飞跃，70年代以来，把微型计算机的功能引入数字仪表，产生了新型智能化仪表，它具有程序控制、信息储存数据处理和自动检修功能，使数字仪表向高准确度、多功能、高可靠性和低价格方面大大迈进了一步。

近代的数字频率计就其功能而言，早已超出了早期只能测量频率的范畴，而具有测量周期、频率比、脉冲时间、累加计数等用途，并能输出标准频率、时标脉冲、闸门时间脉冲及编码信号等，成为一机多能、测频范围宽、测量精度高、测量速度快、自动化程度高、直接数字显示、操作简便的常用电子仪器，它在教学、科研、生产、国防中得到广泛使用。

现如今到处可见到处理离散信息的数字电路。

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

而数字频率计也有了广泛的发展，从早期主要是扩展测量范围，提高测量精度、稳定度等，到如今除通常通用频率计所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。

目前应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波频段。

1.3设计的主要技术指标与参数

1.测量范围：

第一档1Hz—10MHz，第二档10MHz—100MHz。

2.分辨率：

第一档1Hz，第二档100Hz。

3.输入波形：

正弦波、方波、三角波。

4.显示方式：

七位LED数码管显示。

5.扩展应用：

测晶振范围100KHz—10MHz。

6.参数计算，列元器件明细表。

1.4设计的主要内容

1.通过查阅资料对各方案进行比较及论证，并找到设计电路的基本思路。

2.根据所确立的方案，了解其基本测量原理。

3.对工作原理框图及单元电路进行设计。

4.系统实现及选择合适的元器件。

5.绘电路原理图，列元件明细表，整理及分析有关数据。

6.结论。

第二章方案的比较与论证

2.1测量方法分析

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号。

因此数字频率计实际是一个脉冲计数器，即在单位时间里所统计的脉冲个数，所以我们课题研究的主要内容放在计数脉冲电路。

实际应用中测量频率和周期的方法一般可分为无源测频法、有源测频法及计数器法等方法。

1.无源测频法又称为直读法，是利用电路的频率响应特性来测量频率。

可分为谐振法、电桥法和频率-电压变换法等方法，常用于频率粗测，精度在1%左右。

2.有源比较法，是利用已知的参考频率同被测频率进行比较而测出被测信号的频率。

可分为拍频法和差频法，前者是将被测信号与标准信号经线性元件（如耳机、电压表）直接进行叠加，产生拍频现象，通过检测零拍现象测频，常用音频测量，而不宜于高频测量，误差在零点几赫兹。

后者是利用非线性器件和标准信号进行差频变换，产生差频现象，通过检测零差现象测频，常用于低频测量。

3.计数器法，又分为直接测频法和间接测频法。

（1）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。

用一标准闸门信号（闸门宽度为Tc）对被测信号的重复周期进行计数，计数结果为Nx时，其待测频率为

（公式2-1）

时间Tc为标准闸门宽度（s），Nx为计数器计出的脉冲个数（重复周期数），测量的精度主要取决于计数Nx的误差。

其特点在于：

测量方法简单；待测信号频率越高，精度越高；测量时间越长，误差越小；但当待测信号频率较低时，误差较大。

（2）间接测频法，如周期测频法。

此法是在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率信号变化次数N0。

这种方法测出的频率是

=

/

（公式2-2）

此法的特点是低频检测时精度高，但高频检测时误差很大。

为了提高T法高频测量时的精度可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍。

4.用可编程器件，运用VHDL语言设计。

VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,超高速集成电路硬件描述语言）诞生于1982年，是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）的一种工业标准硬件描述语言。

相比传统的电路系统的设计方法，VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（ToptoDown）和基于库（LibraryBased）的设计的特点，因此设计者可以不必了解硬件结构。

从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的CPLD器件中去，从而实现可编程的专用集成电路的设计。

数字频率计作为数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。

随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言。

将使整个系统大大简化。

提高整体的性能和可靠性。

2.2误差分析

产生的误差主要包括量化误差、触发误差、标准频率误差。

1.量化误差：

是在将模拟量变换为数字量的量化过程中产生的误差，是数字化仪器所特有的误差，是不可消除的误差。

它是由于频率计闸门的开启与计数脉冲的输入在时间上的不确定性，即相位随机性而产生的误差。

要减小量化误差对测频的影响，应设法增大计数值N，选择较大倍数的倍频器和分频器。

2.触发误差：

又称为变换误差，被测信号在整形过程中，由于整形电路本身触发电平的抖动或者被测信号叠加有噪声和各种干扰信号等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周期，由此而产生的误差。

触发误差对测量周期的影响较大，对测量频率的影响较小，所以测频时一般不考虑触发误差的影响。

减小误差的方法，尽量提高被测信号的信噪比，采用多周期测量法。

3.标准频率误差：

是指由于晶振信号不稳定等原因而产生的误差。

测频时，晶振信号用来产生门控信号（即时基信号），标准频率误差称为时基误差。

一般情况下，标准频率误差较小，不予考虑。

2.3方案的选择与确立

根据任务书的要求，方案一、二的系统量化误差大不符合设计要求。

方案三中，直接测频法，方法简单，适用于中高频信号的测量；间接测频法适用于低频信号的测量，高频检测时误差很大。

方案四的量化误差小，测量精度高，但作为单片设计的性价比低，不够理想。

通过对以上方案的分析，结合任务书中的要求和自己实际情况，方案三的直接测频法比较适合。

该方法的特点是:

测量方法和硬件电路比较简，待测信号频率越高，精度越高。

但在测量低频时有一定误差，结合本次设计要求，它的测量范围：

第一档：

1Hz—10Hz；第二档：

10MHz—100MHz，可见对高频的要求还是很高的。

为了提高测量精度，本设计中增加一个三位转换开关，来实现校正、测频、测晶振之间的随意切换要求，从而满足对高频的测量。

经过比较论证，最后决定采用方案三的计数器的直接测频法来设计。

第三章总体电路设计

3.1电路的组成及工作原理

3.1.1电路的组成

数字频率计一般都由振荡器、分频器、三级CMOS反相器、控制器、计数译码器、LED显示器这几部分组成。

首先晶振信号由振荡器的振荡电路产生一个标准频率信号，经分频器分频得到2Hz的控制脉冲。

控制脉冲经过控制器中的门电路分别产生锁存信号和计数清零信号。

待测信号经过运放的放大、整形之后，输出一个与待测信号同频率的矩形脉冲信号，该信号在控制门经过与选通信号的合成，产生计数脉冲信号。

计数脉冲信号与锁存信号、清零复位信号共同控制计数译码器的计数、锁存、清零三个状态，然后通过LED显示器显示出来。

3.1.2频率计的工作原理

本次设计采用的是计数器法。

1.计数器

（1）由4个双稳态触发器可以构成一个同步或非同步十进制数计数器-——从计数器的输入端每输入一个脉冲，触发器的状态就改变一次，通过对该状态进行译码，就能在数码管中显示出与输入脉冲一致的数字。

输入10个脉冲后，输出一个进位脉冲至下一个十进制数计数器，同时本位计数器复零，数码管显示10。

七位计数器串联就构成一个七位十进制数电子计数器。

（2）要使计数器正常工作，要求输入信号的波形是方波，幅度适当且频率不超过十进制数计数器的最高工作频率。

（3）十进制计数器具有10分频的功能，即输入10个脉冲，输出1个脉冲，输入计数器的频率为fi，从十进制数计数器输出的脉冲频率降低至fi/10。

由电子计数器如何构成频率计，我们可以从频率的定义入手。

2.电子计数式频率计测频原理

所谓频率就是周期信号在单位时间（1S）里变化的次数，若在一定时间间隔T内测得的这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。

数字频率计的测频原理如下图所示。

B

图3-1数字频率计的测频原理

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上加有闸门控制信号。

控制信号为低电平，闸门关闭，无信号进入计数器。

控制信号为高电平时，闸门开启，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个脉冲进入了计数器，计数器即显示频率值fx（HZ）。

从测频原理可以推知：

（1）闸门控制信号的准确与否直接关系到频率测量的精确度。

如果开门时间（1s）有百分之一秒的误差（10-6s），即开门时间短（或长）了10-6s，测得频率也将带有10-6s的误差。

（2）如果闸门时间延长到10s，则电子计数器中计得的脉冲多了10倍。

直读频率时应将小数点左移一位，末位便能分辨出0.1HZ，提高了频率计测频的分辨率和精度；反之，将闸门时间缩短至0.1s或0.01s时，相应地降低了测频的分辨率和精度。

实际测量时，可据精度要求，灵活地选择闸门时间。

闸门改变时，小数点位置自动移位，使读到的频率值正确。

3.2原理方框图

秒脉冲

图3-2总体方框图

方框图补充说明：

（1）放大整形部分：

由宽带放大器将输入端进入的待测信号fx放大到一定的幅度，使整形电路能正常进行。

如果输入信号太强，则放大器输入端的限幅二极管将起作用，衰减信号保证放大器不至损害。

整形一般由施密特触发器电路构成，可将不同波形的输入信号整形成方波，以使控制门能正常工作。

当被测信号超过10MHz以上时，电路要对它进行100分频，并对分频后的信号进行放大整形，然后再进行下面的工作。

当输入的信号低于10MHz以下时，电路直接对此信号进行放大整形处理。

（2）信号输入部分经过一个三位转换开关实现高低档，校正，测晶振之间的转换。

（3）控制电路由分频器的输出信号控制。

在控制门开启之前发生计数器清零脉冲，主门开启时计数器计数1s，之后进行数据锁存，再经过译码显示电路显示出来。

3.3电路工作各部分原理

我们知道测量频率的方法有许多种，本次设计采用的是计数器记录待测频率在一秒钟内所发生的脉冲个数，然后锁存直接显示，只要能产生一个十分精确的秒脉冲即可。

电路主要可分为计数显示电路、放大分频整形电路、秒脉冲发生电路和控制电路。

3.3.1计数显示电路

图3-3计数显示电路

该电路是由IC1-IC5﹑Q1-Q3和七只数码管及电阻电容组成。

IC1﹑IC2（MC14543）能把8421码转化成七段显示的十进制码，可驱动共阴或共阳数码管，其6脚接高电平驱动共阳LED，接低电平驱动共阴LED；本电路用七只共阴数码管，6脚接低电平。

电阻R1-R21按常理一般选择为470Ω，起到保护数码管的作用。

Q1-Q3为三只数码管NPN型三极管，在电路中起到放大作用，与三极管基极相连的电阻R22-R24起到限流的作用。

IC4﹑IC5（MC14553）是三位8421码计数器，利用分时控制可用一只译码管显示三位数字，其9﹑7﹑6﹑5脚是8421码A﹑B﹑C﹑D的输出端，1﹑2﹑15脚是三位数码显示的扫描输出，12脚是脉冲输出端，3﹑4脚是外接振荡电容端。

IC3（HCF4033）是一块单独的十进制计数/7段译码器,其中6至13脚为七段数码a-g的输出端,1脚是输入端,2脚是闸门控制端,5脚是溢出端，1脚接单刀三位转换开关。

计数显示电路的工作过程为：

当有脉冲输入后，IC3的2脚、IC4的10脚和IC5的10脚的闸门信号同时开启，允许计数，并将计数值送入IC4和IC5的13脚来进行锁存。

当计数器对其数字计数后，要送入显示器显示，先由IC3直接控制进行显示，如果超过一定值，通过IC3的5脚溢出端送入IC5的12脚脉冲输入端，这时IC5对脉冲计数并把得到的计数个数通过A、B、C、D端输出给IC2的A、B、C、D输入端，IC2再把得到的8421码转换成七段显示的十进制码，从而控制3个数码显示管进行显示。

当IC5也超过所能控制显示的数值时，IC5又通过它的14脚溢出端送入IC4的12脚脉冲输入端，IC4和IC1通过同样的方式来控制另外3个数码显示管进行显示。

3.3.2放大分频整形电路

图3-4放大分频整形电路

放大电路有两个,一个是放大10MHZ以上,另一个放大10MHZ以下的信号。

10MHZ以上的信号从CZ2输入，经C11隔离，被IC10（uPC1651）和AD829进行100分频、从2脚输出送放大整形电路。

IC9、IC10的工作电压是5V，使用5.1V的稳压二极管D10即可。

D10在电路中起到稳定电压的作用，与之相串联的R34为限流电阻，为了防止稳压管因超过额定功耗而损坏。

10MHZ以下的信号从CZ3输入，经C15隔离后送放大整形电路。

共同的放大器是由三级CMOS反相器IC8（HCF4069UB）的1-3个非门串联而成，R28为反馈偏置电阻，R28=910Ω则R31=450Ω，因此放大倍数F=R28/R31=200倍,已经能让30mV以上的信号放大到限幅状态。

用CMOS反相器组成放大器具有输入阻抗高，功耗小，简单可靠，无需调试等特点。

整形电路是由IC8的4-5和R29、R30组成施密特触发器，它能将模拟信号变成边沿陡直的方波脉冲，1端的输出信号进三位转换开关K1送到计数电路。

R30为反馈电阻，构成正反馈闭环回路，滞后电压取决于R29与R30的比值。

R29一般选为10K，R30用4.7K。

3.3.3秒脉冲发生电路和控制电路

图3-5秒脉冲发生电路和控制电路

秒脉冲发生电路由32768Hz晶振和IC6（CD4060）组成的振荡器，其振荡频率由JZ（32768HZ）决定