海南省大学生电子设计竞赛设计报告.docx
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海南省大学生电子设计竞赛设计报告
省大学生电子设计竞赛设计报告
题目：
数字频率计
学校：
琼州学院
参赛队员：
董晋玮程宇帅强
指导老师：
2012年11月
摘要
关键词
设计要求
第一章：
数字频率计测频的基本原理
第二章：
基本单元电路设计
2.1放大整形电路设计与仿真
2.2时基电路
2.3闸门电路
2.4逻辑控制电路设计
2.5锁存及译码电路设计
2.6整体电路图及仿真
2.7整机元件清单
第三章：
系统组装、调试及结果
第四章：
课程设计总结
致
参考文献
数字频率计
（琼州学院电子信息工程学院，572022）
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。
在电子技术中，频率与许多电参量的测量方案、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,其中数字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。
其原理为通过测量一定闸门时间信号的脉冲个数。
本文阐述了设计了一个简单的数字频率计的过程。
关键词：
数字频率计
设计要求
设计任务及要求：
设计一简易数字式频率计，其设计要求及技术指标是：
1．基本要求：
（1）被测信号为矩形脉冲信号，0~4V；
（2）显示的频率围为0000~9999Hz；
（3）测量精度为±1Hz；
（4）用LED数码管显示频率数值。
2．扩展部分：
（1）输入信号为正弦信号、三角波，幅值为10mV；
（2）显示的频率围为0~10MHz；
（3）自动量程切换；
（4）如何提高测量的精度。
频率是指单位时间信号振动的次数。
从测量的角度看，即在标准时间，测得的被测信号的脉冲数。
其测量的频率的方框图如下图所示。
被测信号送入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这些脉冲加到主门的Ａ输入端，门控双稳输出的门控信号，加到主门的Ｂ输入端。
在主门开启时间，脉冲信号通过主门，进入计数器，则计数器记得的数，就是要测的频率值。
如果主门的开启时间为Ｔ秒，计数器累积的数字为Ｎ，则被测的频率为
。
元器件清单：
NE555×1片
74LS123×2片
74LS90×4片
74LS273×2片
74LS48×4片
BS202×4个（共阴LED数码管）
74LS00×2片
三极管9014×1只
二极管1N4007×1只
电阻：
10kΩ×3，47kΩ×2，39kΩ×2，1kΩ×1，3.3kΩ×1，680Ω×28
电位器：
50kΩ×1，100kΩ×1
瓷介电容：
0.01μF×1
电解电容：
47μF×1，4.7μF×2，100μF×1，10μF×1
按钮开关×1
第一章数字频率计测评的基本原理
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脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。
频率是指单位时间（1s）信号振动的次数。
从测量的角度看，即单位时间测得的被测信号的脉冲数。
被测信号送入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这些脉冲加到主门的A输入端，门控双稳输出的门控信号加到主门的B输入端。
在主门开启时间，脉冲信号通过主门，进入计数器，则计数器记得的数，就是要测的频率值。
如果主门的开启时间为Ts，计数器累积的数字为N，则被测的频率为
频率测量原理
设计框图如下：
频率计总体框图
第二章：
基本单元电路设计
2.1放大整形电路设计与仿真
放大整形电路
本部分电路由三极管放大电路和门电路组成。
作用是将正弦波或三角波输入信号整形成同频率方波，测试信号通过通过三极管放大电路进行放大，使微弱信号到达可测量的幅度。
经过放大整形后的方波送到闸门以便计数。
放大整形电路
整形放大电路的设计仿真
用于非矩形波信号频率的测量。
通过频率放大电路后，非矩形波可转化为矩形波，且其频率保持不变，即达到了测量任意波形信号频率的测量的扩展目的。
仿真原理图：
整形放大电路的仿真
2.2时基电路
时基电路
本部分电路由555芯片组成，作用是提供用于测量单位时间（1s），即闸门信号的开启时间。
同时产生的方波信号下降沿激发锁存器的锁存信号，再由该信号激发计数器的计数信号。
时基电路
时基电路的仿真
采用555多振荡电路，输出方波周期为：
T=0.7×（RP+R1+2R2）C;
可调电阻RP=0—100KΩ，输出方波的周期T=0.75s—1.575s，占空比D==68.8%—82.67%
仿真原理图：
555多谐震荡电路的仿真
仿真结果：
555多谐震荡电路的仿真波形
2.3闸门电路
本部分电路由与门组成，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，另一端接整形后的被测方波信号。
闸门是否开通，受门控信号的控制，当门控信号为高电平“1”时，闸门开启；而门控信号为低电平“0”时，闸门关闭。
显然，只有在闸门开启的时间，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。
可见，门控信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。
采用2/5分频十进制加法计数器74LS90，四片级联可扩展测量围到1——9999Hz，R91、R92端置零，R01、R02单稳态触发器输出的控制段相接，起到给计数器清零、为下一周期的计数做准备的作用。
逻辑控制及闸门电路
2.4逻辑控制电路设计
逻辑控制电路
本部分电路由单稳芯片和门电路组成。
作用是提供计数器的计数信号和锁存器的锁存信号。
各部分信号逻辑关系如图所示。
其中：
A为被测信号；B为时基信号，秒脉冲；C为锁存器送数信号；D为计数器清零信号；E为计数器计数脉冲信号。
各部分波形逻辑关系
逻辑控制电路的仿真
采用74LS123集成芯片，其功能表如下：
逻辑控制电路的仿真
采用1Q~与2A相连，比1Q与2A相连精度更高，因为1Q将产生20ms宽的脉冲信号，控制清零的信号产生一定的延迟，在测量频率相对较高的信号时建会产生一定的误差。
仿真原理图：
逻辑控制电路的仿真
锁存信号与时基信号逻辑关系图
计数信号与时基信号逻辑关系图
2.5锁存及译码电路设计
本部分电路由锁存器和译码器组成。
其中计数器按十进制计数。
如果在系统中不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以，在计数器后边必须接入锁存器。
锁存器的工作是受单稳态触发器控制的到。
门控波形的下降沿，使单稳态触发器1进入暂态，单稳态1暂态的上升沿作为锁存器的锁存（使能）脉冲。
锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期的计数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用。
在锁存器将门控信号周期的计数结果存储起来情况下，把所存储的状态送入译码器进行译码，在显示器上得到稳定的计数显示。
计数锁存及显示译码电路
计数锁存及显示译码电路仿真
2.6整体电路图及仿真
整体电路图
整体电路图
整体电路仿真图：
2.7整机元件清单
元件清单
名称
参数
个数
备注
555
1
74LS123
2
集成单稳
74LS00
2
74LS90
4
计数器
74LS273
2
锁存器
74LS48
4
译码器
共阴极数码管
4
滑动变阻器
100K
1
滑动变阻器
47K
1
电阻
47K
2
电阻
39K
2
电阻
10K
3
电阻
3.9K
1
电阻
10
1
电阻
1K
1
电容
10uF
1
电容
0.01uF
1
电容
4.7uF
2
电容
47uF
1
电容
100uF
1
三极管
3DG100
1
二极管
1N4002
1
开关
1
导线
若干
集成块配套管座
若干
万能电路板
1
第三章：
系统组装、调试及结果
接下来是根据电路图在万能电路板上将各个元器件用导线连接好。
在系统的组装前，我们对整体电路在电路板上排好了版。
连接完成后，我们将5V的电源接入电路，对简易数字频率计进行调试。
调试完成后，一个简易数字频率计的设计就完成啦！
数字方案比较
本设计由三部分:
被测信号、测量电路、显示电路、档位转换，可以基本完成正弦波、三角波、矩形波的测量，还可通过4位LED数码或者液晶显示。
显示电路
被测信号
档位转换
显示电路
方案一：
方案二：
方案三：
1.设计与论证
2.1设计容
本设计完成了整套机械部分的设计与组装，不仅强化了自己的动手能力，还使自己的专业知识得以应用，进一步顽固所学知识。
2.2分析与论证
研究方法：
1.根据自己掌握的基础知识对题目进行分析；
2.对当代实际情况进行调查研究，对结果进行分析；
3.通过图书馆，网络，文献等相关资料了解表决器在国外的发展情况；
4.设计分析，跟指导老师进行讨论；
5.结合自己所学的知识进行设计，通过实验室提供的实验器件进行硬件电路的设计与焊接；
6.验证分析，写出自己的设计方案。
实验方案：
可行性分析：
本设计所使用的技术都已成熟，多路舵机控制技术在机器人方向已有广泛使用，有一定的资料可以借鉴，可以加快开发速度。
OPENCV是来自谷歌开源项目，有完善的API接口函数和众多优秀的算法库，能用于开发人员快速进行数字图像开发，因此本设计有着一定的技术支持，可实现。
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