频率计数字电路课程设计Word格式文档下载.docx
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2.1硬件设计思路描述软件设计………………………………………………3
2.2分模块进行设计说明………………………………………………………4
2.3硬件设计原理图……………………………………………………………9
3.单元电路设计………………………………………………………………5
4安装与调试……………………………………………………………………8
5.心得体会………………………………………………………………………11
6.结论……………………………………………………………………………11
附录A元件清单…………………………………………………………………12
附录B参考文献…………………………………………………………………12
1.引言
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多的电参量的测量方法、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量显得尤其重要。
数字电路制造工业的进步，使得系统的设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统的可靠性和速度，数字集成电路具有结构简单，和同类型电路单元多的特点，因为容易高集成化和归一化。
在电子系统非常广泛的应用者，到处可见处理离散系统的数字电路。
由于数字电路的飞速发展，所以数字频率计的发展也很快。
通常能对时间和频率两种以上的功能数字化测量仪器，称为数字式频率计。
在电子测量技术中是最为基本的一个参量。
因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。
1.1作品简介
数字频率计由放大整形电路，时基电路，锁存电路，计数电路和译码驱动电路组成。
它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，然后通过数码管显示。
目前，我们的作品能够测量的信号频率范围是0—10K，幅值是0—30V。
1.2作品设计思路及方案
频率测量有以下三种方法：
（1）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计数脉冲，在一个信号周期的时间内对fs信号进行计数。
若在T时间内的计数值为N，则有
T=N*Ts
即
f=1/T=1/N*Ts=fs/N
测周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频率标准计数信号的频率成反比。
当fs为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。
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中小规模数字集成电路却较难实现，因此，测周法不适合本设计要求
（2）测周期法
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。
在确定的检测时间内，若对被测信号
f的计数值为N1，对高频信号
f的计数值N2，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。
第一种是直接测量频率，第二种是通过测周期然后转换成频率。
前者使用于在一个测量周期过程中，被测信号通过NE555芯片的的输入端输入，从输出端引出后，信号发往单片机，在定时器进行一秒钟的中断，和计数器的计数脉冲个数，即可得到被测信号的频率）
（3）测频法
数字频率计由六个基本电路组成：
放大整形电路、时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数锁存电路、译码显示电路。
由555定时器构成的多谐振荡器在接通电源后，由于电容的充放电，使输出的波形为矩形脉冲，经过门控电路得到具有固定宽度T的方波脉冲作门控信号，时间基准T成为闸门时间。
宽度为T的方波脉冲控制闸门（与非门）的一个输入端B。
当A端接入一个信号源时，经过放大器的放大作用和与非门构成的单稳态触发电路的整形产生一个周期为Tx的序列窄脉冲，当门控信号到来后，闸门开启，周期为Tx的脉冲信号和周期为T的门控信号相与非通过闸门，当两个信号全都为高电平时相与的结果保持A的信号不变，当闸门信号为低电平时，相与结果为低电平，即在示波器上不显示波形。
在闸门的输出端产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，直到门控信号结束为止，闸门关闭。
单稳态触发器1的暂态送入锁存器的使能端，使锁存器将结果锁存，这样送到显示器的读书就为稳定值，计数器也停止计数并被单稳态触发器2的暂态清零，以便下次测量数据的准确性。
本设计选择了测频法，由于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。
时基为0.55s时频率范围为0—10K时，得到的数据误差仅为0.1%。
2.硬件设计
2.1硬件设计思路描述软件设计
图1数字频率计的组成框图和波形图
图1（a）是数字频率计的组成框图。
被测信号vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率fx相同。
时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平持续时间t1=1秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。
若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=NHz。
逻辑控制电路的作用有两个：
一是产生锁存脉冲IV，使显示器上的数字稳定；
二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。
各信号之间的时序关系如图1（b）所示。
2.2各模块设计
2.2.1放大整形电路
放大整形电路由晶体管8050与与非门构成的施密特触发器组成。
其中三极管等小元器件组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
与非门构成的施密特触发器对放大器的输出信号进行整形，整形后的方波送到闸门以便计数。
2.2.2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。
2.2.3时基电路
时基电路由555定时器构成的多谐震荡器实现，其作用产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），。
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。
2.2.4逻辑控制电路
在计数信号II结束时产生锁存信号IV，锁存信号IV结束时产生清“0”信号V。
脉冲信号IV和V可由74HC123双稳态集成芯片产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
由74LS123的功能可得当1
=1B=1、触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一负脉冲，手动复位开关S按下时，计数器清“0”。
2.2.4计数、译码、驱动电路
计数电路由4个74LS90构成的十进制加法计数器组成，实现从0000-9999计数。
译码器采用CD4511。
锁存器的作用是将计数器在0.55s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
0.55s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号LE，将此时计数器的值送译码显示器。
选用锁存器74LS123可以完成上述功能。
当锁存信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
高电平结束后，无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。
所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。
2.3硬件设计原理图
原理图
PCB图
仿真图
4.焊接与调试
焊接好电路后，先测试正负极有没有电路，然后再测试各芯片的正负极是否正常。
一切没问题后打开电源和信号发生器，接入电源和信号，看数码管显示的数字是否与函数信号发生器输入的频率相同，如果有一定差距，可以通过调节时基电路的电阻大小来使显示的数更精确。
5.心得体会
之前做过一次单片机的课程设计，但因为一直接触的都是单片机的编程，比较少运用集成芯片，所以这次做数电课程设计，在拿到题目时，很茫然不知如何下手。
一开始时，因为数电还没学到后面的知识，所以就耽搁着知道16周才开始做这个课程设计。
通过数电课的学习，我明白到了NE555、74系列芯片、译码芯片的运用。
所以在设计电路的时候，时基电路，放大整形电路，计数电路和译码驱动电路都比较好设计。
但是被锁存电路给卡住了，后来通过网上查资料和问老师终于解决了这个问题。
开始在protues上仿真通过了，基本达到了老师的要求。
在设计的过程中，我发觉，只拥有理论知识是不够的。
逻辑思维、电路设计的步骤和方法、考虑问题的思路和角度等也是很重要，所以我们着重锻炼实践动手的能力。
在仿真通过后，我利用了一个下午的时间画好好了电路板，由于是双面板，因此利用一个上午和下午的时间把电路板焊接和调试好。
在后来调试作品的时候，发现实际的准确度和仿真时有区别的。
但误差在接收的范围内。
通过课程设计学到了很多的东西，掌握了数字电子技术的知识并应用于实践。
培养了自己独立完成课题的能力与动手能力，并加强了对待事物严谨的态度。
最后我觉得我自己除了在数电知识方面的收获外，还学到了很多，比学习了仿真软件，提高了软件的自学能力。
7、结论
通过对简易数字频率计的设计，掌握了数字频率计的设计原理与设计方法，并熟练掌握了计数、锁存、译码、显示电路以及555定时器的基本应用，虽然存在小的误差，但基本符合设计要求，实现频率测量的目的。
附录A元件清单
74LS90×
4
74LS123×
2
74LS00×
1
555×
三极管：
9014×
单刀双掷开关:
×
电阻:
47K×
39K×
10K×
3
1K×
10×
电位器:
100K×
2
电容:
10u×
0.01u×
4.7u×
47u×
100u×
附录C参考文献
阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社，2006.
康华光.《电子技术基础模拟部分》.高等教育出版社，1998.
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