简易数字频率计的设计Word格式文档下载.docx
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在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。
主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。
在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。
频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。
正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。
在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。
关键词：
频率、周期、数码管、锁存器、计数器
一．设计任务和要求
1、设计任务
设计一个数字显示的简易频率计。
2、要求
a.可测量信号的频率：
信号类型：
方波，正弦波
幅度：
1V～5V
频率：
1HZ～1MHZ
b.可测量信号的周期：
信号类型：
幅度：
频率：
c.测量结果用数字显示，显示精度0.1（s/HZ）。
d.电路中所需的直流电源需自行设计。
二．整体设计原理及框图
1、设计原理
交流电信号或脉冲信号的频率是指单位时间内产生的电振动的次数或脉冲个数。
用数学模型可表示为：
f=t/N
式中f——频率。
N——电振动次数或脉冲数。
t——产生N次电振动或脉冲所需要的时间。
首先必须把各种被测信号通过放大整形电路，使其成为规矩的数字信号，以便于计数器计数。
实现频率测量的另一必备环节是时基电路。
所谓时基电路，就是产生时间标准信号的电路装置。
通常要求精确稳定，所以采用1MHz或5MHz石英晶体振荡器做成标准时间信号发生器。
一般计数器则采用十位计数器，N进制的计数器也就是N分频器，其N进位信号也可作为N分频信号。
如图所示为数字频率计系统原理总框图，被测量信号经过放大与整形电路传入十进制计数器，变成其所要求的信号，此时数字频率计与被测信号的频率相同，时基电路提供标准时间基准信号，此时利用所获得的基准信号来触发控制电路，进而得到一定宽度的闸门信号，当1s信号传入时，闸门开通，被测量的脉冲信号通过闸门，其计数器开始计数，当1s信号结束时闸门关闭，停止计数。
根据公式得被测信号的频率f=NHz。
2、框图
三．各模块设计原理
1、电源电路
电路中要有5v的电源供电，所以要有5v的直流稳压电源，这里是将220v、50Hz的家庭用电转换成5v的直流稳压电源。
2、时基电路
为了获得较为稳定的时间基准信号，以便准确的控制主控门的开启时间，其电路见下图所示：
本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器如图上图所示。
接通电源后，电容被充电，当上升到时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降。
当下降到时，翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当放电结束时，T截止，将通过、向电容C充电，由上升到所需的时间为
当上升到时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
其振荡频率为
3、放大整形电路
为保证测量精度，在整形电路的输入端加一前置放大器。
对幅值较低的被测信号经放大后再送入整形器整形。
如图为放大整形电路原理图。
4、逻辑控制电路
逻辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭，同时也控制整机逻辑关系。
本设计采用74LS123组成逻辑控制电路，先启动脉冲置成1，其余触发器置成0，然后时基电路传入脉冲，控制电路开始工作。
被测信号通过闸门进入计数电路，于是计数器译码器同时工作，从而记下所测信号频率值。
当控制电路转为其他状态时，闸门关闭，计数器停止工作，数码管继续显示所测频率值。
直到有一次循环，计数器清零，数码管显示消失，到此为止，频率计完成一次测量。
5、计数器
为了提高计数速度，可采用同步计数器。
其特点是计数脉冲作为时钟信号同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，在每次时钟脉冲沿到来之前，根据当前计数器状态，利用逻辑控制电路，准备好适当的条件。
当计数脉冲沿到来时，所有应翻转的触发器同时翻转，同时也使用所有应保持原状的触发器不该变状态。
由于频率计的测量范围10～9999Hz，因此采用十进制计数器74LS90，它不仅可用于对脉冲进行计数，还可用于分频；
此电路则需分频，N位进制计数器就是N分频器。
被测信号由闸门开通送入计数器，记录所测信号频率值传入译码显示电路中，显示器显示测得频率值；
待闸门关闭，计数器停止工作；
电路则继续工作进行下次循环，计数器清零，显示器数值消失，频率计完成一次测量。
当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量程误差一起的测量误差太大，为了提高测低频时的准确度，应先测周期，然后计算。
被测信号经过放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，如，则闸门打开的时间也为10ms，在此期间内，周期为的标准脉冲通过闸门进入计数器计数。
若。
则计数器记得的脉冲数=10000个。
若以毫秒为单位，则显示器上的读数为10.000。
以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相反，即被测信号用来控制闸门电路的开通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。
6、锁存器
锁存器是构成各种时序电路的存储单元电路，其具有0和1两种稳定状态，一旦状态被确定，就能自行保持，锁存器是一种脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。
在确定的时间内计数器的技术结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值。
锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测量的数据寄存起来，送入译码显示器。
锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。
此电路采用74LS273锁存器，其作用是将计数器在1s结束时锁记得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
当1s计数结束时，通过逻辑电路产生信号送入锁存器，将此时计数的值送入译码显示器。
选用两个8位锁存器74LS273可以完成上计数功能。
当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输入等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态的Q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。
四．电路仿真
在多谐振荡器中，电路从暂稳态过渡到另一个状态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外部触发脉冲。
暂稳态持续的时间是脉冲电路的主要参数，它与电路的阻容原件取值有关。
电路中RC电路充、放电过程对相应门输入电平的影响是分析电路的关键。
图中根据课题要求，电路采用555定时器组成的多谐振荡器，为获得较为稳定的时间基准信号，用来准确的控制主控门的开启时间。
被测信号首先通过放大整形电路进行整形，使其得到所需的整形信号，晶体振荡器的输出信号经整形和分频器逐级分频后，可获得各种事件基准。
计数器是最常用的时序电路之一，计数器的种类不胜枚举，按触发器动作分类，可分为同步计数器和异步计数器；
按计数数值增减分类，可分为加计数器、减计数器和可逆计数器；
按编码分类，又可分为二进制码计数器、BCD码技术区、循环码计数器。
此设计采用十进制计数器进行计数。
通过时基选择开关，将所选用的时基信号作为控制电路的触发信号（用8位寄存器，实际上就是触发器构成的计数器，它可以循环位移一个1电平，也可以循环位移一个0电平）,再将信号传入逻辑控制电路中，控制电路输出接往主控门，该输出端仅在所选时间基准内维持高电平，使主控门开启，被测信号在采样时间内通过主控门，进入十进制计数器计数，计数器数值由数字显示器在数字频率计面板上显示出来。
此即为所测信号之频率值。
译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：
变量译码和显示译码两类。
它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。
显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来。
本设计译码显示器则采用十进制74LS48来实现，其作用是把BCD码表示的十进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。
1、电源电路
2、时基电路
五．设计收获及体会
经过一周的学习与设计，我对于数字频率计的组成与功用有了一定的了解与掌握，并且对于数字频率计的各个部分电路的作用大致的了解。
在设计频率计的电路过程中对于逻辑控制电路有了更深一步的认识，了解并掌握了芯片74LS123的功能与连接，并且对于译码显示器、计数器与锁存器的工作有了认识与了解。
对于被测信号的处理也比从前的理论掌握的更加准确；
在这一周的设计中，我也发现了自己许多的不足，在开始设计时不能很好的运用已经学过的知识，理论不能和实际相结合。
知识底蕴不足导致在设计中也遇到了一些困难，设计的电路经过测试并不能达到要求的功能，导致设计失败，又重新查找资料进行设计与修改，而最终终于在为期一周的努力下设计出了大致符合要求的频率计数器（周期的显示不理想）。
通过设计虽然没有达到真正的设计要求，但了解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。
参考文献
[1]陆坤.电子技术设计.电子科技大学出版社.2002.
[2]康华光.电子技术基础模拟部分.第五版.高等教育出版社.2006
[3]康华光.电子技术基础数字部分.第五版.高等教育出版社.2006
[4]吴建国，张彦.数字电子技术.华中科技大学出版社.2010
附录1
元件清单
原件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
555
定时器
2
72LS123
逻辑控制电路
3
74LS00
与非门
4
74LS90
10进制计数器
5
74LS273
锁存器
6
74LS48
译码器
7
8421数码器
数码管
8
R
47K
电阻
9
39K
10
Rext
10K
11
3.3K
12
1K
13
10Ω
14
RP
100K
电位器
15
16
C
4.7μF
电解电容
17
10μF
18
47μF
19
100μF
20
0.01μF
瓷片电容
21
LED
二极管
22
S
按钮开关
附录2
升级会员 