新疆大学电气专业数电课设电子频率计的设计Word格式文档下载.docx
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指导老师:
常翠宁刘兵
完成日期：
课程设计题目：
数字频率计的设计
要求完成的内容：
1.设计一个数字频率计，对频率进行测量与显示
2.频率测量范围为：
1HZ~10KHZ，10KHZ~100KHZ
3.测量时间不超过2S，被测信号幅度为0.5V
4.具有四位的十进制数字现实功能，对测量出的频率进行显示
指导教师评语：
评定成绩为：
指导教师签名：
年月日
1、选择总体方案
数字频率计是用十进制数来显示被测信号频率的一种测量装置。
它可以测量正弦波、方波和三角波的频率。
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，利用锁存器锁存并稳定显示在数码管上。
查阅有关资料，常用的频率测量方法有以下几种。
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，原理如图1所示。
图1测周法原理框图
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/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，其测量原理如图2所示。
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。
图2测频率/周期法原理框图
3.F/V与A/D法
这种频率测量方法是先通过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，再对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。
由于此方法需要实现F/V与A/D转换的元件，目前为止的电子实验中并未涉及此方面内容，故此方法不适合本设计。
4.测频法
数字频率计的原理框图如图3所示，由六个基本单元电路组成：
衰减放大整形系统、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，在经过多级分频系统及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成为砸门时间。
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，经过衰减器的衰减、放大器的放大作用和555定时器构成的整形系统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。
用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1s时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。
另外，在信号频率较低时，如1~100Hz，可以通过增大闸门时间来提高测量精度。
图3测频法原理框图
2、设计单元电路
由频率的算法可知闸门的时间决定量程，可以通过闸门时基选择开关选择。
根据被测频率选择闸门时间，显示器的小数点对应闸门显示数据量程。
实验时若未加小数点显示闸门时间T为1s，被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出。
调试时观测被测信号、闸门信号、清零信号、锁存信号各点波形可得一组完整的数字频率计的波形，各部分的波形如图4所示。
图4图3标注点波形图
1.衰减放大整形电路
衰减放大整形电路包括衰减器、跟随器、放大器和施密特触发器。
衰减器由分压器构成，测试信号首先通过衰减开关选择衰减倍率，幅值过大的被测信号经分压器分压，送入后级放大系统以免波形失真。
放大电路由3DG100和电阻电容组成，目的是将一定频率的周期信号进行放大。
由运算放大器构成的跟随器起阻抗变换的作用，使输入阻抗变大，由运算放大器构成的同相放大器的的放大倍数为（Rf-R1）/R1，改变R1的大小可以改变放大倍数。
整形电路将正弦波输入信号V1整形成同频率方波V0。
整形后的方波送到闸门以便计数。
整形电路由555定时器构成施密特触发器，对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲信号。
完整的衰减放大整形电路如图5所示。
图5衰减放大整形电路
2.时基电路
时基电路的作用是产生一个标准的时间信号（高电平持续时间为1s）。
根据所提供器件，产生本实验中的标准时间信号的电路由555定时器构成的多谐振荡器和3片74LS90构成。
当555定时器接通电源后，电压经电位器和两个电阻对电容进行充电，当电压上升到一定电压（该电压由电位器的阻值大小决定，当电位器的阻值为0时，该值为5/3
V）时，Uo=0，VT导通，电容通过R2和VT放电，在放电的过程中，电容两端电压下降，当电压下降到一定时，VT管又截止，输出电压又由0变为1，即从低电频跳变为高电频，也就形成了下降沿，如此的，电容周而复始的充放电即形成了连续的矩形脉冲，然后通过三个分频器，使频率计的功能更齐全，能够调整测量频率的范围，使测试范围可以更广。
完整的时基电路如图6所示。
图6时基电路
3.逻辑控制电路
根据前示波形，在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清零信号。
脉冲信号可由两个单稳态触发器74LS121产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
由芯片74LS121的功能可利用他的可重触发性加宽门控信号，假设未加重触发脉冲时输出端的脉冲宽度为Tw1，加重触发脉冲后的脉冲变为Tw2，则Tw2=T+Tw1，Tw1=0.45。
从而可以控制外界电容和电阻的大小来控制电路的时间常数，逻辑控制电路可以利用它产生的上升沿脉冲来控制锁存器的锁存，还可以利用他的下降沿脉冲来控制计数器的清零（也可用手动来清零），如此，逻辑控制电路便实现了控制的功能。
完整的逻辑控制电路如图7所示。
图7逻辑控制电路
4.闸门计数锁存电路
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是，闸门开启，而门控信号为低电平时，闸门关闭。
显然，只有在闸门开启的时间内，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。
之后计数显示系统再把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。
计数器由4片74LS90按十进制计数组成，四个芯片级联而组成10000进制的计数器。
锁存器的作用是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存，使显示器上能稳定的显示此时计数器的值，1s结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送到译码显示器。
完整的闸门计数锁存器电路如图8所示。
图8闸门计数锁存电路
5.译码显示电路
七段发光二极管数码显示器分为BS201/202（共阴极）和BS211和212（共阳极）两种。
本实验采用共阴极的译码器，所谓共阴极就是把发光二极管的阴极都连到一起接地，与其搭配的译码器输出高电平为有效其中，BS201每段的最大驱动电流约为10mA，BS202的最大驱动电流约为15mA。
从锁存器出来的信号是计数器计数器计数后被锁存在锁存器中的信号，是二进制的数，在显示器上不能直接显示，，需要译码器将二进制的数译码成为十进制的数，然后才能在显示器上读出频率。
完整的译码显示电路如图9所示。
图9译码显示电路
3、总电路图
1.总电路图
图10总电路图
2.元件明细表
型号
数量
555定时器
2
R（1Kohm）
1
74LS121
R（100Kohm）
74LS90
6
RP（100Kohm）
74LS273
R（3.3Kohm）
CC4511
4
C（0.01uF）
3
8421数码器
C（0.033uF）
R（51Kohm）
C（10uF）
R（10Kohm）
C（47uF）
R（41Kohm）
C（0.1uF）
4、仿真与电路调试
图11仿真1参数图12仿真1结果
图13仿真2参数图14仿真2结果
图16实验室连线情况
图17实验室实验结果
5、小结
数字频率计是采用数字电路制做成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。
频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。
其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。
由Multisim仿真结果可知，设计的电路符合要求。
通过本次课程设计，我对计数器的分频功能等课本上的理论知识有了更加深刻和理性的认识，同时锻炼了动手能力和解决问题的能力，树立了理论和实践相结合，在实践中检验和发展理论的态度。
6、参考文献
1.《电子技术基础（数字部分）第五版》
2.《电子技术基础实验指导书》
3.数字频率计_XX百科
4.数电课程设计数字频率计_XX文库
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