时宜采用测周的方法。
中界频率f。
与测频时所取的闸门时间以及测周时所取的时标有关。
<2>频率测量方案选择
根据性能和技术指标的要求，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。
有上述对各种方法的讨论可知，M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。
这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。
当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。
这种方法比较适合测量高频信号的频率。
T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。
这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。
这种方法比较适合测量频率较低的信号。
单片机测量频率的方法也存在几个问题：
一是该方法不能直接读出其频率值或周期值;二是在中界频率附近,仍不能达到较高的测量精度;三是该方法设计到单片机的应用和单片机语言编程，鉴于现在的能力比较难实现。
综合以上几种方案的优缺点和该课题的频率范围和精确度的要求，我们选择直接测频法。
对测量频率的最低值100Hz来说，相对误差最大为1%，可以满足要求，随着测量频率的增大，相对误差逐渐减小。
2.方案论证
方案原理如下：
待测信号
清零信号锁存信号
1S高电平
图1方案原理框图
图2控制电路信号波形图
频率测量原理说明：
如图2所示通过时基电路产生具有1S高电平的闸门信号Ⅰ，当闸门信号为高电平时闸门打开，被测信号Ⅱ可通过闸门进行计数，经过1S时间后闸门信号变为低电平，闸门关闭，被测信号不能通过进行计数，同时锁存信号Ⅴ也由低电平上升到高电平，锁存器收到触发，使计数信号输出到译码器并保持，这时数码管即可显示被测信号的频率。
锁存完成后清零信号Ⅲ由高电平下降到低电平，使计数器清零，并在下一个闸门脉冲上升到高电平时，清零信号也上升为高电平，使计数器进行计数。
由此，在下一个周期进行同样的计数
3.电路工作过程分析
总体电路图如下：
图3整体电路图
（1）被测信号整形
非方波信号在测量时，由于不能直接输入数字装置，首先进行整形预理。
这一过程可通过555定时器组成的施密特触发器可以实现。
整形后信号变为方波脉冲信号，可输入计数器进行计数测量频率。
（2）时基信号产生电路
测量过程需要一个精准的1s高电平信号，为了保证准确性，先要产生一个标准时钟信号，即时基信号。
时基信号的产生可先由较精准的晶体振荡器产生标准高频信号，再通过六块74LS160十进制计数芯片进行分频得到1Hz的时基信号。
（3）计数电路
将经过整形的待测信号用5块74LS160芯片进行计数，信号输入到第一块计数器的信号输入端，进位端接到下一块芯片的信号输入端，依次接到第五块，每块芯片的输出端通过数据选择器、译码器输至数码管进行显示；160芯片ENT、ENP、LOAD都接高电平，CLR端输入由控制电路产生的清零信号，计数完成后进行清零。
（4）锁存电路
通过锁存器74LS273每次经过1s计数后得到一个上升沿，此时计数器输出信号能通过输入到译码显示电路，然后保持到下一个上升沿到来时刷新信号，这样保证了频率在测量后能够显示一段时间以便读取。
（5）单位转换及译码显示电路
由于要在超过量程时能实现单位的转换，在单位由Hz变为KHz时显示两位小数，因而在最高位160芯片输出为零时单位为Hz，不显示小数同时亮红色发光二极管，数码管显示后四个160芯片输出信号；在最高位输出不为零时单位为KHz，在第三块数码管上显示小数同时亮绿色发光二极管，数码管显示前四位160芯片输出信号。
信号选择由74LS257芯片实现，将最高位160芯片输出的四位信号输入到或门，输出单位转换信号接到257信号选择控制端，即能实现数据的选择。
同时单位转换信号接至第三块数码管小数点显示输入端及绿色发光二极管，单位转换信号经过非门输入到红色发光二极管。
数据选择器输出端分别接至四个74LS48译码器芯片然后接到数码管实现显示。
（6）控制电路
控制电路主要包括闸门控制、清零控制、锁存控制。
闸门控制：
先由1s时基信号通过JK触发器分频得到0.5Hz,高电平为1S的闸门信号，闸门信号与整形后的被测信号通过与门与在一起输入到计数输入端，闸门信号为低电平时闸门关闭，被测信号不能输入到计数端实现了时间闸门的控制。
清零电路：
先由闸门信号通过由555定时器组成的单稳态触发器，产生相同频率，高电平稍大于1S的清零信号，清零信号接至160芯片清零端，实现计数后清零。
锁存电路：
锁存信号可直接由闸门信号通过非门产生，在闸门下降沿时，计数停止，此时锁存信号为上升沿，计数输出信号输入译码显示电路进行显示，完成了锁存控制。
（7）超量程报警电路
超量程报警电路由JK触发器、与门、发光二极管组成。
将JK触发器J、K端接高电平，开始时，Q端置零，脉冲输入端接至最高位160计数芯片进位端，发光二极管正极接Q端，负极接地，当计数超量程时，最高位进位端输出一个脉冲使触发器翻转，此时，发光二极管亮，实现报警功能，将~Q端分别用与门和清零信号及闸门信号与在一起作为清零信号和闸门信号，则超量程时~Q为零，可以实现计数器清零并不再计数。
二、单元电路设计与分析
1、放大整形电路
由于要求能测量正弦波和方波信号频率，而正弦波信号不能直接输入到数字装置中，因此要对被测信号进行整形；由555定时器组成的施密特触发器可以实现脉冲的整形。
如下图所示被测信号经过施密特触发器整形变成方波信号。
图4整形电路
得到的波形如下，其中正弦波为输入信号，方波为输出信号
图5整形电路输入输出波形
2、时基信号与闸门信号产生电路
测量频率时需要需要一个高电平为一秒的闸门信号，闸门信号是否精准直接会影响测量的准确性，为了保证闸门信号的精准，首先需要一个标准的时基信号，这里选择通过晶体振荡器产生较高标准频率然后通过74LS160芯片分频，产生1Hz的标准时基信号。
（石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统信号）
图6信号发生电路
通过一个JK触发器可将1Hz时基信号分频为0.5Hz的信号，即为有1S高电平的闸门信号
图7闸门信号产生电路
3、计数电路
将被测信号和闸门信号分别接到一个与非门的输入端，输出端接到计数器的脉冲输入端。
这样，保证只在闸门信号为高电平时脉冲才能输入计数器，即保证了1s的计数时间。
这里的计数器采用4块74LS160型同步计数器串行进位方式连接,低位片的进位输出端连接到相邻高位片的CLk输入端,ENT、ENP、LOAD都接高电平，CLR端输入由控制电路产生的清零信号，由图2控制电路信号波形图可以看出清零信号高电平时间比闸门信号高电频时间稍微长一点，锁存信号上升沿与闸门信号下降沿在同一时刻，而三者有相同的周期，这样，在1s完成时锁存信号上升沿触发锁存器，使计数器输出信号在数码管显示，并保持到下一次锁存信号出现上升沿，也就测出了频率。
完成显示后清零信号出现低电平使计数器全部清零。
根据这样的原理可设计出如下电路图：
图8计数电路
在以上电路中主要部分是计数的实现，因此将各种输入信号直接简化画出，以已知频率信号源代替。
上图中4块计数器输出端接到两块锁存器74LS273上，信号进入下一部分电路中。
4、锁存电路
锁存部分主要由两块74LS273芯片实现，74LS273管脚图如下：
图974LS273管脚图
74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，上升沿触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。
输入
输出
CLR
CLK
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
0
X
X
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
1
D1
D3
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
1
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
74LS273功能表如下：
注：
CLR=1时，CLK的X表示除上升沿的其他状态。
由表可知，74LS273具有以下特点：
（1清零：
CLR=0时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；
（2）触发：
CLR=1，CLK为上升沿触发时，D1~D8的数据通过芯片输出给Q1~Q8；
（3锁存：
CLR=1，CLK不是上升沿触发时，将数据锁存，D0~D7的数据不变。
每片74LS273的8个输入端分别与两片74LS160的输出端相连，8个输出端分别与两个74LS48译码器相连，清零端CLR都接高电平，脉冲CLK端接锁存信号。
如下图：
图10锁存电路
通过锁存电路使计数器的输出信号只有在1s计数完成时才输入到译码器，并在下一次计数完成前始终保持，
5、译码显示单位转换电路
锁存器输出的信号要在数码管上显示，先要通过译码器实现译码，这里用74LS48芯片实现译码，并用带小数点的共阴极八段数码管显示；另外，还要实现Hz与KHz单位的转换，并用红、绿两色发光二极管表示。
当计数频率小于1000Hz时不显示小数点红灯亮；当计数频率达到1000Hz即最高位160计数器输出不为0时即显示小数点且绿灯亮。
单位由Hz变为KHz时保留两位小数，则第三块数码管显示小数点，同时数码管显示数字应整体向低位移动，这可以通过由74LS257数据选择器和门电路实现。
74LS257管脚图如下：
图1174LS257管脚图
74LS257功能表如下：
输入
输出
G
~A/B
1A
2A
3A
4A
1B
2B
3B
4B
1Y
2Y
3Y
4Y
1
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Z
Z
Z
Z
0
1
X
X
X
X
1B
2B
3B
4B
1B
2B
3B
4B
0
0
1A
2A
3A
4A
X
X
X
X
1A
2A
3A
4A
由表可知，74LS257具有以下特点：
（1）G=1时，输出高阻态。
（2）G=0，~A/B=1时，选择将B口值赋给Y口输出，
1Y2Y3Y4Y=1B2B3B4B。
（3）G=0，~A/B=0时，选择将A口值赋给Y口输出，
1Y2Y3Y4Y=1A2A3A4A。
分析可知应该实现如下几条:
若最高位计数器为零，小数点熄灭，门电路给~A/B高电平，选择低四片计数器输出，单位为Hz；当数值超过四位数码管的量程时，即U7输出不为0000，小数点亮，74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz；实现单位的自动转换。
下面的电路即可实现，可将最高位计数器四个输出端通过三个二输入端或门形成或的逻辑关系，将输出端接至数据选择器~A/B端，同时也接到第三块数码管小数点显示控制端和绿色发光二极管，通过非门接到红色发光二极管。
图12数据选择部分电路
图13单位显示部分
6、超量程报警电路
由设计的电路可以看出最大量程为99.99KHz，当超过此量程时最高位160计数器进位端将有信号输出，可通过此信号报警使指示灯亮并清零同时使计数停止。
如图
图14报警电路
当所测频率超量程时最高位计数器进位输出端输出信号使JK触发器翻转Q由0变为1，指示灯亮，~Q变为0，将~Q分别与清零信号、闸门信号输入到两个与门中，将输出信号作为清零信号及闸门信号。
这样，在超量程时计数器将清零，同时不再计数。
在下次测量前需要闭合一次S1使JK触发器再翻转一次。
7、控制电路
控制电路主要功能是产生清零信号、锁存信号以控制清零与锁存
清零信号可通过555计时器产生，由上文图2可知清零信号高电平时间稍大于闸门信号，这里取tp=1.1*R2*C=1.1s,周期与闸门信号相同。
如下图：
图15清零信号产生电路
锁存信号的产生则只需将闸门信号输入一个非门即可获得
图16锁存信号产生电路
三、电路安装与调试
经过仿真软件的模拟测试发现，本电路能实现频率测量，且单位转换，单位提示灯，及超量程报警功能都能实现。
不过在测试中发现测量结果有时会有1Hz的误差，这是由于这种测量方法存在的系统误差，难以避免。
还有一点缺陷，报警电路在报警后通过闭合开关S1的方法并不能使测量电路恢复，这在理论上是可行的，不过没找到问题所在。
四、结束语
本次的课程设计“简易数字频率计”由我一个人独自完成，最开始的时候我觉得这个不会很难做，因为一开始我便想到了测量的方案，即测量1S内信号的脉冲数，通过计数器就能实现，而且我们最后一次做的实验就是关于计数器的，做起来感觉不难。
最初，我在Multisim软件中用简单的电路模拟过，感觉已经能实现了，不过后来查了一些资料，发现实际测量需要考虑很多问题。
例如，时基信号的产生，最初我是想用555定时器产生1S高电平的信号，经过模拟发现这样产生的信号并不准确，这就导致测量结果误差较大。
后来了解到可通过标准高频振荡器产生信号再分频产生。
还有就是单位转换部分，一直没想到怎么解决，后来查找资料发现，可以通过数据选择器选择把两组数据中的其中一组输入到译码显示部分，这就可以解决单位转换问题了。
还有一些问题是有一些需要用到而没有学过的器件，如锁存器，在应用时由于对锁存器功能不是很理解，在连接电路时不知道怎么接，而且在用Multisim模拟时经常出现问题，做的过程中很气馁，不想做，后来通过借鉴别人的报告，看别人电路连接方式，再通过不断模拟，最后还是实现了，在做的过程中看到模拟成功还是很高兴的，这样又有信心往下做了。
还有一些是由于对学的一些器件的应用了解不深，例如，用555定时器对被测信号进行整形，课本上讲过这个应用，但是我并不了解，把课本上的内容看了几遍才知道怎么做。
当然也有一些地方比较熟悉，很快就完成了，如译码显示部分、计数部分。
在超量程报警部分运用JK触发器是我没想到的，不过，知道用JK触发器后，我自己设计出了超量程时清零和使计数器停止计数的电路。
这次的课程设计经过三天连续不断的努力，最终还是完成了。
总结这次的课程设计，整个设计有很多部分我并不是很了解，很多方法都是借鉴别人的例子，不过我并没有直接抄别人的，而是认真研究了他们的原理，然后自己模拟实现，截图，做出来的，对于原理基本都能理解了。
当然，其中还是用些问题的，由于对Multisim软件不是特别了解，有些地方实现还有点小问题。
由于最近还要准备考试，不能再花更多时间去解决了，以后有时间还是会尝试调试一下。
通过这次课程设计，我对学习的知识有了更深的理解，同时也学到了一些没学过的知识，还是很充足的。
同时也认识到了自己有些方面知识的不足，也明白了事情做起来会比想的要难，收获还是很多的。
元器件明细表
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
芯片
74LS04
3
非门
2
74LS08
3
与门
3
74LS32
3
或门
4
74LS48
4
译码器
5
74LS257
4
数据选择器
6
74LS273
2
锁存器
7
555定时器
整形
8
JK触发器
报警、分频
9
数码管
SEVEN_SEG_D_COM_K
10
发光二极管
红色
2
单位显示、报警
绿色
1
单位显示
11
电容
1uF
1
10uF
1
12
电阻
500Ω
1
4.5KΩ
1
100KΩ
1
13
升级会员 