数字频率计的设计.docx
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数字频率计的设计
电子技术课程设计
设计课题：
数字频率计的设计
院（系、部）：
机电工程学院
学生姓名：
赵恩祥
指导教师：
李艳萍
2012年6月29日
摘要
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且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,其中电子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。
频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间[1]为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。
本文的数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。
关键词：
测频、基准时钟、闸门时间、频率精度
Summary
Inelectronics,thefrequencyisoneofthemostbasicparameters,andmeasurementprogramwithalotofelectricparameters,themeasurementresultshaveaverycloserelationship,andfrequencymeasurementbecomesmoreimportant.Thereareseveralwaysofmeasuringfrequency,theelectroniccountertomeasurefrequencywithhighprecision,easytouse,rapidmeasurement,andeasytoautomatethemeasurementprocess,etc.,isoneoftheimportantmeansoffrequencymeasurement.Thebasicprincipleofthefrequencymeterisahighfrequencystabilityfrequencysourceasthereferenceclock,comparedtomeasuringthefrequencyofothersignal.Typically,calculatethenumberofpulsesofthesecondtestsignal,wecallthegate[1]foronesecond.Thegatetimecanalsobegreaterthanorlessthanonesecond.Thegatetimeislonger,moreaccuratefrequencyvaluesobtained,butthelongerthegatetimeeachmeasuredfrequencyintervallonger.Gatetimeisshort,themeasuredfrequencyvalueisrefreshthefaster,butthemeasuredfrequencyaccuracyisaffected.Thedigitalfrequencymeterwithdigitaldisplayinstrumentofthesignalfrequency,themeasuredsignalcanbesine,square,orothercyclicalchangesinthesignal.
Keywords:
frequencymeasurement,thereferenceclock,thegatetime,frequencyaccuracy
引言
电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。
其广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。
一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。
数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广泛地深入到各个应用领域。
数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。
如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。
因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。
1设计任务与要求
1）测量频率范围0～9999Hz；
2）最大读数9999HZ,闸门信号的采样时间为1s；.
3）被测信号可以是正弦波、三角波和方波；
4）显示方式为4位十进制数显示；
5）输入信号最大幅值可扩展。
2方案设计与论证
数字频率计是直接用十进制的数字来显示被测信号频率的一种测量装置。
它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。
所谓频率就是在单位时间（1s）内周期信号的变化次数。
若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为f=N/T，据此，设计方案框图如图1所示：
图1数字频率计组成框图
图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率fＸ。
，时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则们控电路的输出信号持续时间亦准确的等于1s。
闸门电路由标准秒信号进行控制当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器译码显示电路。
秒信号结束时闸门关闭，技计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fＸ=NHz
一整体电路设计
数字频率计的工作过程是：
被测信号fＸ经脉冲电路整形，变成如Ⅰ所示的脉冲波形，其周期TＸ与被测信号的周期相同。
实际电路输出标准时间信号Ⅱ，设其高电平持续时间为1s，计数器的计数时间就是1s，计数器计得的脉冲数N（如图Ⅲ所示）就是被测信号的频率。
逻辑控制单元的作用有两个：
其一，产生清零脉冲④，使计数器每次从零开始计数；
其二，产生所存信号⑤，是显示器上的数字稳定不变。
这些信号之间的时序关系如图2（b）所示数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁存和清零电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成
如图2（a），2（b）为数字频率计的工作过程图
图2（a）数字频率计的组成框图
图2（b）数字频率计的工作时序波形
3各单元电路设计与参数计算
⒈逻辑控制电路
根据图2（b）所示时序波形，在标准时间信号②结束时所产生的下降沿用来产生锁存信号⑤，同时锁存信号经过反相器有用来产生清零信号④，锁存信号的脉冲宽度由本身电路的时间常数决定。
因此这两个脉冲信号④和⑤可疑由单稳态触发器产生，其电路如图3所示
设锁存信号⑤的脉冲宽度tｗ=1.1RC若取R=1000KΩ、C=0.01Uf,则，tｗ=1.1RC=0.011s。
图3控制电路
⒉锁存器和清零
锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。
因为计数器在1s内要计算成千上万个输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读数。
如图2所示，1s的计数结束时。
逻辑控制电路发出的锁存信号⑤，将计数器此时的值送到译码器，因此显示器的数字是稳定的。
选用了两片8D锁存器74LS273可以完成上述锁存功能。
74LS273的真值表如表1所示。
表174LS273真值表
MR
CP
D
Q
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
保持
当时钟脉冲CP的上升沿到来时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。
从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位、千位的输出值送到锁存器的输出端。
正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端Q的状态仍然保持原来的状态。
所以在计数周期内，计数器的输出不会送到译码显示器。
清零信号是在计数器的计算值送锁存后，为了下次计数而把计数器进行清零，所以在锁存信号发出后，利用反相器的功能得到一个对计数器清零的延时信号。
有计数器74LS90的R9（0）端接低电平，而把R0
（1）作为清零输入，该清零信号是高电平有效，而锁存信号也是高电平有效，而且计数器清零必须在单稳触发信号之后，故在延迟反相器的基础上再加个反相器得到计数器的清零信号。
⒊脉冲形成电路
脉冲形成电路[3]的作用是将待测信号（如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化的波形）整形为计数器所要求的脉冲信号，其周期不变。
将其他波形变换成脉冲波的电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等，其中施密特触发器的应用较多。
电路形式采用555构成的施密特触发器，电路原理如图4（a）所示。
图中R1与R2的作用是将被测信号进行电平移动，因为555构成的施密特触发器[1]的上触发电平UT+=2/3Ucc，下触发电平UT-=1/3Ucc，如图4（b）所示。
输入信号的直流电平Uxo应该满足下列关系1/3Ucc输入信号的幅度Uxm与直流电平Uxo和回差△UT有关，一般说来，△UT越小，对输入信号的幅值Uxm要求越小，如果需要减小回差，可以在555的控制端CO接入一个正电压。
如果取+Ucc=+5V,回差△UT=1.67V。
对于图4（b）所示的波形图，若取Uxo=1/3Ucc+1/2△UT=2.5V,则输入信号幅度为Uxm>1/2△UT=0.83V.为使Uxo=2.5V，对于图4（a）所示电路，则取R1=R2=10KΩ。
图4（a）原理图
图4（b）波形图
⒋时基电路和闸门电路
如图2（a）所示，闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，决定了被测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数的计数个数，其精度很大程度上决定了频率计的频率测测量精度。
当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。
在此频率计中，时基信号[4]采用555定时器构成的多谐振荡器电路，当标准时间信号（1s高电平）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数；标准时间脉冲结束时（为低电平），闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。
例如，时基信号的作用时间为1s，闸门电路将打开1s，若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为1000个，则被测信号的频率就是1000Hz。
由此可见闸门电路的逻辑功能可以有一个与非门来完成，如图5所示
图5标准脉冲产生的闸门电路
设标准时基为1s的脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器电路产生的，由555定时器构成的多谐振荡气的周期计算公式：
t=t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比为：
D=t2/t1+t2=R2/R1+2R2<50%，t1为正方波的宽度，t2为负方波的宽度；若取振荡器的频率f0=1/t1+t2=0.8HZ,则振荡器的输出波形如图6所示，其中t1=1s，t2=0.25s。
图6闸门电路各波形特点
利用式t1≈0.693（R1+R2）C；t2≈0.693R2C。
若取C=10Uf，则R2=36.07KΩ,取36KΩ；R1=108.22KΩ,取R1=108KΩ。
门电路的输入输出个点波形如图6所示。
⒌被测信号幅度扩展电路
采用图7所示电路，可以扩展被测信号幅度范围。
输入信号Ux先经过限幅器，在经过施密特触发器整形。
当输入信号的幅度较小时，限幅器的二极管均截止，不起限幅作用。
图7幅度范围扩大电路
4总原理图及元器件清单
4.1总原理图
电路的工作过程是：
接通电源后，触发手动复位开关S，计数器清零。
当标准时间秒脉冲到来时，与非门构成的闸门电路开通，4片74LS90组成的计数器开始计数，最大计数N=9999HZ。
标准时间秒脉冲结束时所产生的负跳变触发单稳态触发器使之产生正脉冲，它的正跳变作为锁存器74LS273的锁存时钟脉冲[5]，是锁存器的输出等于此时计数器的值。
单稳态触发器输出的脉冲经过两个与非门延时，用来对计数器清零，从而完成一次测量。
下一个秒脉冲来到时又按照计数→锁存→复位的过程完成第二次测量，如此的周而复始，实现频率的自动测量[6]。
4.2元件清单
表1所用器件
器件
作用
74LS273
构成锁存器
555定时器
构成施密特触发器、闸门电路、幅度范围扩大电路
74LS90
构成计数器
74LS48
构成译码驱动器
显示管
显示数据
电容
电阻
结论与心得
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
在整个课程设计完后，总的感觉是：
有收获。
以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。
在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，查资料，找文献，这在以后的学习和生活中会有很大的用处，增强了我的动手能力和实践能力，但是我还有不足，我会在以后的学习中逐步提高，做一个动手能力强的大学生。
总体来看，我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴。
参考文献：
[1]<<西安电子科技大学学报>>2008年第2期
[2]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京：
电子工业出版社，2000;87-90.
[3]阎石数字电子技术（第五版）高教出版社.2006.5
[4]张顺兴.数字电路与系统设计.第1版.北京：
东南大学出版社，2004.
[5]张豫滇.电子电路课程设计.第1版.南京：
河海大学出版社，2005.8.
[6]<<数字电路设计>>王毓银著北京.高等教育出版社.2001.
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