数字频率计实验报告.docx
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数字频率计实验报告
电工电子课程设计
——数字频率计
学生姓名 陈卓
学 号 1302060413
专 业 通信工程
班 级 0605
指导教师宋学瑞
第一章技术指标…………………………………………………………
第二章整体方案设计…………………………………………………
第三章单元电路设计…………………………………………………
第四章测试与调整……………………………………………………
第五章设计小结………………………………………………………
第一章技术指标
一.整体功能要求
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。
二.系统结构要求
数字频率计的整体结构要求如图所示。
图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目------频率、周期，若测量频率则自动分档。
数字频率计整体方案结构方框图
三、电气指标
被测信号波形：
正弦波和矩形波。
输入信号电压：
0.5~5V
测量范围：
0～9999Hz和1～100kHz
脉冲周期测量范围：
100μS~1S
具有超量程声、光报警功能
显示4位有效数字
测量误差小于5%
可供选择的元器件见附录
第二章整体方案设计
现代测量技术及仪器以数字化和智能化为主要发展方向。
数字式时频测量仪器很符合这样的方向。
频率量是几乎不经转换就能得到的数字量，在数字频率计中，被测信号是以脉冲信号方法来传递、控制和计数的，易于做成智能化设备。
数字频率计的基本工作原理是以适当的逻辑电路，使电子计数器在预定的标准时间内累计待测输入信号的脉冲个数，实现频率测量。
频率就是指周期性信号在单位时间内重复出现的次数。
若在一定的时间间隔T内计得这个周期性信号的重复次数N，则其频率可表达为：
f=N/T
由于计数器可以严格按照上式所表达的频率的定义进行测量，对于上式来说，要测量某个周期现象的频率，就必须解决计数和时间标准问题。
测量方案应至少包括两个部分，即计数部分和时基选择部分。
数字频率计的原理框图如下所
示：
图A、数字频率计测频原理
数字频率计的原理框图如图A所示，从中可以看出测量过程。
任何输入信号的波形都要整形成窄脉冲，以便可靠计数；标准时间Ts由555定时振荡器经过分频整形去触发门控双稳取得。
门控双稳也可以由手动控制其启闭。
仅在由门控双稳输出所决定的开门时间内，被测频率信号才能通过闸门进入计数器并通过译码显示。
计数的多少，由闸门开启的标准时间Ts和输入信号频率fx决定。
即：
N＝Ts/Tx=Ts*fx
反过来，根据计数器显示的计数及所用的闸门时间可知道被测频率fx应为N/Ts。
如所用闸门时间为1S，计数器计得12345个数，则被测频率应为12345Hz；当闸门时间为0.1S时，测同一个频率信号，计数器可能计得1235个数，频率为12.35KHz。
所设计系统的模块图，如下：
计数脉冲
锁存、清零信号
溢出信号
图B、系统总模块图
输入电路：
由于输入的信号可以是正弦波，三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。
当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。
频率测量：
被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。
时基信号有555定时器构成一个较稳定的占空比可调的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。
被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。
周期测量：
测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。
方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。
将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。
计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。
用时间Tx来表示：
Tx=NTs式中：
Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。
测量周期的原理框图如下
。
时基电路：
时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其
两个暂态时间分别为T1=R1Cln2,T2=R2Cln2,
占空比为q=R1/（R1+R2）,
振荡周期相应的为T=T1+T2=（R1+R2）Cln2
由于被测信号范围为1Hz~1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档：
1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽；1kHz~100kHz档采用1ms闸门脉宽；多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间。
闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。
在实验中我们采用的就是前一种方案。
在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。
使得能够产生1kHz的信号。
这对后面的测量精度起到决定性的作用。
计数显示电路：
在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。
在计数的时候数码管不显示数字。
当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。
第三章单元电路设计
1、时基信号产生电路
本部分要实现的功能是产生两个量程所对应的不同周期的门控信号。
对应于0～9999Hz和1～100KHz两个量程，可以分别在1s和1ms的时间间隔的采样时间里将主控门打开，使经过整形的输入信号脉冲通过并触发计数器计数。
所以，要求其产生周期分别为2s和2ms的时基信号。
周期为2ms的时基信号可以通过由555定时器构成的振荡器产生的0.2ms的信号经过一次十分频得到，周期为2s的时基信号可以由2ms的信号经过三次十分频电路来产生。
振荡器的频率计算公式为：
f=1.43/[（R1+R2）*C]，因此,我们可以通过计算确定各个参数，即R1和R2取1.2kΩ,电容取0.1μF.这样我们得到了比较稳定且频率为5000Hz的脉冲。
分频电路是由四片74LS160级联组成。
本单元的电路图如下所示：
图C、时基信号产生电路
2、控制电路部分
本部分要实现的功能是将计数、显示电路部分提供的溢出信号锁存，并根据此溢出信号选择不同的时基信号，来控制主控门开启时间的长短，并为锁存、显示电路部分提供计数脉冲、锁存和清零信号。
本单元电路图，如下：
图D、控制电路
当接通电源后，系统处于量程0～9999Hz，74LS74的Q=0，
=1，74LS51中管脚2、3对应的与门被封锁，管脚4、5对应的与门被打开，使得T=2s的时基信号通过与或非门74LS51，形成与门74LS08门控信号。
当2Q=1时，与门打开，经整形的输入信号通过与门产生计数脉冲，触发计数器计数。
同时，由于计数、显示电路部分的8D触发器74LS273为上升沿锁存，所以当门控信号由1→0的下降沿经反相后得到上升沿信号将计数值锁存，并送数码管显示；此后，门控信号的低电平作为清零信号，使得计数器复位端
有效，计数器被复位。
如此，系统循环工作。
如果输入信号的频率大于10KHz，则计数器溢出，百位数对应的计数器有进位信号产生，此信号的上升沿触发双D触发器74LS74（管脚D=1），使得Q=1，
=0，74LS51中管脚2、3对应的与门被打开，管脚4、5对应的与门被封锁，使得T=2ms的时基信号通过与或门74LS51。
从而，实现了量程的自动转换，而D端所连的发光二极管发光可以作为单位的标记（亮，KHz；不亮，Hz）。
其它各控制信号的产生过程同上。
3、计数、显示电路部分
本部分要实现的功能是在控制电路部分提供的计数脉冲触发下，对脉冲进行计数，同时在锁存信号、清零信号的作用下，锁存计数值和对计数器复位，并为量程转换提供依据的溢出信号。
本单元电路图，如下：
图E、计数、显示电路
计数环节采用四个十进制计数器74LS160级联的方法，来构成10000进制计数器，下一级的进位输出接到上一级的CLK端，这是因为74LS160的CLK是上升沿有效，而进位信号上升沿是在计数到9，即1001时出现，计数由1001到0000时产生上升沿触发上一级计数器加一。
频率是指在单位时间内输入信号的振动次数，所以在每次计数结束时锁存计数终值，并在下次计数开始时为计数器清零。
因此，为了使得数码管显示稳定且便于读取，必须设计锁存环节。
同时，将控制电路部分提供的清零信号，接到74LS160的
d端，用于对计数器清零。
显示环节采用4个BCD码译码器74LS48和4个数码管构成。
由于74LS160的输出是BCD码，所以要经过译码器74LS48才能由数码管显示，同时提供对数码管的驱动能力。
4、输入信号整形电路部分
本部分电路要实现的功能是对输入信号进行整形，包括两个方面：
一是将非数字信号（正弦波）转化为方波信号，以便后续电路的实现；二是对输入信号进行放大或限幅。
本部分采用由运算放大器LM358、电阻、稳压管构成的滞会比较器，
经过本部分电路的处理，输入信号可转化为同周期的方波信号。
本单元电路图如下：
图F、输入信号整形电路
第四章测试与调整
1，时基电路的调测
首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1=R2=1.2KΩ，C=0.1μF。
把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为5KHz。
同时输出信号的频率也要稳定。
测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信号。
测出来的信号频率和理论值很接近。
由于是将示波器的测量端分别测量每个原件的输出端。
这样，时基电路这部分就测试完毕，没有问题了。
2，显示电路的调测
由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。
为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
首先是对数码管的显示进行了调测
接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。
然后将4511的5端接地。
然后给4511的6217端分别接高低电平，数码管就会显示对应的数字。
比如6217分别接1000，那么数码管就对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。
接好后的测试方法同上。
这样，显示电路也就搞好了。
3，计数电路的调测
计数电路按照图4-2所示连接好，将74160的PT端，~CLR端，~LD端都接高电平，3个74160级联，构成异步十进制计数器。
同时4511的5端要接0，在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面数码管一直不显示数字。
接好后，给最低位的74160一个CP信号。
让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。
这样，计数器就开始计数了。
数码管从000~999显示。
计数电路就这样搞好了。
在调测的过程中，74160的~CLR端，~LD端，4511的5端都是用临时的线连接。
因为在后面这些端都是连接控制电路产生清零、锁存信号的输出端。
虽然前面计数电路和显示电路看起来已经能够满足要求，但在我们接上电源再次进行调试时发现时基信号已经改变，在用万用表一步步排查后发现电源电压已经由5v变为2.5v左右，在查找资料后知道原因是4511芯片功率很大，将电压拉下来了。
这样，我们不得不改变方案，在试用74ls48代替后发现能够计数并正常显示，只是控制信号不能正常锁存。
4，控制电路的调测
控制电路的连接图如图所示，
由调试波形可以知道电路设计应该是正确的。
这部分是测量频率的功能。
同时控制电路还要实现测量周期的功能，在前面已经说明的如何测量周期的算法，它的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为闸门信号。
测量周期的时候只需将开关置1就可以实现了。
这个原理在前面测量频率部分已经介绍过，这里就不再重复了。
在PT一直为高电平的时候计数器计数。
PT的高电平持续的时间刚好为fx的周期。
在闸门导通的时间，即PT一直为高电平的时候，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。
计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期，用时间Tx来表示：
Tx=NTs
式中：
Tx为被测信号的周期；
N为计数器脉冲计数值；
Ts为时钟信号周期。
根据Ts=1ms，N=50.可以知道被测信号的周期为50ms，在电路中我们给出被测信号的频率为20Hz。
那么测量的结果和理论值是一样的。
以上是对被测信号周期测量的部分。
调测过程中电路的输入输出波形图见图4-7，其中的控制计数器计数的原理和测量频率所用的方法一样。
调试小结
1、连接线路。
在连线过程中，由于本电路芯片比较多，放置芯片和布线就比较困难一些，总的原则就是走线横平竖直并且尽量减少线与线的交叉，不允许线跨接在芯片上面，更不允许有飞线。
2、按图接好时基信号产生电路后，用示波器观察产生脉冲是否是周期为2ms的门控信号。
开始的时候由于拿错了电阻，从示波器上观察不到波形，只是有跳动，我们还以为电路有错误，但是经过反复检查，电路没有错误，最后才发现是错把430K欧姆的电阻当成430欧姆的了。
然后再用示波器检查2S周期的门控信号的产生，这部分电路可以直接用专门的分频电路，不过设计的时候没有想到，而是用160的进位端来分频。
3、按电路图连接输入信号整形电路部分。
连接好后，接入周期性方波或正弦波，用示波器检测计数脉冲端波形，跟理论波形基本一致。
4、连接控制部分电路和计数显示部分电路。
在这部分电路我们遇到了很多的麻烦。
显示电路部分显示不正常，我们逐级检查各部分电路。
利用示波器和万用表检测控制电路正常。
2ms门控信号打开、2s门控信号锁定时，计数脉冲信号可以通过74LS08与门进入74LS160计数器计数，但无法正常进入74LS273锁存显示。
我们发现问题后，先仔细检查电路连接确保连接没有错误。
之后又重新分析设计电路，并通过请教老师确保电路在理论上能够实现此功能。
为了测试整体电路功能，我们外加了锁存信号，发现可以显示计数脉冲值。
但是不知道为什么不能锁存计数器的计数值。
由于时间原因我们最后也没有能够解决锁存脉冲无法实现的问题。
下面是实物电路图
第五章设计总结
两周的课程设计很快就结束了，在这两周的课程设计的学习与工作中我们把学习的几门课程中的一些知识做了一定的总结，在实践中合理地利用了这些知识，在老师的指导和同学的互相帮助下，一步步完成这次课程设计。
数字电路系统的设计与组合逻辑电路的设计有很大的区别。
组合逻辑电路与一般的时序逻辑电路的设计是根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路，用一般的集成门电路或集成触发器电路来实现；而数字电路系统具有复杂的逻辑功能，难以用真值表、逻辑表达式来完整地描述其逻辑功能。
拿到课程设计的实验课题和实验要求后，我到图书馆找了一些数字电路的相关的书籍，借助于手中的一些课本，如《数字电子技术基础》、《模拟电子技术基础》，和一些网络上有的相关知识，并根据相关实验要求，开始设计实验。
老师要求我们在进入实验室之前要准备好我们的实验预习报告和实验电路图，所以我们根据实验的基本认识及准备画好了实验电路图。
进入实验室后，我们根据实验所要的元件，列出元件清单，到老师那取了需要的元件。
然后就开始根据电路图开始接线。
在接线的过程中我们严格按照老师的要求，做到接线合理且美观，在接线过程中我们做到没有飞线，而且尽量做到接线横平竖直，紧贴面包板，所以在实验中我们都特别细心在实验中我们进一步培养了自己的科学严谨的作风。
电路接好之后，接下来就是调节电路了，在电路的调节过程中，我们先用示波器观察了电路中的各个环节的波形，对比理论波形，找出它们的区别，如果误差很大，则要检查电路是否有误，电路的连接是否正常。
开始设计的电路图时基电路555的电阻设计有很大的误差，导致不能产生5k的频率。
我将它不再串联到电路里，而是直接将其中间管脚接到电路里，这样就可产生近似的5k时基脉冲，再用万用表测量输出频率，调节电位器即可精确的调节其输出频率到5khz。
成功的解决了时基电路的误差问题。
这样为后面的计数和显示提供了先决条件，也为测量的精确度奠定了基础。
接好电源后，频率计开始工作，开始我们很高兴，可是好景不长，没过一会儿频率计开始出现连续不断地计数，并且电源灯出现稍微暗的现象，随后计数器开始显示不停的0~~9999的计数，清零和锁存毫无作用。
我们傻眼了，怎么会这样？
莫非是负载过重？
之后冷静下了，用万用表测试了电源，果然只有2.6V多。
把电源关了，过了会儿再打开，用万用表测试电源电压，示数开始是4.6V慢慢的下降，最后到了2.6V。
果然是负载过重导致拉低电源！
经过老师的指点，我们改用了74ls48代替4511。
但是控制电路仍不能正常锁存，直到老师验收时都没有解决。
心得体会
两个星期很辛苦，但是很充实。
学到了很多，从遇到问题到解决问题，我们经历了很多，于同伴叶益林的合作也很愉快，我们分工合作的同时互相帮助，在好几次实验中遇到困难的时候大家相互鼓励，重拾信心。
这一次设计过程，学会了很多专业知识，让我对专业知识更加充满了兴趣，也增加了学习的信心，我觉得更宝贵的不是那些，只有遇到问题先冷静下来，深入分析现象，最后才能找到解决办法。
要知道，有问题就必有解决之道！
实验过程中，实验室老师朱老师、实验指导老师宋老师在实验过程中给了我们很大的帮助。
朱老师的严谨认真，给了我们很好的师范作用，而宋老师则在理论上给了我们更好的提示。
在这里特别对两位老师表示感谢！
附录1：
元器件清单：
名称数量
1、十进制计数器74LS16010
2、六反相器74LS041
3、BCD码七段式译码／驱动器74LS481
4、共阴极数码管4
5、双D触发器74LS741
6、与或非门74LS511
7、与门74LS081
8，555定时器1
9，蜂鸣器1
10，5.6V稳压管2
附录2
参考文献：
《数字电子技术基础》陈明义中南大学出版社
《模拟电子技术基础》罗桂娥中南大学出版社
《电工电子实验教程》陈明义宋学瑞等中南大学出版社
附录3
电路总图：
见下页
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