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毕业设计

中文摘要

在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用，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。

本课题主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以计数器为核心，由信号输入、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。

整型电路：

对被测信号进行预处理；闸门电路：

由NE555构成一个秒信号，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：

产生一个秒信号；计数器译码电路：

计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：

把BCD码译码在数码管显示出来。

设计中采用了模块化设计方法，采用适当的整形，提高了测量频率的范围和精确度。

关键词：

频率计，集成电路，译码电路，计数电路

ABSTRACT

Inthedigitalcircuit,thedigitalcymometeristhecircuitoftimesequence,itismainlyformedbytriggerwithmemoryfunction.Inthecomputerandvariousdigitalinstruments,itiswidelyused.,themeasurementschemewithalotofelectricparameters,resultofmeasuringallhaveaverycloserelation,so,themeasurementoffrequencyseemsevenmoreimportant.

Thissubjecthasmainlyexplainedthatchoosesintegratedcircuitasthekeydevice,hasdesignedasimpleandeasydigitalcymometer,regardtriggerandcounterascore,input,separatebysignalfrank,touchoff,countcircuit,dataprocessing,datarevealmoduleoffunctionmakeup.Enlargethecircuitofintegratedtype:

Tobecarriedonthepreconditioningbythesignalofexamining;Thecircuitofthegate:

FormedasecondsignalbyNE556,seizethepulsenumberofenteringthecounterinunittime;Thebasesignalofhour:

Producethesignalforonesecond;Thedeciphercircuitofthecounter:

Countdeciphersandintegrateonthechiptogether,countthepulsenumberinunittime,counttheresultofthedecimalcountertotranslateintoBCDyard;Reveal:

InchargeofrevealingBCDoneyardofdeciphersinthenumber.Designadoptmoduledesignmethod,adoptappropriateenlargeandwhole,haveimprovedfrequencyofdesigning.

Keywords:

frequencymeter，Integratedcircuit，Translatethecodingelectriccircuit，Counttheelectriccircuit.

目录

第一章系统概述4

1.1数字频率计的主要计数指标4

1.1.1概念4

1.1.2本设计的技术指标要求4

1.2设计方案的选择5

1.2.1计数法5

1.2.2计时法6

1.3．设计思路及方案对比7

第二章数字频率计的设计及原理10

2.1电路工作原理简述10

2.2单元电路介绍11

2.2.1时基电路11

2.2.2逻辑控制电路12

2.2.3计数、锁存、译码显示电路的设计12

第三章数字频率计的仿真13

3.1仿真软件介绍13

3.2仿真原理图14

3.3仿真结果15

第四章安装与调试15

4.1安装15

4.1.1元件清单15

4.1.2主要芯片介绍16

4.2调试21

4.2.1调试规则22

4.2测试结果22

第五章设计小结24

5.1设计任务完成情况24

5.2问题及改进24

5.3心得体会25

参考文献25

致谢26

第一章系统概述

1.1数字频率计的主要计数指标

1.1.1概念

1）频率准确度

一般用相对误差来表示，即∆f/f=±（1/Tfx+|∆fc/fc|）,式中，1/Tfx=∆N/N=±1/N为量化误差（即±1个字误差），是数字仪器所特有的误差，当闸门时间T选定后，越低，量化误差越大;∆fc/fc=∆T/T为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的准确度决定，∆fc/fc<<1/Tfx。

（2）频率测量范围

在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间叫频率测量范围.频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应所决定。

（3）数字显示位数

频率计的数字显示位数决定频率计的分辨率.位数越多，分辨率越高。

（4）测量时间

频率计完成一次测量所需要的测量时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。

1.1.2本设计的技术指标要求

1．频率准确度：

测量误差≤0.1%

2．测量范围

信号：

方波,正弦波信号

幅度：

2V～5V

频率：

1Hz～10KHz

3．用4位7段数码管显示待测频率

4．测量时间为3秒

5．要求具有自动复位清零功能

1.2设计方案的选择

信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为技术其所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。

技术其所记录的结果，就是被测信号的频率。

如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。

测量频率的基本方法有两种：

计数法和计时法，或称测频法和测周期法。

1.2.1计数法

计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。

改变时间T，则可改变测量频率范围。

图1.2.1测频法测量原理

设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=（N1-N）/N=1/N。

由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。

因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。

当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：

δf1=（f1-f）/f=1/f

从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。

因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

1.2.2计时法

计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。

首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数。

图1.2.2计时法测量原理

若在T时间内的计数值为N2,则有：

T2=N2*T1f2=1/T2=1/（N2*T1）=f1/N2

N2的绝对误差为N2=N+1。

N2的相对误差为δN2=（N2-N）/N=1/N

T2的相对误差为δT2=（T2-T）/T=（N2*T1-T）/T=f/f1

从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。

当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。

根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。

有上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。

但由于用计时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，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。

测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。

但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。

因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。

1.3．设计思路及方案对比

方案一：

由ICM7216D构成的数字频率计

图1.3.1由ICM7216D构成的数字频率计电路图

由ICM7216D构成的10MHZ频率计电路采用+5V单电源供电。

高精度晶体振荡器和

构成10MHz并联振荡电路，产生时间基准频率信号，经内部分频后产生闸门信号。

输出分别连接到相应数码显示管上。

ICM7216D要求输入信号的高电平大于3.5V，低电平小于1.9V，脉宽大于50ns，所以实际应用中，需要根据具体情况增加一些辅助电路。

优点：

这个电路由于芯片集成度相对较高，所以电路设计较为简单，操作比较简单。

而且精确度高。

缺点：

对于芯片不太熟悉，而且由于集成度太高，缺少电路设计，而且仿真软件中并

没有这个芯片。

由于输出级需要相应的辅助电路，为电路设计带来很大麻烦。

方案二：

运用单片机设计数字频率计

图1.3.2a单片机数字频率计实现框图图1.3.2b单片机引图

频率计的计数和显示部分可以由单片机及其最小系统完成，将适用于计数以及显示的程序烧入单片机内，再根据时基电路、放大整形电路、倍频锁相电路一起构成频率计。

由于学过单片机相关教程，掌握一定的编程能力，所以用单片机实现数字频率计还是可行的。

优点：

由于用到单片机，控制电路计数等功能通过编写程序实现，减少了相关硬件的使用，降低了成本。

而且利用C语言程序有很强的可修改性。

缺点：

利用单片机需要最小系统，还需要了解最小系统，而且对于编程能力要求很高，对于初学者来说要求还是过高了。

方案三：

运用数模结合设计数字频率计

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。

它一般由整形电路、时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、

锁存器、译码器、显示器等几部分组成。

其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为1秒。

闸门时间也