简易数字频率计报告.docx

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简易数字频率计报告

长安大学

电子技术课程设计

课题名称简易数字频率计

班级_________

姓名_____________

指导教师

日期________

声明：

首先这个不是论文的格式，老师如果要求写论文就自己改吧！

其次，老师都是按自己和往届的思路给分的，这篇老师的评分不高，祝大家好运了！

一、课题名称与技术要求

<1>名称：

简易数字频率计

<2>主要技术指标和要求：

1.被测信号的频率范围100HZ～100KH

2.输入信号为正弦信号或方波信号

3.四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位

4.具有超量程报警功能

二、摘要

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，以门电路，触发器和计数器为核心，由信号输入、放大整形、闸门电路、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。

放大整型电路：

对被测信号进行预处理；闸门电路：

由与门电路通过控制开门关门，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：

周期性产生一秒高电平信号；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。

三、方案论证与选择

<1>频率测量原理与方法

对周期信号的测量方法，常用的有下述几种方法。

1、测频法（M法）

对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率为：

f1=N1/TG。

TG为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数，

设在TG期间，计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是△N1=N±1,N1的相对误差为&N1=（N1-N）/N=（N±1-N）/N=±1/N,由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。

因此，在f已确定的条件下，为减小N1的相对误差，可通过增大TG的方法来降低测量误差。

但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。

当TG为确定值时（通常取TG=1s），则有f=N，固有f1的相对误差：

&f1=（f1-f）/f=（f±1-f）/f=±1/f

由上式可知，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，M法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

2、测周法（T法）

首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。

若在T时间内的计数值为N2,则有

T2=N2*Tosc

f2=1/T=1/（N2*Tosc）=fosc/N2

N2的绝对误差为△N=±1

N2的相对误差为&N2=（N2-N）/N=（N±1-N）/N=±1/N

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，而与高频你标准计数信号的频率成反比。

当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。

3、单片机测量频率的方法

图3.1

用此法测量时，将被测输入信号送给单片机，通过程序控制计数（软件设计实现一秒定时，计数部分），结果送译码器74LS145与移位寄存器74LS164，驱动LED数码管显示频率值。

通过测量结果对比，分析测量误差的来源，提出减小误差应采取的措施。

根据分析可知，当被测频率很低时，由土l误差而引起的测量误差将大到不能允许的程度，例如，标准频率fo=lHz，闸门时间为ls时，测量误差高达100％。

因此，为提高低频测量精度，通常将电子计数器的功能转为测周期，然后再利用频率与周期互为倒数的关系来换算其频率值．这样便可得到较高的精确度。

在测量周期时，当被测周期很小时，也会产生这样的问题并且存在同样的解决办法。

即在被测信号的周期很小时，宜先测频率，再换算出周期。

测频和测周两条量化误差曲线交点所对应的被测信号频率称中界频率f。

在中界频率下，由测频和测周所引起的量化误差相等。

通常情况是：

当f>f。

，时宜采用测频的方法，当f

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。

四、方案的原理框图、总体电路图、接线图以及说明

<1>方案原理框图

关闭闸门超量程启动

1S高电平低电平清零下降沿锁存

图4.1

<2>总体电路图

图4.2

<3>工作过程说明

1．放大整形电路

任意形式信号经过施密特触发器放大整形变成方波信号，和脉冲信号一起控制与门的开启与关闭，

2．秒脉冲控制

时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls。

开关闭合后与JK触发器的Q端一起控制给计数器CLK脉冲的门电路，同时控制着计数器的清零端和锁存器（D触发器）的锁存端。

3．计数寄存译码

经过整形放大后的方波信号在与门U22A开门的1秒内给计数器提供计数脉冲，与门打开瞬间计数器74LS160N清零结束，74LS273DW处于锁存状态，计数器开始计数，

1当计数值未超过四位数码管的量程时，即U7输出为0000，4或门U3A输出为0，非门U23B输出1，小数点熄灭，74LS257N选择低四片计数芯片，单位为Hz；

2当计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；

3当计数值超过100KHz时，U7给JK触发器一个脉冲，JK触发器翻转，Q=1，蜂鸣器报警，Q非和多谐振荡器通过与门U22B电路输出0，所有计数器清零，与门U22A输出为0；

4当为①、②两种情况时，每经过1S的开门时间后，下降沿通过非门U23A给74LS273一个上升沿锁存数据，低电平使计数器全部清零，等待下轮开门时间计数；

5当出现③时，需要手动关闭开关，给JK触发器清零，蜂鸣器停止报警，再闭合开关使电路重新开始测频率。

4．显示电路

利用DCD_HEXLED显示器自带译码功能显示所计频率的大小。

五、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算

<1>放大整形电路

此设计选用555构成的施密特触发器对被测信号进行放大整形，电路图如图5.1.1

图5.1.1

CON端通过电阻分压提供一个0.5V的基准电压Ua，输入频率信号的幅值与1/2Ua和Ua进行比较，输出同频率的方波。

输入输出波形图如图5.1.2（正弦波为输入信号、方波为输出信号）

图5.1.2

<2>秒脉冲控制

时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls。

电路如图5.2.1

图5.2.1

555多谐振荡器的清零端接开关，输出端与JK触发器的Q端通过与门U22B控制给计数器CLK脉冲的门电路，同时控制着计数器的清零端和锁存器（D触发器）的锁存端。

电路如图5.2.2

图5.2.2

<3>计数器

计数器由5片74LS160级联组成，低片的进位输出端分别作为相邻高片的CLk输入端。

A、B、C、D、ENT、ENP、LOAD都接高电平，清零端接在一起和与门U22B的输出端相连。

如图5.3.1

图5.3.1

表5-1

74LS160功能表

输入

输出

CLK

CLR

LOAD

ENP

ENT

保持

加计数

由表可知，该计数器的主要功能有：

（1）异步清零：

当CLR=0时，其他输入端任意取值，计数器将被直接置零。

（2）同步预置数：

当CLR=1，LOAD=0,且有CLK脉冲下降沿作用时，完成将输入端DCBA的数值置入计数器操作，使QDQCQBQA=DCBA。

（3）保持：

当CLR=LOAD=0时，若ENP*ENT=0，则计数器保持输出原状态不变，不管有无CLK脉冲作用。

不过ENT=0时，进位输出RCO=0.

（4）计数：

当CLR=LOAD=0，若ENP=ENT=1时，处于计数状态，对CLK脉冲下降沿进行十进制加计数。

图5.3.274LS160逻辑管脚图

<4>单位转换

由74LS257和门电路组成单位转换电路。

4片257的使能端~G都接地，数据选择控制端~A/B连在一起与非门U23B的输出相连，数据端A、B连接图5.4.1

图5.4.1

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。

表5-2

74LS257功能

输入

输出

~A/B

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。

图5.4.274LS257的逻辑管脚图

<5>数据锁存

数据锁存电路由两片8D触发器74LS273组成。

每片273的8个输入端分别与两片257的输出端相连，8个输出端分别与两个DCD_HEX数码管相连，清零端CLR都接高电平，脉冲CLK端接非门U23A的输出端。

如图5.5.1

图5.5.1

每来一个上升沿，273就会把输入端的值赋给输出端，并保持到下一个上升沿的到来。

74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据

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