李冰华简易数字频率计课程设计成稿.docx

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李冰华简易数字频率计课程设计成稿

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一、课题名称与技术要求

<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

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码；显示：

把译码器的输出用数码管显示出来。

关键字：

比较器，闸门电路，计数器，锁存器，逻辑控制电路

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=N1TG。

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=±1N,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=±1f

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。

图1测频法原理图

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=1T=1（N2*Tosc）=foscN2

N2的绝对误差为△N=±1

N2的相对误差为&N2=（N2-N）N=（N±1-N）N=±1N

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。

图2测周法原理图

<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。

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

图3

<2>总体电路图

<3>工作过程说明

1．放大整形电路

任意形式信号经过发达电路和滞回比较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。

3．计数寄存译码

经过整形放大后的方波信号在与门1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74LS90清零结束，74LS273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，即计数器万位输出为0000，或非门1输出为1，2小数点LED2熄灭，单位灯LED1不亮，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，即计数器万位输出不为0000，小数点；LED2亮，单位灯LED1亮74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz；

3当计数值超过10KHz时，或非门1，2通过与门给JK触发器一个脉冲，JK触发器翻转，Q=1，蜂鸣器报警。

4当为①、②两种情况时，每经过1S的开门时间后，控制电路74ls123输出下降沿通过与非门2给计数器一个清零信号，使计数器全部清零，等待下轮开门时间计数；

5当出现③时，需要手动断开开关，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

利用七段数字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

此设计选用放大器3DG100对被测信号进行放大整形，电路图如图5.1.1

图5.1.1

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，计算式为T=（R1+R2+R滑）*C*0.7。

电路如图5.2.1

图5.2.1

555多谐振荡器的清零端接开关，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74LS90级联组成，低片的进位输出端分别作为相邻高片的CL0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2的输出端相连。

如图5.3.1

图5.3.1

计数器74LS90功能如表5-1所示

表5-1

R01

R02

（1）

（2）

0000

计数

图5.3.274LS90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~AB连在一起与或门1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~AB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，即万位计数器输出不为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

~AB

由表可知，74LS257具有以下特点：

（1）G=1时，输出高阻态。

（2）G=0，~AB=1时，选择将B口值赋给Y口输出，1Y2Y3Y4Y=1B2B3B4B。

（3）G=0，~AB=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八段数码管相连，清零端CLR都接高电平，脉冲cp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。

表5-3

输入

输出

CLR

CLK

74LS273功能表

注：

vcc=1时，cp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：

vcc=0时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；

（2）触发：

Vcc=1，cp为上升沿触发时，D1~D8的数据通过芯片输出给Q1~Q8；（3）锁存：

vcc=1，cp不是上升沿触发时，将数据锁存，D0~D7的数据不变。

图5.5.274LS273逻辑管脚图

<6>超量程报警

超量程报警由JK触发器和蜂鸣器和开关电路组成。

如图5.6.1

图5.6.1

置“1”端和J、K都接高电平，Q端接蜂鸣器（加了一个灯显示蜂鸣器是否处在报警状态），或非门输出端频率灯，清零端接开关电路cp接计数器最高位的进位端。

电路连接如图5.6.2

图5.6.2

接通电源前，JK触发器清零，当接通电源后，Q端保持低电平，Q非保持高电平，振荡器开始工作，计数器可以计数；

当计数不超量程时，最高位没有进位信号，Q保持低电平，蜂鸣器不响；

当计数器超量程时，最高位进位和十位进位位信号给JK触发器的脉冲，使触发器翻转，Q输出高电平，蜂鸣器报警。

只有手动断开开关才能结束报警。

表5-4

74LS112功能表

图5.6.374LS112逻辑管脚图

<7>单位LED1灯表示

在万位计数器相连的或非门出口处接一个LED灯，当万位为0000时或非门输出1，灯不亮，表示单位HZ，当万位不为0000时，或非门1输出0，LED灯亮，表示单位KHZ，实现了单位显示。

如图5.7.1

图5.7.1

<8>控制电路

控制电路由74LS123芯片构成，时钟信号输入后，控制电路开始计时，当时钟信号终了时，控制电路从1Q端口产生一个0.02s的上升沿脉冲，触发储存器，使之工作，当下一个时钟信号来临时，首先从-2Q端口输出一个0.02s的下降沿信号使计数器清零，而当下一个时钟终了时，上一个时钟的数才被改变。

固此控制器可以使数字显示1.25秒。

我们用此芯片时使电阻R=10k而电容C=4.7Uf，可计算出输出脉冲间隔为0.02s.在图上位置如图5.8.1所示：

图5.8.1

<9>材料清单

芯片

LM555

1个

74LS90

五个

74LS257

四个

74LS273

两个

显示管

八段数

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