简易数字频率计论文.docx
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简易数字频率计论文
2010年湖南理工学院
大学生电子技能竞赛
设计论文
简易数字频率计
专业通信工程
班级08-2BF
成员李琴邓席如湛花
指导教师陈松
日期2010年11月25日
名称：
简易数字频率计
主要技术指标和要求：
信号波形：
方波；
信号幅度：
TTL电平；
信号频率：
100Hz~9999Hz；
测量误差：
≤1%；
测量时间：
≤1s/次，连续测量；
显示：
4位有效数字，可用数码管，LED或LCD显示。
*
可以测量正弦交流信号的频率，电压的峰－峰值VPP=0.1V~5V；
*
方波测量时频率测量下限10Hz，测量误差≤0.1%。
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。
在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，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。
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，以触发器和计数器为核心，由信号输入、隔直，触发、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D触发器构成一个秒信号，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，采用适当的放大和整形，提高了测量频率的范围。
方案讨论
一、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/TGTG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：
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、侧周法（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
N2的绝对误差为△N=±1
N2的相对误差为
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、T/M法
T/M法测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频信号进行计数，T/M法的测量原理图如图1
在确定的检测时间内，若对被测信号f的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2.但对fosc信号的计数，必须直到f信号在第一个计数器停止计数后的一个完整的f信号周期。
由此可得，N1个f信号周期的时间为T2=N2xTosc，故每个f信号周期的时间为T3=N2xTosc/N1，则有f3=1/T=N1/N2xTosc=N1xfosc/N2
T3的相对误差为（公式）
由T3的相对误差可知，T/M发测量的误差与信号频率成正比，与高频标准信号的频率成反比，但随f的增大，N1也在增大（在一定的检测时间内）。
由上式还可以看出，T3的相对误差实际上是由M法误差±f/fosc两部分组成。
二、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。
所以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。
M/T法具有以上两种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。
M/T法虽然结合了M法和T法各自的优点，在高、低频测量中都能得到较高精度，但M/T法在M法、T法的切换频率点处存在较大误差，且测量时问波动较大。
因此此设计用频率测量方法是测频法，
图1.原理框图
总体电路图
工作过程
1．放大整形电路
任意形式信号经过电压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．分频器
先通过74LS93进行8分频，在通过74LS290的分频功能实现十分频。
经过若干个十分频，将信号分为千赫兹百赫兹直到一赫兹，
3．计数寄存译码
经过分频后的方波信号进过与门进入计数器进行计数，74LS290十进制计数器实现计数这一功能，与74LS175实现寄存对计数器所记信号脉冲的个数进京锁存，便于读数，再由74LS48进行译码，将二进制代码按其编码时原意译成七个输出信号
4．显示电路
利用BS201LED显示器显示所计频率 的大小
单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算
一、放大整形电路
此设计选用电压比较器来对被测信号进行放大整形，电路图如图，在反相输入端接地，在同相输入端输入被测信号，在比较器的输入端进行模拟信号大小的比较，在输出端则以高电平或低电平来反映比较结果。
输出波形图如图
二、74LS290的外引脚排列图和功能表如图
74LS290功能表
输入
输出
R0
（1）
R0
（2）
R9
（1）
R9
（2）
CP
QD
QC
QB
QA
1
1
0
X
X
0
0
0
0
1
1
X
0
X
0
0
0
0
X
X
1
1
X
1
0
0
1
X
0
X
X
计数
0
X
0
X
计数
0
X
X
0
计数
X
0
0
X
计数
由表可知，该计数器的主要功能有：
·清零：
当异步清零端R0
（1）、R0
（2）为高电平，且置9端R9
（1）、R9
（2）中有一个为低电平时，计数器清零，即QDQCQBQA=0000
·置9：
当R9
（1）、R9
（2）均为高电平时，不管其他输入端状态如何，计数器置9，即QDQCQBQA=1001
·计数：
当R0
（1）、R0
（2）中有一个和R9
（1）、R9
（2）中有一个同时为低电平时，计数器在CP脉冲下降沿作用下进行技术操作。
74LS290管脚图
三、74LS48的外引脚排列图和功能表如图
74LS48功能
十进制
输入
输出
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
X
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
2
1
X
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
3
1
X
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
4
1
X
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
5
1
X
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
6
1
X
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
7
1
X
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
1
X
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
9
1
X
1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
10
1
X
1
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
11
1
X
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
12
1
X
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
13
1
X
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
14
1
X
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
15
1
X
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消影灭
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
零输入
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
灯测试
0
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
1
由表可知，74LS48具有以下特点：
1、消影（也叫灭灯）。
只要
接叠低电平，则无论其他各输入端为何状态，所有各端输入a~g均为低电平，显示器整体不亮。
2、当要求输入数字0~15时，消影输入应为高电平。
如果不要灭十进制数0，则灭0输入
必须接高电平。
3、测试功能。
当灯测试输入
接低电平，并且
保持高电平时a~g各端输入各位高电平，显示器显示数字“8”。
利用这一点常可用来检查显示器的好坏。
四、D触发器
CP
D
Qn+1
CP
D
Qn+1
0
1
×
×
Qn
Qn
0
1
0
1
该触发器的特点如下
CP=0或CP=1期间，触发器的输出状态均保持不变；只有在CP由0变为1时Q端才能跟着D输入端变化；
五、74LS175外引脚排列图和功能表如图
其中,RD是异步清零控制端。
在往寄存器中寄存数据或代码之前，必须先将寄存器清零,否则有可能出错。
1D～4D是数据输入端,在CP脉冲上升沿作用下，1D～4D端的数据被并行地存入寄存器。
输出数据可以并行从1Q～4Q端引出，也可以并行从1Q～4Q端引出反码输出
六、74LS93
在此设计中用74LS93作为8分频分频器
材料清单
稳压管1N47283V0一个
芯片74LS290十个
芯片74LS93一个
芯片74LS175四个
芯片74LS48四个
D触发器芯片74LS74一个
显示管BS201四个
两输入与门74LS08一个
电容30PF两个
大小为1000Ω的电阻两个
8MHz的石英晶体一个
设计制作的心得体会
回顾起此次电子技能竞赛设计，至今我们仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，让我们体会到了设计电路、连接电路、调测电路过程中的苦与甜，但是却可以学到很多很多的的东西。
我们不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
从图书馆、网上查找资料对电路设计及制作的成型，都对我们所学专业知识进行了检验，我们也从中懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，可以说得是困难重重，发现自己的不足还有很多，比如对以前所学过的知识理解得不够深刻，对模电数电的知识掌握地不够扎实，遇到了一些以前没有用过的元件，稳压管管脚不懂怎么放置，不懂得分二极管的正负极，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用，进一步得到了提升。
制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路焊接的要一步一步来，要求我们有一个比较正确的焊接方法。
在设计过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。
但是从中学到的知识会让我们受益终身。
发现、提出、分析、解决问题和实践能力提高都会受益于我们在以后的学习、工作和生活中。
参考文献
康光华《电子技术基础数字部分》高等教育出版社
张国云《电子技术基础实验教程》中南大学出版社
郁汉琪《数字电路实验及课程设计指导书》中国电力出版社
高吉祥《电子技术基础实验与课程设计》电子工业出版社
欧阳星明《数字逻辑》华中科技大学出版社
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