简易频率计.docx
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简易频率计
1设计分析
1.1引言
课程设计是在我们完成了数字电路和模拟电路课程学习后，为加深对课程内容的理解，提高同学们运用基本原理的能力进行的一次综合运用所学知识进行独立设计并完成设计的大型实验，有助于提高大家的动手能力和分析思考解决问题的能力。
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。
该设计由放大整形电路、时基电路、逻辑电路、锁存器电路、译码显示电路等电路组成，通过对被测信号整形使信号变成矩形波，便于脉冲计数器对其计数从而测量出一定阀门时间内的脉冲个数，达到测量频率的目的。
当计数器溢出后手动调整阀门时间，实现换挡功能。
该设计能够测量正弦波、三角波和方波的频率，并在LED上显示出来，显示方式为4位十进制。
1.2方案分析与论证
1.2.1频率计模块
采用频率计模块（如ICM7216）构成,特点是结构简单,量程可以自动切换，ICM7216内部带有放大整形电路,可以直接输入模拟信号。
外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。
用转换开关选择10ms,0.1s,1s,10s四种闸门时间,同时量程自动切换。
缓冲电路是为了让频率计采用记忆方式,即计数过程中不显示数据,待计数过程结束后,显示测频结束,并将此显示结果保持到下一次计数结果,显示时间不小于1s,小数点位置随量程自动移动。
芯片驱动电路输出15mA—35mA的峰值电流,所以在5V电源下可直接点亮LED。
1.2.2单片机内部计数器
系统采用MCS——51系列单片机8032作为控制核心，门控信号由8032内部的计数定时器产生，单位为1µs。
由于单片机的计数频率上限较低（12MhZ晶振时约500khz），所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，8032则完成运算、控制及显示功能。
由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。
1.2.3石英振荡
本系统采用可控制的计数、锁存、译码显示系统，石英晶体振荡器及多级分频系统，带衰减器的放大整形系统和闸门电路四部分组成。
由晶体振荡器，多级分频系统及门控电路得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控信号，当门控信号到来，闸门开启，周期为TX的信号脉冲和周期为T的门控信号相“与”通过闸门，在闸门输出端产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，直到门控信号结束，闸门关闭。
单稳1的暂态送入锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，计数器停止计数并被单稳2的暂态清零。
若取闸门时间T内通过闸门的信号脉冲个数为N,则锁存器中的锁存计数。
测量频率可直接从数字显示器上读出。
1.2.4555时基电路
系统采用由555时基电路、放大整形电路、逻辑控制电路和数码显示器四部分组成。
时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），经过74LS47和74LS00放大整形，由74LS90十进制计数器和74LS273锁存器将所的频率传给数码管，显示出来。
以上方案均需使用小信号放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。
方案比较及选用依据：
显然方案二要比方案一简洁、新颖，但从系统设计的指标要求上看，要实现频率的测量范围1Hz-10kHz。
以频率下限1Hz比来说，要达到误差〈0．01％〉的目的，必须显示5位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到达个测量精度，需要主门连续开启1000S，由此可见，直接测频方法对低频测量是不现实的。
采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题，实现课题要求。
也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。
方案三和方案四均可实现课题要求，且方案三可根据闸门时间选择量程范围。
根据实际实验现有的器件及我们所掌握的知识层面，我们选择采用方案四。
2原理图分析
2.1原理图框图
图1
2.2工作原理
图1（a）是数字频率计的组成框图。
被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率相同。
时基电路提供标准时间基准信号II，其高电平持续时间Tw=1秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。
若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=NHz。
逻辑控制电路的作用有两个：
一是产生锁存脉冲IV，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。
各信号之间的时序关系如图1（b）所示。
2.2.1电源电路
220V交流电通过变压器降为12V，然后经过整流桥后变为脉冲直流电，经过7805稳压块后变为标准5V直流电。
电路如图3.2.1所示。
图2.2.1整流稳压电路
2.2.2时基脉冲产生分频电路
图2.2.2
第一部分为555定时器组成的振荡器（即脉冲产生电路）,要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:
f=1.43/（（R1+2*R2）*C）,因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R3取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。
在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。
第二部分为分频电路,利用三个十进制加计数器构成三分频选择电路，同时可以得到10分频，100分频和1000分频，可以得到三个不同的闸门时间。
利用不同的闸门时间可以测量1Hz到100Hz的频率范围。
此电路不仅有标准时钟脉冲产生电路，还有分频电路，分频信号需要手动调节档位。
将所产生的信号脉冲作为闸门信号测试被测信号的脉冲个数。
2.2.3被测信号输入端
图2.2.3
放大整形电路由晶体管3DG100（也可用741，LM324等放大器件）与74LS00等组成，放大倍数可根据需要进行调整。
其中3DGl00组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。
2.2.4逻辑控制电路
.图2.2.4
根据所示波形，在计数信号II结束时产生锁存信号IV，锁存信号IV结束时产生清“0”信号V。
脉冲信号IV和V可由两个单稳态触发器74LS123产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
设锁存信号IV和清“0”信号V的脉冲宽度tw=0.45RC=0.02s。
若取R=10kΩ则C=t/0.45R=4.4F。
由74LS123的功能表可得，当1B=
=1时，触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q1可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图1所示的波形IV和V的要求。
手动复位开关S按下时，计数器清“0”。
2.2.5七段数码管显示电路
图2.2.5
锁存器的作用是将计数器在1s结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
如图1（b）所示，1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号IV，将此时计数器的值送译码显示器。
选用两个8位锁存器74L273可以完成上述功能。
当时锁存信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
高电平结束后，无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。
所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。
2.2.6计数溢出报警电路
图2.2.6
根据被测信号的频率，如果计数器产生溢出，则此处的二极管灯亮，同时可以手动将计数器清零，同时把闸门控制信号分频调高测得更高的频率信息。
此电路没有使用数码管小数点自动移位电路实现自动测量功能，更好的电路改善方案是设置自动溢出换挡电路，实现溢出之后自动换挡功能。
2.3完整电路图
3心得体会
在将近一个星期的课程设计时间里，我学会了很多东西，从查找相关资料建立项目的流程图，再到确立方案画图总结，这其中每一步都需要认真、严谨，即使整体框架已经设计好了，但是某一处出现了错误都有可能导致整个电路的设计错误，从而不能将原先的设计变成一个事实，虽然我设计的这个项目最后并不是非常完美，但是很大一部分都是通过自己的学习和构思完成的，其中也有和小组成员一块谈论的成果，完成这个毕业设计之后，我深刻的认识到理论与实践的辨证关系，虽然对课本上的基础知识有了初步的掌握，可是却不能随心所欲的使用所学，为我所有，课程设计将理论与实践更贴切了，也让我的逻辑思维得到了提高，使我认识到处理任何事情都必须仔细分析，严格推理。
此外，在画电路图时候，我用到了protel99，它是一种国际通用的做电路图的方法，应用非常广泛，是我们自动化生必须掌握的一门课程，本次毕业设计使我对它的应用有了更熟练的掌握和运用。
通过这次课程设计，我对我们自动化专业的学习都进了一步。
也从中了解到自己知识的欠缺，大学的课堂是丰富多彩的，同时也是单一而又深入的，我们不仅要学习专业基础、专业技能，更要学习如何去学习和更高效的学习，只有好学、会学、严于学才能学到真正的知识，我们将要进入大三了，课程紧张任务繁重，这次课程设计无疑也更我们一个警示，只有更好的掌握基础知识才能将所有的知识都能串起来，也只有将所有知识串起来了才会精而广，才能做到真正的经世致用。
参考文献
[1]康华光，电子技术基础，高教出版社，2003。
[2]李银华，电子线路设计指导，北京航天航空大学出版社，2005年6月.
[3]何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月。
[4]臧春华，电子线路设计与应用，高等教育出版社，2004年9月。
[5]姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月。
[6]陈有卿555时基集成电路和应用机械工业出版社；
附录1元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
74LS90
4个
74LVC161为十进制自制计数进位器，结合我们这学期所学数电知识。
2
74LS48
4个
3
74LS273
2个
4
74LS00
7个
5
74LS48
4个
6
74LVC161
3个
7
555
1个
8
R1
47kΩ
2个
9
R2
10kΩ
3个
10
R3
39kΩ
2个
11
R4
1kΩ
1个
12
R5
47kΩ可调
1个
13
R6
100kΩ可调
1个
14
R7
3.3kΩ
1个
15
C1
10uF
1个
16
C2
4.7uF
3个
17
C3
100uF
1个
18
C4
10nF
1个
19
3DG100
Β=100
1个
附录2部分器件引脚排列图和功能表
74LS90的外引脚排列图和功能表如图
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
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
·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计数操作
。
74LS290管脚图
74LS123的外引脚排列图和功能表如图
功能表：
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。
数码管原理图
数码管功能表：
对应管脚
显示
7
C
4
E
6
小数点
5
D
1
G
10
A
2
F
9
B
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
2
1
0
1
0
0
0
1
0
3
0
1
1
0
0
0
1
0
4
0
1
1
1
0
1
0
0
5
0
1
1
0
0
0
0
1
6
0
0
1
0
0
0
0
1
7
0
1
1
1
1
0
1
0
8
0
0
1
0
0
0
0
0
9
0
1
1
0
0
0
0
0
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