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简易数字频率计

郑州轻工业学院

课程设计说明书

题目：

简易数字频率计

姓名：

院（系）：

电气信息工程学院

专业班级：

电气工程及其自动12-02

学号：

*******

成绩：

时间：

2014年02月17日至2014年06月10日

郑州轻工业学院

课程设计（论文）任务书

题目简易数字频率计

专业电气工程12-02学号姓名

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

主要内容

1．阅读相关科技文献。

2．学习protel软件的使用。

3．学会整理和总结设计文档报告。

4．学习如何查找器件手册及相关参数。

技术要求

1.要求测量频率范围1Hz－100KHz，量程分为4档，即×1、×10、×100、×1000。

2.要求被测量信号可以是正弦波、三角波和方波。

3.要求测试结果用数码管表示出来，显示方式为4位十进制。

主要参考资料

1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月

2．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

3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月

4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月

5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003

完成期限：

2014年6月18日

指导教师签章：

专业负责人签章：

2014年2月16日

摘要

在当代电子设备中运用中，经常要测量一个波形的频率，然后对其进行分析研究。

为了测量频率，就要用到频率计。

在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。

频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。

正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。

数字频率计的设计包括时基电路、整形电路、控制电路和计数显示电路四部分组成。

由时基电路产生一标准时间信号控制阀门，调节时基电路中的电阻可产生需要的标准时间信号。

信号输入整形电路中，经过整形，输出一方波，通过阀门后，计时器对其计数。

当计数完毕，时基电路输出一个上升沿，使锁存器打开，计数器计数结果输入译码器，从而让显示器显示，达到测量频率的目的。

关键词：

频率计、时基电路、分频、计数、逻辑显示

第一章系统概述

第一节设计方案的选择

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。

一、计数法

计数法又称测频法，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。

如图1-1所示。

图1-1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。

二、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。

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。

第二节整体方框图及原理

其设计方案框图如图1-2。

图1-2数字频率计原理图

如图1-2所示此频率计的主体电路由时基电路、整形电路、锁存器电路和计数显示电路组成。

它的工作过程是由时基电路产生一标准时间信号控制阀门，调节时基电路中的电阻可产生需要的标准时间信号。

信号输入整形电路中，经过整形，输出一方波，通过阀门后，计时器对其计数。

当计数完毕，时基电路输出一个上升沿，使锁存器打开，计数器计数结果输入译码器，从而让显示器显示。

第二章数字频率计的硬件设计

第一节单元电路设计

一、整形电路

整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求的脉冲信号。

电路形式采用由555所构成的施密特触发器。

当输入被测波形后，经过整形电路后，输出可以被计数器计数的矩形波。

从而达到整形目的，其图示如图2-1

图2-1整形电路图

二、时基电路

时基信号控制计数器计数的标准时间信号，其精度在很大程度上决定了频率计的频率测量精度。

要求较高时，一般使用晶体振荡器通过分频获得。

在本设计中依然使用了555定时器构成了单稳态触发器，输入单脉冲，输出一标准时间信号，从而在时间上控制计数器计数的时间。

在此频率计中，时钟信号采用由555构成的单稳态触发器。

由一个按钮开关来产生脉冲源，其原理为悬空为高电平，按下开关产生低电平，松开又为高电平，从而产生一单脉冲。

图2-2单脉冲产生图2-3产生的波形

产生的单脉冲经单稳态触发电路，可以输出一标准时间信号。

通过调节R值可确定Tw的宽度。

通过确定Tw不同的宽度，从而达到换档的目的。

其计算公式为Tw=1.1RC。

其中确定C=0.001F。

当Tw等于1S、0.1S、0.01S和0.001S时，可求出R分别为909Ώ、90.9Ώ、9.09Ώ和0.909Ώ。

图2-4Tw示意图

同时在控制锁存器方面，在输出上加一个非门，在标准时间计数完毕，输出的是一个上升沿，此时打开锁存器，让计数器的计数结果通过锁存器。

在计数时，数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。

通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。

图2-5时基电路图

三、计数器

电路中的计数电路应用了四片74LS90异步计数器，它是二-五-十进

制计数器。

是下降沿触发计数。

它的工作原理是当6和7引脚有一个接地，2和3引脚全部接高电平时清零，所以此电路把7引脚接地，把所有2引脚接在一起连在一个开关上，开关接地，当开关打开，计数器清零。

开关合上，计数器正常工作。

图2-6计数器电路

四、锁存器

锁存器的作用是将计数器在计数时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定得显示此时计数器的值。

选用8D锁存器74LS273可以完成上述的功能，当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输入等于输出，即Q=D。

从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端，正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Q不变，所以计数期间，计数器的输出不会送到译码显示器。

图2-7锁存器电路

五、译码显示器

用4片74LS48驱动的7段LED显示

图2-8译码显示电路

第二节芯片功能介绍

一、74LS48的引脚及功能表

74LS48是控制七段显示器显示的集成译码电路之一，其引线排列图如图3-1所示。

A、B、C、D为BCD码输入端，A为最高位,Ya～Yg为输出端，分别驱动七段显示器的a～g输入端，高电平触发显示，可驱动共阴极发光二极管组成的七段显示器显示。

其它端为使能端。

它的使能端的功能如下：

一消隐输入

。

当

=0时，不论其它各使能端和输入端处于何种状态，Ya～Yg均输出低电平，显示器的七个字段全熄灭。

这个端子是个双功能端子，既可作输入端子，也可作输出端子。

作输入端子用时，它是消隐输入

；作输出端子用时，它是灭零输出

。

二灭零输出

。

为灭零输出。

当

=0，输入ABCD=0000时，

=0，利用该灭零输出信号可将多位显示中的无用零熄灭。

图3-174LS48引脚图

输入

输出

A3A2A1A0

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

×××

0000

×××

表3-274LS48功能表

二、555的引脚及功能表

555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。

输入

输出

Ｘ

０

导通

<（2/3）VCC

<（1/3）VCC

１

截止

>（2/3）VCC

>（1/3）VCC

１

导通

<（2/3）VCC

<（1/3）VCC

１

不变

图3-4555功能表

三、74LS90引脚图及功能表

74LS90逻辑电路图如图3-5所示，74LS90可以获得对称的十分频计数，办法是将QD输出接到A输入端，并把输入计数脉冲加到B输入端，在QA输出端处产生对称的十分频方波。

图3-574LS90引脚图

ResetInputs复位输入

输出

（1）

（2）

（1）

（2）

COUNT

图3-674LS90功能表

四、74LS00引脚图及功能表

74LS00是常用的2输入与非门集成电路，他的作用很简单顾名思义就是实现一个与非门。

图3-774LS00引脚图

输入

输出

Ａ

Ｂ

Ｙ

Ｌ

Ｈ

Ｌ

Ｈ

Ｌ

Ｈ

Ｌ

图3-874LS00功能表

五、74LS273引脚图及功能表

图3-974LS273引脚图及功能表

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，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。

D0～D7：

出入；Q0~Q7：

输出；第一脚WR：

主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；CP（CLK）：

触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0~D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0~D7的数据不变。

第三章结论

通过为期短短一周的课程设计，完成了本次简易数字频率计设计的技术要求，刚开始设计的时候，由于控制电路这部分比较难搞定，所以在连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。

最后连接控制电路，完成了整张电路图的设计。

个人总结

这次课程设计，是一次理论与实践的结合，也可以说让我们平时的积累得到一次施展，加深了对电子技术的理解，明白了所学知识的重要性和自己理论知识的欠缺，增加了自己对所学课程的兴趣。

因为以前没有做过类似的设计，在最初拿到题目的时候感到有些无所适从，但经过查阅过一些资料和看一些相关的例子，思路才逐渐清晰，能够在老师的指导下按照自己的思路设计出自己的电路图，并用altiumdesigner画出图形，这让我感到平时知识积累的重要性。

在拿到题目后，有些平时不努力的同学尽管很用心的去做，但也很难设计出自己的电路。

但那些基础好的同学却能较容易的做出来，所以说今后我要把平时的学习做得更好，知识的获得不是一朝一夕的，只能到平时的积累。

最后，我能顺利完成这次课程设计，不仅要感激老师平时的教导，尤要感谢指导老师的耐心指导，使他的指导才让我们的设计更加完善合理，并让我们从中学到很多实践知识。

参考文献

[1]何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月

[2]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

[3]王澄非，电路与数学逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月

[4]李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月

[5]康华光，电子技术基础，高教出版社，2003年

[6]张晓东吴有仓，电工实用电子制作，国防工业出版社，2005年1月

[7]彭介华，电子技术课程设计指导，高等教育出版社，1997

[8]李国丽，电子技术实验指导书，中国科技大学出版社，2000

[9]张庆双，电子技术基础、技能、线路实例，科学出版社，2006

附录1简易频率计时器

附录2元器件参数列表

开关

3个

导线

若干

电阻

若干

电源

若干

74LS48

4个

74LS90

4个

74LS273

2个

74LS00

1个

七段数码显示器

4个

555

1个

74LS04

1个

电容

2个

课程设计成绩评定表

评定项目

内容

满分

评分

总分

学习态度

学习认真，态度端正，遵守纪律。

答疑和设计情况

认真查阅资料，勤学好问，提出的问题有一定的深度，分析解决问题的能力较强。

说明书质量

设计方案正确、表达清楚；设计思路、实验（论证）方法科学合理；达到课程设计任务书规定的要求；图、表、文字表达准确规范，上交及时。

回答问题情况

回答问题准确，基本概念清楚，有理有据，有一定深度。

总成绩

采用五级分制：

优、良、中、及格、不及格

指导教师评语：

签名：

年月日

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