数电课程设计数字频率计.docx

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数电课程设计数字频率计

目录：

一摘要……………………………………………………………………2二设计原理及方案………………………………………………………3

1.、设计方案…………………………………………..…………………4

2．设计原理…………………………………………..…..………………5

三单元电路……………………………………………..…….……………7

1.输入信号电路…………………………………………….……………7

2.时基和闸门电路…………………………………………….………8

3.逻辑控制电路………………………………………………………11

4.锁存器和清零………………………………………………..………11

5.计数电路设计………………………………………………………12

四元器件清单……………………………………………………………14

五整体电路……………………………………………….………………15

参考文献………………………………………………..……………………17

体会心得…………………………………………………18

摘要

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，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。

本次课程设计的目的是根据已经学到的知识，按照这次课程设计的要求设计一个简易的数字频率计，要求频率计范围内能测出所输入信号的频率。

测量频率的方法有多种，中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，其以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。

电子计数器测频有两种方式：

一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。

根据设计的要求我是按照第一种方法设计的，是直接测频法。

可以见一定范围内的信号输入后直接测的信号的频率。

关键词：

逻辑控制，计数器，门控信号。

一设计原理及方案

数字频率计就是直接用十进制的数字来显示被测信号频率。

可以测的方波的频率，通过放大正行处理，它可还以测量正弦波、三角波和尖脉冲信号的频率。

所谓频率就是在单位时间（1s）内周期信号的脉冲个数。

若在一定时间间隔T内测得周期信号的脉冲个数N，则其频率为f=N/T，据此，设计方案框图如图1所示：

图1数字频率计组成框图

图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率fＸ。

，时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号也就是闸门信号持续时间也会等于1s。

闸门电路由闸门信号进行控制当闸门号到来时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门被送到计数器译码显示电路。

闸门信号结束时，闸门关闭，计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fＸ=NHz。

1、设计方案

根据设计要求，简易数字频率计的工作原理方框图如图2所示：

图2设计原理方框图

首先，被测信号经放大整形处理后，会得到与输入信号频率相同的方波；然后时基电路产生的闸门信号，与处理后的被测信号一起送入闸门电路，若是闸门信号关闭，被测信号不能进入计数器，当闸门信号开启时，当被测信号被送入计数器时，计数器开始计数，后面的锁存译码电路，最后显示出所测信号的频率。

根据课题的要求，首先需要确定满足测量要求的测量方法。

由测量原理与方法可知，可用的测量方法由两种，一种是测周法，另一种是测频发。

测周法适用于低频信号的频率测量，测频发适用于较高频率信号的频率测量。

但是由于用测周法所获得的信号周期数据，还需要求倒数才能得到周期的频率，数字电路中用大多时二进制单位，所以求倒数不太容易实现。

因此本实验采用的是测频法，测周法不适合这个实验。

2、设计原理

由逻辑电路组成的频率计，大多是由中小规模的集成芯片按照逻辑原理组合而成，其结构复杂，组装、调试比较麻烦；但是我们所学的知识大部分是集成芯片，所以只用中小型规模的集成芯片组成的逻辑电路，有多个单元组成而成的简易数字频率计。

图3（a）原理方框图

测频法：

又称为M法测量频率的原理框图如图3（a）.测量频率共有4个档位。

被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。

时基信号由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。

被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。

对频率是f的周期信号，测频的实现方法，是有一个标准闸门信号（闸门宽度为Tg）对周期信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N1时，其信号的频率为：

f=N1/Tg，式中Tg为标准闸门的宽度（s），N1是由计数器记录的脉冲个数（重复周期数）。

如图（3）所示：

图3（b）

测量电路在检测到脉冲信号的上升沿的时候打开计数器,并且在检测到下降沿的时候关闭计数器,设脉冲宽度为Tg,计算公式为:

Tg=N1/f。

三单元电路设计

1.输入信号电路

其作用是将接收到的各种被测信号（如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化的波形）并加以放大、整形，转换为为计数器所要求的脉冲信号，但是被测信号的频率并不发生改变。

将其他波形的信号变换成脉冲波形的信号电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等，其中施密特触发器的应用较多。

电路形式采用555构成的施密特触发器，电路原理如图4（a）所示。

图中R1与R2的作用是将被测信号进行电平移动，因为555构成的施密特触发器的上触发电平UT+=2/3Ucc，下触发电平UT=1/3Ucc，如图4（b）所示。

4（a）原理图

图4（b）波形图

输入信号的直流电平Uxo应该满足下列关系1/3Ucc

输入信号的幅度Uxm与直流电平Uxo和回差△UT有关，一般说来，△UT越小，对输入信号的幅值Uxm要求越小，如果需要减小回差，可以在555的控制端CO接入一个正电压。

如果取+Ucc=+5V,回差△UT=1.67V。

对于图4（b）所示的波形图，若取Uxo=1/3Ucc+1/2△UT=2.5V,则输入信号幅度为Uxm>1/2△UT=0.83V.为使Uxo=2.5V，对于图4（a）所示电路，则取R1=R2=10KΩ。

2.时基和闸门电路

如图3所示，闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器的个数就是由闸门信号决定的，闸门信号的精度很大程度上决定了频率计的频率测测量精度。

当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。

本次频率计的设计要求精度不是太高，因此在频率计设计中，我选用的是时基信号采用555定时器构成的多谐振荡器电路，当标准时间信号（高电平）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器开始计数；标准时间脉冲结束时（为低电平），闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。

如图5所示

准时基为0.001s的脉冲是由555定时器构成的多谢振荡器电路产生的，由555定时器构成的多谐振荡气的周期计算公式：

t=t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比为：

D=t2/t1+t2=R2/R1+2R2<50%，t1为正方波的宽度，t2为负方波的宽度；若取振荡器的频率f0=1/t1+t2=0.8HZ,则振荡器的输出波形如图6所示，其中t1=1s，t2=0.25s

图5多谐振荡器

图6

振荡器由555定时器组成，有振荡器产生的标准信号在经过分频器分频后来进行不同档位之间的转换，从而实现了多档之间的转化。

由公式可以推导出多谐振荡器的占空比，由振荡器的振荡周期来推导出多谐振荡器在稳定工作时的振荡频率，再通过分频器来实现x1000,x100,x10和x1档之间的转换。

3.逻辑控制电路

根据图3（b）所示时序波形，在标准时间信号即闸门信号结束时所产生低电平用来产生锁存信号，因为由555定时器组成的单稳态电路是低电平有效，即在闸门信号结束时产生锁存信号。

同时锁存信号经过非门产生清零信号。

锁存信号的脉冲宽度由本身电路的时间常数决定，锁存信号由两个反相器产生的清零信号恰好有时间差，即在锁存信号产生后再产生清零信号，由此可知这两个脉冲信号可由单稳态触发器产生，其电路如图3所示

图7控制电路

4.锁存器和清零

锁存器的作用是将计数器在计数结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。

因为计数器在1s内要计算成千上万个输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读数。

当计数器计数结束时，逻辑控制电路会产生锁存信号，将计数器此时的值送到译码器，因此经由显示器的数字是稳定不变的。

在本次试验中我选用的两片8D锁存器74LS273可以完成上述锁存功能。

74LS273的真值表如表1所示。

表174LS273真值表

当时钟脉冲CP的上升沿到来时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。

从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位、千位的输出值送到锁存器的输出端。

正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端Q的状态仍然保持原来的状态。

所以在计数周期内，计数器的输出不会送到译码显示器。

清零信号是在计数器的计算值送锁存后，为了下次计数而把计数器进行清零，所以在锁存信号发出后，利用反相器的功能得到一个对计数器清零的延时信号。

5.计数电路设计

数字频率计的核心内容就是电子计数器,近年来大规模的集成电路得到广泛的应用,在电子计数器电路上也是如此,我用的计数器是小集成块74LS290。

计数器74LS290是二—五—十进制计数器选用集成电路74LS290进行设计较简便。

（a）二进制：

CP1输入端接计数脉冲，Q1为输出端；

（b）五进制：

CP2输入端接计数脉冲，Q2-Q4为输出端；

（c）十进制：

Q1与CP2相连，CP1接计数脉冲，输出端为Q1_Q4；

（d）只有在Ro1*Ro2=0和R9a*R9b=0时，计数器在计数脉冲作用下（下降沿）实现其功能。

图874290的管脚图和原理图画法

当74290为十进

制接法如右图9

四元器件清单

元件

数量

元件

数量

555定时器

3片

反相器

1片

0.01μF电容

4个

74HC160

4片

10μF电容

1个

5V直流电源

4个

拨盘开关

1个

其余电阻

若干

与门

1个

分频器

4个

数码管

4个

74LS290

4片

74LS293

2片

7448

4片

五整体电路图

参考文献

（一）何小婷，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月

（二）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

（三）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

（四）李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，1999年10月

（五）康华光，电子技术基础，高教出版社，2003

心得体会

刚接到课程设计的时候完全没有思路，不知该如何下手，好像自己学到的东西一点都用不上，后来经过翻阅资料就有了思路，在整个课程设计完后，总的感觉是：

有收获。

在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：

如何利用现有的元件组装得到设计利用计算机来画图等等。

在学习中的小问题在课堂上不可能犯，在动手的过程中却很有可能犯。

特别是在接电路时，一不小心就会犯错，而且很不容易检查出来。

但现在回过头来看，还是挺有成就感的。

我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴

我学到了课本上没有的东西，还知道课本上的知识也是很重要的，在你完全没有思路的时候课本会给我很多灵感，这在以后的学习和生活中会有很大的用处，增强了我的动手能力和实践能力，但是我还有不足，我会在以后的学习中逐步提高，做一个动手能力强的大学生。

头来看，还是挺有成就感的。

我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴。

再此，还得感谢老师给了我们这次动手实践的课题，使我明白了很多，让我觉自己学到的知识是这么的有用，还了解了在实际的应用中许多应该注意的但没有注意到的问题，这对以后的应用实践有很大的帮助。

还得感谢在这次的课程设计中和我同组的同学，是他们给了我很多启发，然我能顺利的完成实验课题。