数字频率计.docx
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数字频率计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
数字频率计
初始条件：
电子技术基础知识、电子技术实验室、Multisim仿真软件
要求完成的主要任务:
1.电路的原理图的设计
2.印刷版图的制作
3.设计电路的仿真，并给出仿真结果及分析
4.设计报告的撰写
时间安排：
序号
阶段内容
所需时间
1
选题，原理方案设计
2天
2
电路原理图、印刷版图的设计、电路的仿真
3天
3
撰写报告
1天
4
答辩
1天
合计
7天
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要1
Abstract2
1、课程设计任务4
1.1概述4
1.2课程设计目的5
1.3设计步骤与要求5
2、方案论证6
2.1方案一6
2.2方案二6
2.3方案三7
2.4方案比较8
3、数字频率计原理及技术指标9
3.1数字频率计测频的基本原理9
3.2、数字频率计的主要技术指标10
4、单元电路设计及参数计算11
4.1放大整形电路11
4.2时基电路12
4.3逻辑控制电路13
4.4锁存器14
5、数字频率计电路仿真及性能测试16
5.1系统仿真电路图16
5.2电路调试要点17
5.3仿真效果17
6、电路调试18
6.1单元电路调试18
6.2整机电路调试20
7、设计小结21
8、元器件清单24
9、参考文献24
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，设计了一个简单数字频率计，以触发器和计数器为核心，有信号输入、隔直、触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。
放大整形电路：
对被测信号进行预处理；闸门电路：
由NE555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：
计数器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。
关键词：
频率，集成电路，计数电路，双稳态触发器，译码电路
Abstract
Inthecircuit,thedigitalcymommeteristhecircuitoftimesequence,itismainlyformedbytriggerwithmemoryfunction.Inthecomputerandvariousdigitalinstruments,itiswidelyused.AmongCMOScircuitserialproducts,cymometerconsumptionmostheavy,varietyalotsfproduct.Thedigitalcymometerismeasuringinstrumentinscientificresearchsuchascomputer,communicationapparatus,audioandvideowithindispensableproductionfield,andthemeasurementschemewithalotofelectricparameters,resultofmeasuringallhaveaverycloserelation,so,themeasurementoffrequencyseemsevenmoreimportant.
Thissubjecthasmainlyexplainedthatchoosesintegratedcircuitasthekeydevice,hasdesignedasimpleandeasydigitalcymometer,regadtriggerandcounterascore,input,separatemoduleoffunctionmadeup.Enlargethecircuitofintegratedtype:
Tobecarriedonthepreconditioningbythesignalsfexaming;Theciecuitofthegate:
FormedasecondsignalbyNE556,seizethepulsenumberofenteringthecounterinunittime;Thebasesignalofhour:
Producethesignalforonesecond;Thedecither,countthepulsenumberinunittime,counttheresultofthedecimalcountertotranslateintoBCDyard;Reveal:
InchargeofrevealingBCDoneyardofdeciphersinthenumber.Designadoptmoduledesignmethod,adoptappropriateenlargeandwhole,haveimprovefrequencyofdesigning.
Keywords:
frequency,Integratedcircuit,Translatethecodingelectriccircuit,Counttheelectriccircuit,DualSchmittTrigger.
1、课程设计任务
1.1概述
频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。
本文。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。
电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。
数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。
如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。
因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器
数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。
一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。
数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广泛地深入到各个应用领域。
1.2课程设计目的
数字电路课程设计是数字电子技术的实践性教学环节，是对学生血腥数字电子技术的综合性训练，需要通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成。
1、综合运用电子技术课程中所学到的理论知识，独立完成这一设计；
2、通过查阅手册和文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力；
3、了解常用电子期间的类型和特性，缤纷掌握合理选用的原则；
4、学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法；
5、掌握电子仪器的使用方法；
6、学会撰写课程设计报告；
7、培养严肃认真的学习作风和严谨的科学态度；
1.3设计步骤与要求
1、拟定数字频率计的组成框图，要求设计优化，电器件少，功能多，成本低；
2、设计安装各单元电路，要求布线整齐美观，便于级联与调试；
3、按照给定的技术指标，检验数字频率计的测量是否满足要求；
4、画出数字频率计的整机逻辑电路图；
5、写出设计性实验报告。
2、方案论证
2.1方案一
利用软硬件相结合的方法，其主要部件有AT89C51单片机芯片、74HC164驱动数码显示寄存芯片、74LS48位选芯片，放大电路，计时电路，LED数码管和一些电容、电阻等组成，其原理图如下：
图2-1方案一原理框图
该方案可以测量多个通带的信号，通过同部门和功能切换部分电路进行分时复用。
用两个计数器实现时间计数和事件计数分不开。
在有必要队的显示其它通道的测量结果的时候，另一个通道的数据会被锁存在单片机里，并可以通过键盘进行相应的设置。
2.2
方案二
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。
2.3方案三
纯硬件的实现方法，系统采用由时基电路、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锁存器将所测的频率传给数码管，显示出来。
图2-2方案三方框图
2.4方案比较
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。
显然方案一要比方案二简洁、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。
但是方案一得具体电路在实现时比较繁琐，而且实现的高精度测量对软件的编写要求比较高。
方案二和方案三均可实现课题要求，且方案三可根据闸门时间选择量程范围。
而且方案三最大的特点就是全硬件电路实现，电路稳定性好、精度高、没有繁琐的软件调试过程，大大的缩短了测量周期。
根据实际实验现有的器件及我们所掌握的知识层面，我们选择采用方案三。
3、数字频率计原理及技术指标
3.1数字频率计测频的基本原理
所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1S）内变化的次数，若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为
f=N/T
图3-1是数字频率计的组成框图。
被测信号vX经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号A，其频率与被测信号的频率fX相同。
时基电路提供标准时间基准信号T，其高电平持续时间t1=1s，当1s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1s信号结束时闸门关闭，停止计数。
若在闸门时间内计数器计得的脉冲数为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L，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲R，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3-2所示。
3.2、数字频率计的主要技术指标
频率准确度：
一般用相对误差来表示，即
式中，
为量化误差（即±1个字误差），显然，当闸门时间T选定后，fx越高，量化误差就越小；
为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的准确度决定，
。
频率测量范围：
在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。
频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。
数字显示位数：
频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。
位数越多，分辨率越高。
测量时间：
频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。
4、单元电路设计及参数计算
4.1放大整形电路
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。
4.2时基电路
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），由定时器555构成的多谐振荡器产生。
若振荡器的频率0.8Hz，占空比80%，则振荡器的输出波形如图1中II的波形所示，其中t1=1s，t2=0.25s。
由公式t1=0.7（R1+R2）C和t2=0.7R2C，及电容C=10uF可计算出电阻R2=39kΩ，拟定R1=47kΩ、调试时可通过调滑动变阻器Rp值达到上述t1和t2的要求。
4.3逻辑控制电路
根据图1（b）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=1Rd=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”。
74LS123芯片资料
74LS123是常用的可重触发单稳态触发器，在各种数字电路和单片机系统的显示系统中常用。
74LS123引脚图
74LS123功能表
4.4锁存器
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。
74LS273芯片资料
5、数字频率计电路仿真及性能测试
5.1系统仿真电路图
5.2电路调试要点
（1）加电源电压+5v；
（2）用示波器检测时基信号是否正常输出；
（3）用示波器观察个闸门时间是否正确；
（4）用示波器观察单稳1和单稳2输出，并使之正常工作；
（5）检查计数器、锁存器、译码器、显示器，并使之正常工作；
（6）向闸门送方波信号，并检查频率计部分，使之准确计算频率；
（7）调节放大整形电路，使之输出合适的波形；
（8）整机联调，使频率计正常测频。
5.3仿真效果
如图所示，时基信号频率0.8Hz，输入信号80Hz时，示波器显示的分别是时基信号、闸门信号、锁存信号和清零信号。
仿真效果
5.4仿真测试
序号
输入信号频率（Hz）
测得信号频率（Hz）
误差
1
20
22
10%
2
50
52
4%
3
100
101
1%
4
300
286
1.3%
5
700
694
0.9%
6
1200
1223
1.9%
7
3000
3021
0.7%
8
5000
5015
0.3%
9
9600
9633
0.3%
6、电路调试
6.1单元电路调试
（1）器件检测用数字集成电路检测仪对所要用的IC进行检测，以确定每个器件完好。
如有兴趣，也可对LED数码管进行检测，检测方法由自己确定。
（2）电路连接在自制电路板上将IC插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。
电路连接完毕后，先不插IC。
（3）电源测试将与变压器连接的电源插头插入220V电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。
输出电压的正常值应为＋5V。
如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。
稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。
（4）基准时间检测关闭电源后，插上全部IC。
依次用示波器检测由U1与U3组成的基准时间计数器与由U2组成的触发器的输出波形，并与图3-2所示波形对照。
如无输出波形或波形形状不对，则应对U1、U3、U2各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。
（5）输入检测信号从被测信号输入端输入幅值在1V左右频率为1KHz左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。
如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。
（6）输入放大与整形电路检测用示波器观测整形电路U1的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为5V左右的矩形波。
如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。
如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。
（7）控制门检测检测控制门输出信号波形，正常时，每间隔1S时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。
如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常,并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。
如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。
（8）计数器电路的检测依次检测4个计数器74LS90时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差10倍。
如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。
正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。
通过检测与分析找出原因，消除故障。
如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。
（9）锁存电路的检测依次检测74LS273锁存器各引脚的电平与波形。
正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。
其中，第11脚的电平每隔1S钟跳变一次。
如不正常，则应检查电路，消除故障。
如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。
（10）显示译码电路与数码管显示电路的检测检测显示译码器74LS48各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。
通过检测与分析找出故障。
6.2整机电路调试
各部分连接成整机，用信号源产生一定频率的正弦波或锯齿波加在信号输入端，接通电源后观察数码管是否能显示相应频率，若不能再检查各部分电路是否连接正确，各接口处是否连接牢固，各器件是否供电，各单元电路输入输出是否正确，可以用示波器观察各单元电路的输出，如果输出错误再对该部分及其前级电路进行检查直到查出问题并将其解决为止。
若能显示频率但误差比较大，要对电路参数进行调整，主要是对时基信号的调节，确保时基信号的准确性。
7、设计小结
经过两个期的课程设计，通过过对各种资料的查阅，我发现了动手的乐趣。
以前所学的知识都被局限于课本之中，这次通过课程设计我体会到了，只要勇于探索和吸收，知识是无边无境的。
在整个课程设计完后，总的感觉是非常有收获。
以前上课都是上一些很基本的东西，而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。
在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西。
在这个过程中遇到了很多问题，比如如何画图，如何组织那种专业语言，上网、到图书馆查找相关的资料。
虽然很费劲，但是其乐无穷。
通过此次的设计，我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非常高，我相信在今后的学习和工作，它也占据着非常重要的地位。
课堂中的学习是远远不够的，我们还需要自己吸收和再学习，不断的探索和研究。
这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。
不仅如此，我想要完个任务，不能只局限于自己所学的知识中各个方面都有涉猎，提高自上的综合能力，这样才能取得长足的进步。
通过此次的设计，我也领略到了团队精神的可贵。
我的专业知识学习的不扎实，在设计的过程中，会遇到各种问题。
这时我就会向同组同学请教，共同完成这个设计。
尽管如此，设计中仍会有我们未发现的问题，感谢老师的悉心指正。
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次设计将成为我学习旅途中一个美好的回忆。
8、元器件清单
序号
型号
名称及功能
数量
1
NE555
定时器
2
2
七段共阴数码管
4
3
74LS123
单稳态触发器
2
4
74LS273
8D数据锁存器
2
5
74LS48
四线—七段译码器
4
6
74LS90
计数器
4
7
74LS00
四位两输入与非门
1
8
50K电位器
1
9
50欧电阻
4
10
10K电阻
4
11
3.3K电阻
2
12
36K电阻
1
13
90K电阻
1
14
10u电容
1
15
10n电容
2
16
7.5n电容
2
17
电键
1
9、参考文献
【1】《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社；
【2】《数字电子技术基础》第一版，伍时和主编，清华大学出版社；
【3】《新型集成电路的应用--电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社；
【4】《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社。
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