数字式频率计设计.docx
《数字式频率计设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字式频率计设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数字式频率计设计
数字式频率计的设计
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，因此频率的测量显得更为重要。
数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一，同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器。
数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。
数字频率计用于测量信号（方波，正弦波或其他周期信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量速度快，读数直观，使用方便等优点。
测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点。
本次设计的数字频率计以555为核心，采用直接测频法测频，能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等。
根据显示的频率范围，用4片10进制的计数器构成1000进制对输入的被测脉冲进行计数；根据输入信号的幅值要求，所以要经过衰减与放大电路进行检查被测脉冲的幅值；由于被测的波形是各种不同的波，而后面的闸门或计数电路要求被测的信号必须是矩形波，所以还需要波形整形电路，通过这些整体要求，由显示部分，计数部分，逻辑控制部分，时基电路部分，构成简易的频率计的设计。
一．设计任务和要求
1.设计任务
设计一个数字式频率计。
2.设计要求
1、能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频率；
2、能直接用十进制数字显示测得的频率；
3、频率测量范围：
1HZ—10KHZ且量程能自动切换；
4、输入信号幅度范围为0.5—5V，要求仪器自动适应
5、测量时间：
t≼1.5s
6、电源：
220V/50HZ的工频交流电供电；
（注：
直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）
7、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。
发挥部分：
1、测量频率范围为0.1-10KHZ；
2、输入信号幅度范围为0.1—100V，要求仪器自动适应；
3、用数字频率计测量信号周期。
二．系统设计
1.系统要求
数字频率计的原理：
频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。
其最基本的工作原理为：
当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。
式中f——频率。
N——电振动次数或脉冲数。
t——产生N次电振动或脉冲所需要的时间。
原理图如下所示：
译码显示器
逻辑控制电路
↑
锁存器
→
计数器
闸门电路
↑
→
→→↑↑
↑↑
∣↑被测信号
2.方案设计
根据设计的要求，和数字式频率计的设计原理，信号之间的时序关系图，选择正确的方案。
首先，必须把各种被测信号通过放大整形电路，使其成为规矩波，这是计数的基础和前提。
其次，实现频率测量的另一必备环节是时基电路控制电路。
所谓时基控制电路，就是产生时间标准信号的电路装置，产生1s的闸门时间，在1s内统计脉冲数，即测得的频率。
时基电路可以有晶振组成，也可以由555定时器组成。
晶振产生较高的标准频率，经分频器后可获得各种时基脉冲（1ms，10ms，0.1s，1s等），时基信号的选择由开关S2控制。
被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端，如果被测信号为方波，放大整形可以不要，将被测信号直接加到主控门的输入端。
时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间内（时基信号的一个周期），输入信号才通过主控门。
若时基信号的周期为T，进入计数器的输入脉冲数为N，则被测信号的频率f＝N/T，改变时基信号的周期T，即可得到不同的测频范围。
当主控门关闭时，计数器停止计数，显示器显示记录结果。
此时控制电路输出一个置零信号，经延时、整形电路的延时，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次取样作好准备，即能锁住一次显示的时间，使保留到接受新的一次取样为止。
由于在理论学习中学习了555芯片，所以为了能更好的联系学习的理论知识，本次设计选用555做成标准时间信号发生器。
一般计数器则采用十位计数器，N进制的计数器也就是N分频器，其N进位信号也可作为N分频信号。
根据原理图，被测量信号经过放大与整形电路传入十进制计数器，变成其所要求的信号，此时数字频率计与被测信号的频率相同，时基控制电路提供标准时间基准信号，此时利用所获得的基准信号来触发控制电路，进而得到一定宽度的闸门信号，当1s信号传入时，闸门开通，被测量的脉冲信号通过闸门，其计数器开始计数，当1s信号结束时闸门关闭，停止计数。
根据公式得被测信号的频率f=N/T。
3.系统工作原理
根据数字频率计的设计原理，和选择的方案，得出如下算法设计：
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。
可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。
图2-2是根据算法构建的方框图。
输入电路：
由于输入的信号可以是正弦波，三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。
当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。
周期测量：
测量周期的原理框图测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。
方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。
将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。
计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。
用时间Tx来表示：
Tx=NTs式中：
Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。
时基电路：
时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为
T1=0.7（Ra+Rb）CT2=0.7RbC
重复周期为T=T1+T2。
三．单元电路设计
1.时基电路部分
时基电路部分电路如下：
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/（（R33+2*R32）*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,主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。
4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。
计数器在脉动模式可级联，通过将Q³连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。
555定时计数器的接线图如下所示：
本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3.2.1所示。
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
引出端符号：
地GND；触发TRI；输出OUT；复位RST；
控制电压CON；门限（阈值）THR；放点DIS；电源电压VCC
改变电阻和电容的值，可改变输出脉冲宽度，从而可以用于定时控制。
电路的脉冲宽度表达式为TW=1.1RC。
取R2=1.5，R1=4.3Ω，根据1.1RC=2，则有C=10.1uf，所以取10uf。
74LS90是二，五，十进制异步计数器。
异步计数器如果设定
初态，在每个脉冲的作用下是按顺序变化的（态序）。
二进制计数
器的每一状态相当一最小项，当最后一个脉冲到来后，电路返回原
状态。
接通电源后，电容被充电，当
上升到
时，使
为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过
和T放电，
下降。
当
下降到
时，
翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当放电结束时，T截止，
将通过
、
向电容C充电，
由
上升到
所需的时间为
当
上升到
时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
其振荡频率为
由NE555的三脚产生脉冲使74LS160计数，但74LS160计数到9时TC端产生进位脉冲开启计数器的计数功能，一秒之后计数器处于保持状态。
2.计数显示部分电路
由共阴极数码管负责数字的显示，还有七段译码器4511，计数器74LS90构成，各芯片的资料如下所示。
由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。
为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
首先是对数码管的显示进行了调测。
显示电路的调测
由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。
为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
首先是对数码管的显示进行了调测。
如图所示接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。
然后将4511的5端接地。
然后给4511的对应端分别接高低电平，数码管就会显示对应的数字。
同样，还有两个数码管也按上图接好。
接好后的测试方法同上。
这样，显示电路也就搞好了。
其中有关于4511BD芯片的功能介绍如下：
CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器，常用的显示译码器件，MAX7219和他功能差不多。
CD4511引脚功能：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
LT：
3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮全部显示。
它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。
CD4511引脚资料：
计数电路按照图4-2所示连接好，将74160的PT端，~CLR端，~LD端都接高电平，3个74160级联，构成异步十进制计数器。
同时4511的5端要接0，在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面数码管一直不显示数字。
接好后，给最低位的74160一个CP信号。
让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。
这样，计数器就开始计数了。
数码管从0000~9999显示。
计数电路就这样搞好了。
在调测的过程中，74160的~CLR端，~LD端，4511的5端都是用临时的线连接。
因为在后面这些端都是连接控制电路产生清零、锁存信号的输出端。
3.控制电路设计如下
其中U14得到整形后的信号波形和U16输出的波形，再通过7408输出脉冲信号，而U17输出脉冲信号送往LD端，作为质数信号和时基信号相对应进行计数。
控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。
它的一个输入端接秒信号，一个输入端接被测脉冲。
控制门可以用与门或或门来实现。
当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数被测信号通过7400组成的施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出。
通过由7408组成的控制门送计数器计数。
为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在7400的输入端并接两个保护二极管。
四．电路仿真分析
如图3-2所示，555产生的4Hz的信号经过三次分频后得到2个频率分别为2Hz和1H
电源结构如上图所示
五．元器件的选择及参数确定
0.01μF电容
1
74LS112
1
10μF电容
1
74LS160
4
LM555CM
1
CD4511
4
1.5KΩ
1
74LS00
1
4.3KΩ
1
74LS08
1
共阴级七段数码管
4
1.电路调试
整体电路如图所示：
2系统功能及性能测试
时基电路的调测
首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1=4.3KΩ，R2=1.5KΩ，C=1μF。
把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为1KHz。
同时输出信号的频率也要稳定。
测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信号。
测出来的信号频率和理论值很接近。
由于是将示波器的测量端分别测量每个原件的输出端。
4.2显示电路的调测
由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。
为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。
图4-1显示电路调测连接图
如图4-1所示接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。
然后将4511的5端接地。
然后给4511的6217端分别接高低电平，数码管就会显示对应的数字。
比如6217分别接1000，那么数码管就对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。
接好后的测试方法同上。
这样，显示电路也就搞好了。
由调试波形可以知道电路设计是正确的。
这部分是测量频率的功能。
同时控制电路还要实现测量周期和脉宽的功能，在前面已经说明的如何测量周期的算法，它的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为闸门信号。
最后是测量脉宽部分的调测。
测量脉冲宽度的原理与测量周期的原理十分相似。
所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间。
在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期，并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。
如图4-8所示，与图4-7对比一下，会发现PT信号，~CLR端信号，锁存信号的脉宽为4-7图中对应的波形脉宽的一半。
那么最终数码管显示的数字应该是25.实际的测量值也与理论值非常接近。
那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。
到这里，会发现控制电路这个模块在这个课程设计中占的分量。
也是整个设计过程的精华所在。
把控制电路这部分搞定，那么本次的课程设计也就基本完成了。
3.电路安装
购买适当的元器件（见附录），一般还应必备直流稳压电源和万用表，搭建电路进行试验。
一、首先是对器件的选择。
在前面的分析过程中，对每一个器件都进行了分析和比较，前提考虑的是能不能符合要求，即实用性；其次是它的经济性。
同时所需装备有电烙铁，5V电源，电路板选择也要尽可能方便实用，我们这次所选择电路板每四个孔用铜连到一起，所以在焊接电路板元器件的时候会节约很多的线，而且连接起来的线会看着很整齐。
二、对所需要的元器件进行布局。
在设计装配方式之前，要求将整机的电路基本定型，同时还要根据整机的体积以及机壳的尺寸来安排元器件在印刷电路板上的装配方式。
选择好电路板之后，就要对所用到的芯片以及开关等元器件进行分配布局，按照从左到右，从上到下的原则。
具体做这一步工作时，可以先确定好印刷电路板的尺寸，然后将元器件配齐，根据元器件种类和体积以及技术要求将其布局在印刷电路板上的适当位置。
分配均匀，整齐。
对于本课程设计—八路呼叫器，设计电源从左边接入，接地也是从左边接入。
三、对电路板的焊接
焊接是制造电子产品的重要环节之一，如果没有相应的工艺质量保证，任何一个设计精良的电子产品都难以达到设计要求。
在科研开发、设计试制、技术革新的过程中制作一、两块电路板，不可能也没有必要采用自动设备，经常需要进行手工装焊。
在大量生产中，从元器件的筛选测试，到电路板的装配焊接，都是由自动化机械来完成的，例如自动测试机、元件清洗机、搪锡机、整形机、插装机、波峰焊机、剪腿机、印制板清洗机等。
这些由计算机控制的生产设备，在现代化的大规模电子产品生产中发挥了重要的作用，有利于保证工艺条件和装焊操作的一致性，提高产品质量。
为了使焊锡和焊件达到良好的结合，焊接表面一定要保持清洁。
即使是可焊性良好的焊件，由于储存或被污染，都可能在焊件表面产生对浸润有害的氧化膜和油污。
在焊接前务必把污膜清除干净，否则无法保证焊接质量。
金属表面轻度的氧化层可以通过焊剂作用来清除，氧化程度严重的金属表面，则应采用机械或化学方法清除，例如进行刮除或酸洗等。
使用手工焊接时，特别要注意很多事项！
掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，减轻劳动伤害。
为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害，减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应该不少于20cm，通常以30cm为宜。
同时，在焊接电路时，首先把每一个元件固定在电路板上，充分考虑放置后接线是不是有影响，然后固定元器件。
对于集成芯片，还要接电源，接地。
根据每一个芯片的引脚图，确定输入和输出，然后连接。
每一个导线必须接通电路板，对于每一根导线，必须水平和垂直焊到电路板上，线与线之间必须水平和垂直；两根导线之间可以交叉，但是导线重叠不能超过三层，否则不好调试与检查，同时，导线不能压住焊接点，当压住的情况下，焊接后的凸出处会弄破压在上面的导线皮，产生短路现象，直接导致整个电路板无法正常工作。
对于接电源和接地点的选择，不要取得太乱，太杂，有必要时可以选取起初用铜片连到一起的一整块作为一个电源端或者接地端。
然后再引出两条导线，连接电源和地线。
在焊接的过程中，务必做到仔细认真，小心谨慎。
不要漏到每一个接点，焊接点与焊接点直接最容易短接，因此在焊接完每一个器件之后必须要用万用表进行测量，以防短接。
4.调试
对于一个新焊接的电路板，调试起来往往会遇到一些困难，特别是当板比较大、元件比较多时，往往无从下手。
但如果掌握好一套合理的调试方法，调试起来将会事半功倍。
然后就是安装元件了。
相互独立的模块，如果您没有把握保证它们工作正常时，最好不要全部都装上，而是一部分一部分的装上（对于比较小的电路，可以一次全部装上），这样容易确定故障范围，免得到时遇到问题时，无从下手。
一般来说，可以把电源部分先装好，然后就上电检测电源输出电压是否正常。
如果在上电时您没有太大的把握（即使有很大的把握，也建议您加上一个保险丝，以防万一），可考虑使用带限流功能的可调稳压电源。
先预设好过流保护电流，然后将稳压电电源的电压值慢慢往上调，并监测输入电流、输入电压以及输出电压。
如果往上调的过程中，没有出现过流保护等问题，且输出电压也达到了正常，则说明电源部分可以。
反之，则要断开电源，寻找故障点，并重复上述步骤，直到电源正常为止。
接下来逐渐安装其它模块，每安装好一个模块，就上电测试一下，上电时也是按照上面的步骤，以避免因为设计错误或/和安装错误而导致过流而烧坏元件。
5.2电路调试
一．时基电路的调测
首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1=8.2KΩ，R2=5.1KΩ，C=0.01μF。
把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为1KHz。
同时输出信号的频率也要稳定。
测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信号。
测出来的信号频率和理论值很接近。
由于是将示波器的测量端分别测量每个原件的输出断。
二．显示电路的调测
由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。
为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。
1时基电路的调测
首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1=4.3Ω，R2=1.5KΩ，C1=0.01μF，C2=10μF。
把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为1KHz。
同时输出信号的频率也要稳定。
测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信号。
测出来的信号频率和理论值很接近。
由于是将示波器的测量端分别测量每个原件的输出端。
这样，时基电路这部分就测试完毕，没有问题了。
2显示电路的调测
由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。
为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。
4.1时基电路的调测
首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1=4.3KΩ，R2=1.5KΩ，C1=0.01μF，C2=10μF。
把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为1KHz。
同时输出信号的频率也要稳定。
由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。
为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。
首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。
图5-1显示电路调测连接图
如图5-1所示接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。
然后将4511的5端接地。
然后给4511的6217端分别接高低电平，数码管就会显示对应的数字。
比如6217分别接1000，那么数码管就对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。
接好后的测试方法同上。
这样，显示电路也就搞好了。
结论
本次设计以555为核心，采用直接测频法测频，能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等。
根据显示的频率范围，用4片10进制的计数器构成1000进制对输入的被测脉冲进行计数；根据输入信号的幅值要求，所以要经过衰减与放大电路进行检查被测脉冲的幅值；由于被测的波形是各种不同的波，而后面的闸门或计数电路要求被测的信号必须是矩形波，所以还需要波形整形电路。
在单位时间内测出矩形波的脉冲数，通过数码管显示，计数器计数，时基电路完成设计。
参考文献
1.张顺兴.数字电路与系统设计.第1版.南京：
东南大学出版社，2004
2.邹其洪.电工电子实验与计算机仿真.第1版.北京：
电子工业出版社，2003.9
3.王玉秀.电工电子基础实验.第1版.南京：
东南大学出版社，2006
4.孙肖子.模拟电子技术基础.第1版.西安：
西安电子科技大学出版社，2001.1
5.谢自美.电子线路设计•实验•测试.第2版.武昌：
华中科技大学出版社，2000.7
6.张豫滇.电子电路课程设计.第1版.南京：
河海大学出版社，2005.8
总结及体会
1.设计任务完成情况：
通过为期三周的课程设计，完成了本次设计的技术指标，刚开始设计的时候，由于控制电路这部分比较难实现相对的功能，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。
最后搞定控制电路的连接。
最后完成的一块电路板，它所实现的功能就是可以测被测信号的频率，周期和脉宽。
在调测的过程中发现测量频率时，档位在1Hz~10KHz，最终得到的结果的误差稍微大了点，其他的测
升级会员 