数电课程设计频率计鉴定优秀.docx
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数电课程设计频率计鉴定优秀
前言
频率计的作用是对被测信号的频率进行测量，并以十进制数显示出来，测量范围越广误差越小越好。
频率计不但可以测频率，而且可以测周期并以十进制数显示，该设计的频率计就有此功能。
频率计的设计主要由四部分组成，即电源部分，被测信号源，频率测量与显示部分，周期测量与显示部分。
电源部分：
由于数字频率计是由不同数字芯片和元件组成，数字芯片工作在0,1电平上，所以要对220Z,50HZ的交流电经过滤波，整形与稳压，使之变成电路工作所需的电压；被测信号源：
由于此设计中被测信号源需自制，信号源可产生正弦波，方波与三角波，正弦波用电容三点式振荡电路产生，方波与三角波可由模电书上的方法生成，即电压比较器，电阻，电容按一定连接生成；频率测量与显示部分：
数字频率计主要用来测频率，频率测量部分由555多谐振荡器，十分频器，数据选择器，二分频器，逻辑控制部分，放大整形电路，门控，计数器，锁存器，译码器，显示器，自动换挡部分，设计时需对各部分分别设计；周期测量部分：
用来对被测信号周期进行测量，并按一定的误差要求用十进制显示，由二分频器，门控，数据选择器，555多谐振荡器，十分频器，逻辑控制部分，放大整形电路，门控，计数器，锁存器，译码器，显示器，自动换挡部分，电路的大部分可与频率测量部分共用，区别的是周期测量把被测信号作为门控信号，555多谐振荡器产生的信号作为被计数信号。
了解了频率计的各部分后，就要选择合适的芯片与元件，把各个部分的功能分别实现。
该设计的频率计具有频率测量与显示，周期测量与显示，自动换挡，测量频率范围为1HZ～1MHZ,周期范围为1us～1s，误差为0.1％的特点。
1.总体方案设计
1.1设计任务和要求
Ø设计一个能测量1Hz—1MHz，具有自动换挡功能的频率测量仪。
Ø要求可以进行周期测量与显示并画出完整的电路图，说明电路的工作原理。
Ø要求频率测量仪的周期范围为1us～1s，误差为0.1％。
1.2整体方案：
同引言中的叙述，频率计由电源部分，被测信号源，频率测量与显示部分，周期测量与显示部分，下面对之分别设计，电源部分由220V，50HZ交流源，二极管滤波，电容整形，负反馈稳压部分组成；信号源由电容三点式振荡电路，电压比较器，电阻，电容组成的方波三角波产生电路；频率测量与显示部分，十分频器选择4518芯片，数据选择器选择74251芯片，二分频器选择4017芯片，逻辑控制部分选择74221芯片，放大整形电路选择三极管与555施密特触发器，门控用一个二输入与非门，计数器选择74LS90芯片，锁存器选择74LS273芯片，译码器选择74LS48芯片，显示器选择LTS547数码管，自动换挡部分主要有二进制加计数器74LV161和数据选择器选择74251；周期测量与显示部分的芯片型号与频率测量部分的选择相同。
1.
3系统框图
2.详细设计
2.1电源部分
一个完整的频率计，其内部必有电源部分，其主要作用是将220V交流电转换为频率计工作电压，作为电源部分以下有两种方案可以选择。
方案一：
采用如下电路结构：
220V，50HZ的交流电经变压器后，由四个二极管对其进行整流（利用二极管的单向导通性质），再经电容C7进行滤波，输出为有一定波动的直流电压，但未达到稳压，此时再经过三极管，电阻，比较器放大器，稳压管组成的网络时，输出电压为VO，基本上已达到稳压效果，稳定过程如下
V1↑→V0↑→VF↑→VB↓→Vce↑
V0↓
同理当电压V1减小时，亦能使输出电压基本保持不变。
基准电压Vref、调整管T1和Q1组成同向放大电路，输出电压：
V0=Vref（1+
）
输出电压是可调的，该设计中，各芯片和模块采用5V的直流供电，只要选择合适的R24，R25值，调节Rp于合适位置，即可得到5V的输出电压。
5V作为数电的高电平1。
方案二：
如方案一中的电路，基准电压Vref是稳压电路的一个重要组成部分，它直接影响稳压电路的性能，图中稳压管D1的温度系数较大，且输出电阻大，将其用以下电路代替，图中V1为整流滤波的输出电压，IC2R21是具有正温度系数的电压，作用是弥补T2的负温度效应。
基准电压
Vref=Vbe4+IC2R21
又
ln（
）→Vref=Vbe3+
故合理的选择IC3/IC2,R21/R22的值，即可利用具有正温度系数的电压IC2R21补偿具有负温度系数的电压Vbe4,使得基准电压为
Vref=EG/q=1.205V
此时Vref的温度系数恰好为零。
2.2信号源产生电路
2.2.1正弦波产生电路
方案一：
产生电路如下：
该网络由选频网络和放大电路组成，谐振时可产生频率为f=
的正弦波，但要输出可变频率时，调节起来比较麻烦，无法保证两个R值调一样，两个C值调一样，实用性差。
方案二：
利用电容三点式谐振回路产生正弦波
电路如下：
该电路的特点是，由于反馈电压是从（C3）两端取出，対高次谐波阻抗小，因而将高次谐波滤除，所以输出波形好。
调节频率时要求C2，C3同时可变，这在实用上不方便，故在电感的两端并联了一个可变电容Ct，可在小范围内调频。
这种振荡电路的工作频率可从数百千赫到一百兆赫以上。
本设计采用此方案。
2.2.2三角波方波产生电路
电路图如下：
此电路中，取V01即为方波，取V02为三角波，可通过改变电容CT的值得到不同频率的波形。
f=4R9×R13×CT/R11。
2.3周期测量部分
2.3.1放大整形电路
电路结构如下：
被测信号由三极管电阻组成的网络进行放大，由555组成的施密特触发器对其进行整形，变成矩形脉冲。
2.3.2555多谐振荡电路
电路结构如下:
振荡器的频率计算公式为：
f=1.43/（（R16+2×R17）×C9），因此设计中选择合适的R16，R17，C9的值即可得到输出为1MHZ频率的方波。
与R16串联一个电位器R15便于在后面调节使得555能够产生非常接近1MHZ的频率。
2.4分频电路
2.4.14518分频器
电路结构如下:
4518为10分频器，以上连接方式是对555多谐振荡器输出的1MHZ的频率进行1000分频，10000分频,100000分频，1000000分频，对应的输出频率为1000HZ,100HZ,10HZ,1HZ。
2.4.28选1数据选择器74251
其作用是对分频器产生的不同频率的信号进行选择，输出其中之一，如果分频器产生的不同频率信号按上图所示接于D3，D2，D1端，当CBA为001时选择1HZ，010时选择10HZ,011时选择100HZ。
2.4.3二分频器4017
因为频率为1HZ的方波，一周期内高电平只有0.5秒，要得到持续时间为1秒的门控信号，故需将其经过一个二分频器，这样就能得到1秒，0.1秒，0.01秒的门控信号，用于换挡。
其结构如下，CP0输入，Q1输出。
2.5闸门电路
结构如下
其输入输出连接如下。
仅当F0为高电平时，闸门才打开，允许被测信号通过，因为当F0为0时，闸门输出就为1。
2.6逻辑控制电路
控制电路的作用是用来产生计数器的清零信号和锁存器的锁存信号，当闸门信号接于图中A端时，门控信号结束时产生的负跳变可用来产生锁存信号，锁存信号结束时产生的负跳变用可用来产生清零信号，过程如下:
控制电路结构如下：
按下SW1可手动清零。
2.7计数器电路
74LS90结构和连线如下：
本设计利用74LS90作为计数器，将QD接到CKB的输入端，构成十进制计数器。
当低位计到9时QA=1，下一个计数脉冲到来的时候，计数器计满溢出，QA由1→0，产生的下降沿正好作为高一位的CLK输入。
在74LS90中，仅当R0
（1）和R0
（2）同时为1时，计数器才清零。
将所有R0
（1）和R0
（2）连在一起接清零信号。
2.8锁存器电路
锁存器的作用是将计数器在闸门时间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．闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。
选用锁存器74LS273可以完成上述功能．当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，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Qn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。
2.9译码与显示电路
电路结构如下：
本设计采用的是74LS48码器，LTS547数码显示器，连线如上图所示。
2.10自动检测切换量程电路设计
频率测量过程中的自动换挡涉及到8选1数据选择器74251，同步二进制加计数器74LV161，由于74251的CBA为001时选择1HZ，010时选择10HZ,011时选择100HZ，不同的选择输出导致门控信号的持续时间即闸门打开的时间不同，若能在计数过程中使得CBA从001→010→011自动变化，即可实现自动换挡，这个变化是个加计数过程，考虑到计数器计数溢出时最高位有1→0的跳变，若将这个变化经过一个非门，即能得到0→1的跳变，这个跳变可作为74LV161的触发信号，使其进行加计数，事先将74LV161预制成0001，将0011中的1与非后接到PE，即可实现从0001→0010→0011→0001的循环计数，再将74LV161的输出端Q2，Q1，Q0与74251的C，B，A分别相连，就能使C，B，A实现从0001→0010→0011的自动变化，即实现了自动换挡，自动换挡的实质是改变门控的时间，显示时应注意，频率为四位时可直接显示，单位为HZ，显示误差最大为0.1％，频率为五位时，如99999HZ，应显示为99.99KHZ,显示误差最大为10/10000,即为0.1％，此时应为带小数点显示，单位变成了KHZ，同理为六位时，如999999HZ，应显示为999.9KHZ,显示误差最大为100/100000,也为0.1％，显示时只要点亮相应的小数点即可。
工作过程如下：
例如，频率为876456HZ，开始时门控信号为1秒，此频率信号通过门控，计数器对其进行计数，当计到9999HZ时，再来一个脉冲将溢出，此时QA就有1→0的跳变，经过非门后，作为74LV161的触发脉冲，此时CBA变为010，门控信号时间变为0.1秒，0.1秒内会有87645个脉冲经过闸门，同理会溢出，门控信号再次变为0.01秒，此时有8764个脉冲经过闸门，不会溢出，被计数与显示，单位为KHZ，此时点亮6后面的小数点即可，点亮小数点的信号可由此时的CBA中的1与0按一定的逻辑运算后变为1的得到。
如下图所示。
2.11周期测量部分电路
周期测量部分电路由8选一数据选择器74251，加计数器74LV161，二分频器4017组成，各个部分功能同频率测量中的说明。
周期测量的思想，周期测量利用二分频后的被测信号作为门控信号，在被测信号一个周期内对555多谐振荡器的输出信号进行计数，当数据选择器的CBA被预制成001时，选择的输出为1MHZ，即一个周期为1us,若计数器记得100，则被测信号为100us,将二分频后的被测信号接至逻辑控制电路即可产生锁存信号与清零信号，当计数器计数超过9999后，即被测信号周期≥10ms时，计数器的最高位会有1→0的跳变，取反后接至74LV161，可使被测信号自动切至1000HZ，被测信号周期的单位以ms显示，此时将74251中的B接数码管的ms点上，即可将至点亮。
无论是以ms和us显示，计数误差都为1/1000=0.1％.
2.12电路说明
SW4闭合，SW5断开，SW6接4，SW3接1时进行频率测量。
SW4断开，SW5闭合，SW6接3，SW3接2时进行周期测量。
频率测量时，数码管无小数点点亮，单位为HZ，有小数点点亮时单位为KHZ。
周期测量时，数码管无小数点点亮，单位为us，有小数点点亮时单位为ms。
3.设计结论
该设计从理论上基本上完成了频率和周期的测量与显示功能，具有十进制四位显示，自动切换量程（自动换挡）功能，测量频率范围为1HZ～1MHZ,周期范围为1us～1s，误差主要是显示误差，可达到0.1％。
仍然存在问题，就是放大整形部分，因为被测信号的电压不知，若太大，不知如何对之进行自动检测和限幅。
该设计给我们提供给了一个很好的锻炼机会，通过该设计，我们对各芯片有了感性的认识，能自主设计，锻炼了自己创新能力，能将自己学的知识应用到设计中，我们都和兴奋，以后我们会更加努力学知识，不仅要在理论上设计东西，也要通过实践，自己组装，以提升自己的动手能力。
4.附件
4.1元器件清单
器件名称
器件型号
数量
8选1数据选择器
74251
2片
十分频器
4518
6片
二分频器
4017
2片
555多谐振荡器
1个
555施密特触发器
1个
双单稳态触发器
74221
2片
同步二进制加计数器
74LV161
2片
计数器
74LS90
4片
锁存器
74LS273
2片
译码器
74LS48
4片
数码管
LTS547
4片
电压比较器
3个
三极管
6个
稳压管
2个
电阻
若干
电容
若干
电感
若干
二输入与非门
4个
非门
4个
二输入与门
4个
开关
6个
二极管
4个
4.2完整电路图
参考文献
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