长安大学 简易数字频率计设计.docx

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长安大学长安大学简易数字频率计设计简易数字频率计设计电工与电子技术基础课程设计报告题目简易数字频率计学院（部）汽车学院专业车辆工程班级学生姓名学号6月23日至6月28日共1周目录前言2第一章技术指标31.1、主要技术指标和要求：

31.2、系统结构要求31.3、所用元件4第二章整体方案设计思路52.1、设计思路52.2、方案讨论5第三章各部分电路的设计73.1、放大整形电路73.2、闸门电路93.3、计数电路103.4、时基电路与分频电路103.5、控制电路113.6、显示电路133.7报警电路14第四章电路汇总154.1、整体电路图15第五章课程设计总结与体会16【附录】17前言前言【摘要】本学期我们学习了电工学电子技术这本书的内容，经过课堂和实验两部分的学习，对基本的模电和数电电路知识有了基本的了解掌握。

正是运用所学知识加上小组合作研究，我们在基于课本内容、考虑实际能力水平、查找资料借鉴其他设计者的成功之处，设计了“简易数字频率计”。

本设计主要综合运用运用了信号的放大整形、门电路和时序逻辑电路等多方面的知识，是对所学知识的一种实践也是一种考验。

【关键字】数字频率计计数器信号处理与控制第一章第一章技术指标技术指标1.1、主要技术指标和要求：

、主要技术指标和要求：

（1）被测信号的频率范围100Hz10kHz；

（2）输入信号为正弦信号或方波信号；（3）用四位数码管显示所测频率值，并用红、绿色发光二极管表示单位；（4）具有超量程报警功能。

1.2、系统结构要求、系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。

图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。

1.3、所用元件、所用元件序号元器件名称型号参数数量74L系列译码器74LS247N4锁存器74LS175N4十进制计数器74LS160N4或非门74LS02N1与非门74LS03N1非门1与门74LS08N2二极管LED（红色）LED3LED（绿色）LED1共阳七段数码显示管4电阻510210K14.3K14.7K23.3K247011001电容10F310nF6470F11mF15K22K1定时器5554开关双刀四掷开关1第二章第二章整体方案设计思路整体方案设计思路2.1、设计思路、设计思路利用电工学电子技术所学模电和数电两部分所学知识设计思路如图2.2、方案讨论、方案讨论

（1）测频法（M法）对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期进行计数，当计数结果为N时，起频率为：

f1=N1/TG，TG为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数。

设在TG期间，计数器的精准计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是N1=N1，N1的相对误差为&N1=（N1-N）/N=1-N/N/N，由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值越大，相对误差越小，成反比例关系。

因此在f已知的条件下，为减少N1的相对误差可通过增大TG的方法来降低测量误差。

但是，增大TG会使频率测量的响应时间长，当TG为确定值时（通常取TG=1），则有f=N，固有f1的相对误差：

&f1=（f1-f）/f=（f1-f）/f=1/f由上式可知，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，M法适用于高频信号的测量，频率越高的，测量精度也越高。

（2）侧周法（T法）首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电频时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数，若在T时间内的计数值为N2，则T2=N2*Toscf2=1/T2=fosc/N2.N2的绝对误差为N=1，N2的相对误差为&N2=（N2-N）/N=（N1-N）/1/N。

从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频的标准计数信号的频率成反比，当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度越高。

由于所学知识的限制，考虑到课程设计的目的，我们利用第一种测频法，利用计数器的知识对频率计数，参考555定时器产生时基电路，在单位时间内记录被测信号上升沿或下降沿的数目即为所测信号频率。

并且，对测量频率的最低值100Hz来说，相对误差为1%，可以满足要求，随着测量频率的增大，相对误差逐渐减小。

第三章第三章各部分电路的设计各部分电路的设计3.1、放大整形电路、放大整形电路考虑到被测信号可以是正弦波或方波，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为方波信号，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转化成方波。

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，将被测信号放大。

从而得到适当大小的信号。

参考资料后我们比较各种放大整形的方案，施密特触发器整形电路的原理和方法全面可靠，所以采用此法进行被测信号的放大或衰减以及整形处理。

待测的信号波先被送入到放大电路的输入端，输入的信号若是正弦波，在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以首先需要通过放大衰减处理，我们可以利用一级放大电路实现：

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，使得被测信号得以放大。

然后把经过放大衰减后电压幅度合适的信号输入到下一级的射极输出器。

射极输出器具有高输入电阻和低输出电阻的特点。

因为输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，这对高内阻的信号源更为有意义。

如果信号源的内阻较高，而它接一个低输入电阻的共发射极放大电路，那么，信号电压主要降落在信号源本身的内阻上，分到放大电路输入端的电压就很小；另外，如果放大电路的输入电阻较低，则当负载接入后或当负载增大时，输入电压的下降就较小，或者说它带负载的能力较强。

所以射极输出器也常用于多级放大电路的输入级。

为了增强本设计中施密特触发器部分的带负载能力，我们在此应用射极输出器。

施密特触发器常利用触发器状态转换过程中的正反馈作用，将边沿变化缓慢的周期信号变为边沿很陡峭的矩形脉冲信号。

由于在数字系统中矩形脉冲经传输后往往也会发生畸变。

如：

当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变坏；当传输线较长，且接收的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生震荡现象；当其他的脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号将出现噪声。

无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。

鉴于施密特触发器整形电路的诸多优点，本电路将起采用，且利用555定时器搭建，简单方便。

最后我们把经过放大衰减处理后的信号送入由555构成的施密特触发器把信号整形成为矩形波。

3.2、闸门电路闸门实际上就是一个简单的与门。

将整形电路的输入信号与门控信号做与运算，以便输出矩形脉冲作为计数脉冲。

当门控信号为高电平1时，闸门开启，而门控信号为低电平0时，闸门关闭。

显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。

可见门控信号的宽度一定时闸门的输出正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。

3.3、计数电路、计数电路74LS160十进制同步计数器是与我们课程中介绍的74LS161原理相似的计数器，我们用了4个74LS160，通过前一级74LS160的进位位当作下一位的cp脉冲，实现1到9999的计数。

（如图3-4）3.4、时基电路与分频电路、时基电路与分频电路时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。

当标准时间信号到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数，当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入;分频电路是对由时基电路产生的信号频率进行调节。

我们的设计时基电路部分采用由555定时器构成的多谐振荡器组成，通过设置时间参数使其构成所需时间的高电平，由于要求测量频率为100Hz-10KHz，故此处设计分两档，时基电路产生0.1s高电平，此档直接用于测量千赫兹的频率，此时显示单位为千赫兹（绿灯亮）；通过分频器放大后产生1s的高电平，此档用于测量普通频率。

如此实现单位的变换。

此处电路参数R1=10K，R2=4.3，C=10uF，通过计算可得tp1=0.1s,tp2=0.03s。

分频电路由74LS160构成，对时基电路产生的信号进行调节，使其频率缩小十倍，周期增大十倍，此时tp1=1s。

此时显示单位为Hz,（红灯亮）。

时基电路及分频电路电路图如下图：

3.5、控制电路、控制电路控制电路主要用来控制电路的锁存与清零。

在时基信号低电平到来之时，通过控制电路产生锁存信号，锁存信号将数据锁存通过显示电路信使出来。

而清零信号则是用锁存信号的负脉冲产生，用于一次计数后将计数器清零。

其理论波形应如下图：

我们采用4个74LS175N分别控制74LS160输入的四个二进制数。

锁存器在cp的下降沿将输入的信号上传，在其他cp信号状态下，锁存器不接受从下面来的信号输入，从而保证显示屏的输出能稳定一段时间，便于读数。

四个锁存器的CP脉冲由控制电路同时控制。

555构成的两个单稳态触发器可用于定时控制，输出矩形脉冲，其宽度（暂稳状态持续时间tln31.1pRCRC=通过设置电路参数，令R=909，C=10uF，使得锁存信号与清零信号宽度均为t=0.01s，控制电路设计图如下：

3.6、显示电路、显示电路我们采用四个74LS247型译码器和共阳极数码管作为我们显示部分的元件。

前已述，根据被测信号的频率范围100Hz10kHz；我们将测量的频率分为两档：

推荐测量频率分别为100Hz999Hz和1kHz10kHz，分别用红色发光二极管表示单位Hz，绿色表示单位kHz，显示kHz单位时，第三个显示数码管的小数点亮。

因为能力和时间有限，我们没能完成自动超量程换挡，所以我们借助超量程报警装置提醒手动换挡。

我们通过一个双刀四掷开关，同时控制档位和小数点信号。

一档时，我们默认采用Hz单位，给小数点的是低电位信号时，小数点灭，信号经过与非门传给LED3，红灯亮。

二档时我们默认采用kHz单位，此时通过或非门给小数点一个高电位信号，小数点亮。

同时，给小数点的信号传达给LED4灯，绿灯亮。

3.7报警电路报警电路第四个74ls160的进位位接一个LED1灯作为一档的超量程报警器，LED2由给小数点的信号与第三个74ls160的进位位同时控制，作为二档的超量程报警器。

第四章第四章电路汇总电路汇总4.1、整体电路图、整体电路图图4-1整体电路图第五章第五章课程设计总结与体会课程设计总结与体会本次实习让我们体味到掌握电工学课本知识和能利用所学知识解决实际问题这一要求还是有一定差距的。

通过这次设计经历，我发现经过一年的学习，我们对电工学的实际把我还很不到位。

在设计中我们有很多问题要一遍一遍去翻书去查看，同时很多原理的还没有完全掌握，虽然在电工实验中已经有了一些理解和体会，但当自己需要设计电路、选择方案时，我们的压力和遇到的困难非常大。

一方面是知识掌握不牢，不能做到驾轻就熟，另一方面，面对所要解决的电路问题，遇到了一些以前没有见到过的元件，需要不断查找资料时繁琐的过程是我们几近崩溃。

但设计是我们将来必需的技能，不通过实践永远不知道自己对知识的时机掌握情况，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。

在实践中，我们理论联系实际,提高和培养了创新能力。

最重要的是，通过这次课程设计，使我们对课本有了更深的学习，让我们对基础知识有了更深刻的领悟和掌握。

这样，我们不仅可以在期末考试中游刃有余，还会对我们毕业后的工作有很大的帮助。

总之，这次课程设计是很有必要的！

日子虽然艰辛，但让我们收获很多，当然感悟也很多。

最后感谢老师和同学们的帮助，让我们顺利完成这次课程设计。

【附录】【附录】1、所用元件功能表74LS02TTL2输入端四或非门74LS03TTL集电极开路2输入端四与非门74LS08TTL2输入端四与门74LS160TTL可预置BCD异步清除计数器74LS175TTL带公共时钟和复位四D触发器74LS247TTLBCD7段15V输出译码/驱动器NE555计数器2、主要元件功能表1）、74LS160计数器功能表输入输出CLKCLRLOADENPENTDCBAQDQCQBQAX0XXXXXXX000010XXDCBADCBAX110XXXXX保持X11X0XXXX保持1111XXXX加计数由表可知，该计数器的主要功能有：

（1）异步清零：

当CLR=0时，其他输入端任意取值，计数器将被直接置零。

（2）同步预置数：

当CLR=1，LOAD=0,且有CLK脉冲下降沿作用时，完成将输入端DCBA的数值置入计数器操作，使QDQCQBQA=DCBA。

（3）保持：

当CLR=LOAD=0时，若ENP*ENT=0，则计数器保持输出原状态不变，不管有无CLK脉冲作用。

不过ENT=0时，进位输出RCO=0.（4）计数：

当CLR=LOAD=0，若ENP=ENT=1时，处于计数状态，对CLK脉冲下降沿进行十进制加计数。

2）、74L175N四D型触发器功能表输入输出RDCP1D2D3D4D1Q2Q3Q4QLLLLLH1D2D3D4D1D2D3D4DHH保持HL保持3）555定时器功能555定时器工作原理说明表QT0低电平（0）导通1010低电平（0）导通1101高电平（0）截止111保持保持保持【参考文献】1.张顺兴数字电路与系统设计东南大学出版社2.王玉秀电工电子基础实验东南大学出版社3.张豫滇电子电路课程设计河海大学出版社4.林涛数字电子技术基础清华大学出版5.张国云电子技术基础实验教程中南大学出版社6.秦增煌电工学电子技术（下册）高等教育出版社7.长安大学长安大学电工实验指导手册评语评审人: