完整版李冰华简易数字频率计毕业课程设计成稿.docx

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完整版李冰华简易数字频率计毕业课程设计成稿

一、课题名称与技术要求

<1>名称：

简易数字频率计

<2>主要技术指标和要求：

1.被测信号的频率范围100HZ～100KH

2.输入信号为正弦信号或方波信号

3.四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位

4.具有超量程报警功能

二、摘要

以门电路，触发器和计数器为核心，由信号输入、放大整形、闸门电路、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。

放大整型电路：

对被测信号进行预处理；闸门电路：

由与门电路通过控制开门关门，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：

周期性产生一秒高电平信号；计数器译码电路：

计数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码；显示：

把译码器的输出用数码管显示出来。

关键字：

比较器，闸门电路，计数器，锁存器，逻辑控制电路

三、方案论证与选择

<1>频率测量原理与方法

对周期信号的测量方法，常用的有下述几种方法。

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数进行计数，当计数结果为N时，其频率为：

f1=N1TG。

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，计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是△N1=N±1,N1的相对误差为&N1=（N1-N）N=（N±1-N）N=±1N,由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。

因此，在f已确定的条件下，为减小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=1s），则有f=N，固有f1的相对误差：

&f1=（f1-f）f=（f±1-f）f=±1f

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法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

图1测频法原理图

2、测周法（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平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期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,则有

T2=N2*Tosc

f2=1T=1（N2*Tosc）=foscN2

N2的绝对误差为△N=±1

N2的相对误差为&N2=（N2-N）N=（N±1-N）N=±1N

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，而与高频你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，测量精度也就越高。

图2测周法原理图

<2>频率测量方案选择

根据性能和技术指标的要求，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。

有上述对各种方法的讨论可知，M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。

这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。

当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。

这种方法比较适合测量高频信号的频率。

T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。

这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。

这种方法比较适合测量频率较低的信号。

综合以上几种方案的优缺点和该课题的频率范围和精确度的要求，我们选择直接测频法。

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

四、方案的原理框图、总体电路图、接线图以及说明

<1>方案原理框图

图3

<2>总体电路图

<3>工作过程说明

1．放大整形电路

任意形式信号经过发达电路和滞回比较器放大整形变成方波信号，和脉冲信号一起控制与门的开启与关闭，

2．秒脉冲控制

时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls。

3．计数寄存译码

经过整形放大后的方波信号在与门1开门的1秒内给计数器提供计数脉冲，与门打开瞬间计数器74LS90清零结束，74LS273处于锁存状态，计数器开始计数，

1当计数值未超过四位数码管的量程时，即计数器万位输出为0000，或非门1输出为1，2小数点LED2熄灭，单位灯LED1不亮，74LS257N选择低四片计数芯片，单位为Hz；

2当计数值超过四位数码管的量程时，即计数器万位输出不为0000，小数点；LED2亮，单位灯LED1亮74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz；

3当计数值超过10KHz时，或非门1，2通过与门给JK触发器一个脉冲，JK触发器翻转，Q=1，蜂鸣器报警。

4当为①、②两种情况时，每经过1S的开门时间后，控制电路74ls123输出下降沿通过与非门2给计数器一个清零信号，使计数器全部清零，等待下轮开门时间计数；

5当出现③时，需要手动断开开关，给JK触发器清零，蜂鸣器停止报警，再闭合开关使电路重新开始测频率。

4．显示电路

利用七段数字显示器自带译码功能显示所计频率的大小。

五、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算

<1>放大整形电路

此设计选用放大器3DG100对被测信号进行放大整形，电路图如图5.1.1

图5.1.1

输入输出波形图如图5.1.2（正弦波为输入信号、方波为输出信号）

图5.1.2

<2>秒脉冲控制

时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls，计算式为T=（R1+R2+R滑）*C*0.7。

电路如图5.2.1

图5.2.1

555多谐振荡器的清零端接开关，控制着计数器的清零端和锁存器（D触发器）的锁存端。

电路如图5.2.2

图5.2.2

<3>计数器

计数器由5片74LS90级联组成，低片的进位输出端分别作为相邻高片的CL0输入端。

A、B、C、D、ENT、ENP、LOAD都接高电平，清零端接在一起和与门2的输出端相连。

如图5.3.1

图5.3.1

计数器74LS90功能如表5-1所示

表5-1

R01

R02

（1）

（2）

0000

计数

图5.3.274LS90逻辑管脚图

<4>单位转换

由74LS257和门电路组成单位转换电路。

4片257的使能端~G都接地，数据选择控制端~AB连在一起与或门1的输出相连，数据端A,B连接图5.4.1

图5.4.1

若最高位计数器为零，小数点熄灭，门电路给~AB高电平，选择低四片计数器输出，单位为Hz；当数值超过四位数码管的量程时，即万位计数器输出不为0000，小数点亮，74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz；实现单位的自动转换。

表5-2

74LS257功能

输入

输出

~AB

由表可知，74LS257具有以下特点：

（1）G=1时，输出高阻态。

（2）G=0，~AB=1时，选择将B口值赋给Y口输出，1Y2Y3Y4Y=1B2B3B4B。

（3）G=0，~AB=0时，选择将A口值赋给Y口输出，1Y2Y3Y4Y=1A2A3A4A。

图5.4.274LS257的逻辑管脚图

<5>数据锁存

数据锁存电路由两片8D触发器74LS273组成。

每片273的8个输入端分别与两片257的输出端相连，8个输出端分别与两个八段数码管相连，清零端CLR都接高电平，脉冲cp的输出端。

如图5.5.1

图5.5.1

每来一个上升沿，273就会把输入端的值赋给输出端，并保持到下一个上升沿的到来。

74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，上升沿触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。

表5-3

输入

输出

CLR

CLK

74LS273功能表

注：

vcc=1时，cp的X表示除上升沿的其他状态。

由表可知，74LS273具有以下特点：

（1）清零：

vcc=0时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；

（2）触发：

Vcc=1，cp为上升沿触发时，D1~D8的数据通过芯片输出给Q1~Q8；（3）锁存：

vcc=1，cp不是上升沿触发时，将数据锁存，D0~D7的数据不变。

图5.5.274LS273逻辑管脚图

<6>超量程报警

超量程报警由JK触发器和蜂鸣器和开关电路组成。

如图5.6.1

图5.6.1

置“1”端和J、K都接高电平，Q端接蜂鸣器（加了一个灯显示蜂鸣器是否处在报警状态），或非门输出端频率灯，清零端接开关电路cp接计数器最高位的进位端。

电路连接如图5.6.2

图5.6.2

接通电源前，JK触发器清零，当接通电源后，Q端保持低电平，Q非保持高电平，振荡器开始工作，计数器可以计数；

当计数不超量程时，最高位没有进位信号，Q保持低电平，蜂鸣器不响；

当计数器超量程时，最高位进位和十位进位位信号给JK触发器的脉冲，使触发器翻转，Q输出高电平，蜂鸣器报警。

只有手动断开开关才能结束报警。

表5-4

74LS112功能表

图5.6.374LS112逻辑管脚图

<7>单位LED1灯表示

在万位计数器相连的或非门出口处接一个LED灯，当万位为0000时或非门输出1，灯不亮，表示单位HZ，当万位不为0000时，或非门1输出0，LED灯亮，表示单位KHZ，实现了单位显示。

如图5.7.1

图5.7.1

<8>控制电路

控制电路由74LS123芯片构成，时钟信号输入后，控制电路开始计时，当时钟信号终了时，控制电路从1Q端口产生一个0.02s的上升沿脉冲，触发储存器，使之工作，当下一个时钟信号来临时，首先从-2Q端口输出一个0.02s的下降沿信号使计数器清零，而当下一个时钟终了时，上一个时钟的数才被改变。

固此控制器可以使数字显示1.25秒。

我们用此芯片时使电阻R=10k而电容C=4.7Uf，可计算出输出脉冲间隔为0.02s.在图上位置如图5.8.1所示：

图5.8.1

<9>材料清单

芯片

LM555

1个

74LS90

五个

74LS257

四个

74LS273

两个

显示管

八段数字显示器

四个

二极管

发光

一个

蜂鸣器

200Hz

一个

开关

单刀单掷

一个

电容

10uF

一个

4.7nF

一个

电阻

若干

六、心得体会及存在的问题

在做“数字频率计”这个课题时，我主要负责计数器的部分。

由于之前一直都是在课堂上学习理论知识，只做了几次很简单的电工实验，所以对计数器这部分并不是很清楚，知识掌握的比较宽泛。

经过组员讨论之后，最终决定我负责计数器部分。

当天晚上我就翻开课本，复习了一下计数器部分，让自己不至于什么也不知道。

并且最终顺利的完成了此次课程设计。

本次设计让我们体会到了设计电路，测试电路过程中的酸甜苦乐，这次设计给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，组员之间经过了激烈的讨论，商讨方案。

大家都准备在这次设计中大放异彩，从网上查找资料到对电路的设计，都对我所学的知识进行了检验。

我在设计中还遇到了很多的芯片，让我感觉到了科学世界的神奇之处。

我还收获了动手能力，深刻理解了相关内容，总之通过这次课程设计，我的收获很多，我很高兴。

七、参考文献

林涛《数字电子技术基础》清华大学出版

黄智伟《全国大学生电子设计竞赛技能训练》北京航空航天大学出版

黄智伟《全国大学生电子设计竞赛系统设计》北京航空航天大学出版

康光华《电子技术基础数字部分》高等教育出版社

张国云《电子技术基础实验教程》中南大学出版社

高吉祥《电子技术基础实验与课程设计》电子工业出版社

欧阳星明《数字逻辑》华中科技大学出版社

评语：

评审人:

一.课题名称与技术要求1

二.摘要1

三.方案论证与选择1

四.方案原理及说明4

<1>方案原理框图4

<2>总电路图4

<3>工作过程6

五.各单元电路7

<1>放大整形电路7

<2>秒脉冲控制7

<3>计数器9

<4>单位转换器10

<5>数据锁存器12

<6>超量程报警13

<7>单位表示灯15

<8>控制电路16

<9>清单17

六.心得体会及存在问题18

七.参考文献19

前言：

课程设计是针对某一理论课程的要求，对学生进行综合性实践训练的实践教学环节，可以培养学生运用课程中所学的理论知识与时间紧密结合，独立地解决实际问题的能力。

所以本次数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。

它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，并用数字显示被测信号的频率。

近年来，在电子技术中，频率是最基本的参数之一，在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用，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的重要了。

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十分严格的要求，这是数字电路的一个特点。

在电子系统非常广泛的领域中，到处可见到处理离散信息的数字电路。

数字集成电路具有结构简单和同类型电路单元多的特点。

因而容易是高集成度和归一化。

由于数字集成电路与电子计算机的发展紧密相关，因而发展很快，目前是集成电路中产量最高、集成度最大的一种器件。

集成电路的类型很多，从大的方面可分为模拟和数字。

频率计的工作原理是脉冲信号的频率是在单位时间内所产生的脉冲个数。

其表达式为f=NT，其中f为被测信号，N为计数器所累积的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。

计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。

例如，在1秒内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。

一般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一秒。

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，但是，闸门时间越长每测量一次的时间间隔也越长，闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精确度就要受到影响。

此外，电子计数器测频有两种方式：

一是直接测频法。

即在一定闸门间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测法。

直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法用于低频信号的频率测量。

不仅如此，我们在设计时还应该注意的有频率测量范围：

在输入电压符合规定要求植时，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。

前言：

所以本次数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。

它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，并用数字显示被测信号的频率。

课程设计任务书

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