数字频率计的设计要点.docx
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数字频率计的设计要点
摘要..............................................................Ⅱ
Abstract..........................................................Ⅲ
第1章绪论........................................................1
1.1技术发展.......................................................1
1.2本课题研究内容.................................................1
第2章系统方案设计................................................2
2.1任务分析.......................................................2
2.2三种方案比较...................................................2
2.3方案选择.......................................................4
第3章系统硬件设计................................................5
3.1总体框图.......................................................5
3.2单元电路设计与参数选择.........................................6
3.2.1时基信号产生及分频电路...................................6
3.2.2放大整形电路.............................................8
3.2.3计数译码显示电路.........................................9
3.2.4逻辑控制电路.............................................10
3.2.5自动换档电路.............................................11
3.2.6小数点及指示灯译码显示电路...............................12
第4章系统调试....................................................13
4.1测试仪表.......................................................13
4.2单元电路测试...................................................13
4.3系统总体测试...................................................13
4.4指标测试分析与改进方法.........................................14
总结.................................................................15
致谢.................................................................16
参考文献.............................................................17
附录...............................................................18
摘要
在结束《电子技术基础》的数电部分和模电部分的课程后，制作简易的数字频率计是相关专业学生必须掌握和实践的一项基本技能。
运用已有的数电知识和模电知识，灵活地运用集成芯片和器件，搭建数字频率计的硬件模型，再经过具体地调试，基本实现从待测信号的放大整形，计数到译码显示。
其中还包括闸门信号的产生及分频和逻辑控制电路的设计。
采用分模块设计和调试的方法，确保数字频率计的各项功能指标。
在此次课程设计中主要用到了时序电路，其中时序电路以单稳态电路，D触发器为主，其次，计数及分频部分用到了十进制计数器74LS90和CD4518芯片，译码电路用到了74LS138和CD4511芯片，扩展电路用到了74LS192芯片。
通过此次的课程设计，简易的数字频率计能够很快地被做成并实现测量方波，三角波，正弦波等信号的频率，并具有自动换挡和指示量程的功能。
关键词：
电子技术；频率计；数电；时序电路；课程设计
Abstract
Attheendoflearning"ElectronicTechnology"，includingdigitalcircuitandanalogcircuitpart,makingasimpledigitalfrequencymeterisabasicskillthatthestudentsmustmaster.Useexistingknowledgeofdigitalcircuitsandanalogcircuitsknowledge,flexiblyusingintegratedchipsanddevices,buildingahardwaremodelofthedigitalfrequencymeter,thenthroughspecificdebugging,basicallydisplayfromthemeasuredsignalamplificationshaping,countingtodecode.Andalsoincludesthedesignofproducinganddividingalogiccontrolcircuitgatesignal.Themethodusesmodulardesignandcommissioning,andensurethedigitalfrequencymeterfunctionparameters.Inthiscoursethemaindesignusethetimingcircuit,includingthemonostablecircuitandDflip-flop,followedbycountinganddividingsectionwhichusesdecimalcounter74LS90andCD4518chips,74LS138andCD4511chipsusedinthedecodingcircuit,74LS192chipusedintheexpansionofthecircuit.Throughthiscurriculumdesign,simpledigitalfrequencymetercanbemadeandimplementedquicklytomeasurethefrequencyofsquarewave,trianglewave,sinewavesignalandautomaticallyindicatesandshiftstherangofmeasurement.
Keywords:
ElectronicTechnology;frequencymeter;digitalcircuit;timingcircuit;curriculumdesign
第1章绪论
1.1技术发展
随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。
由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。
数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。
在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。
供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。
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。
数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。
数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。
直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。
锁相式的优点是相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。
1.2本课题研究内容
本次课程设计以教学为主，目的在于通过制作纯硬件实现的数字频率计，使大学生对电子技术基础这门课程有着更接近实践的了解，从而培养电子信息专业学生的电路分析设计能力，对基本元器件的使用和调试技巧，和对整个系统网络查错和排错的能力。
数字频率计正好包含了几乎所有的电子技术的基础，整个电路是一个时序电路。
分支有十进制计数器，数码译码显示电路，单稳态电路，分频电路，三极管放大电路和有迟滞效应的整形电路。
同时，数字频率计的设计比较灵活，在元器件上的选择的不同会导致精度和稳度上的差异，并鼓励创新。
第2章系统方案设计
2.1任务分析
2.1.1设计任务与要求
设计并实现一数字频率计
2.1.2基本要求
1、测频范围：
1Hz—10MHz，为保证测量精度，分为三个频段：
1Hz---999Hz
1kHz---999kHz
1MHz---10MHz
当信号频率超过规定的频率上限时，设有超量程指示。
量程自动转换，
量程显示用二极管指示（Hz，kHz，MHz）。
2、输入波形：
函数发生器输出正弦波，信号幅度（峰值）10mV—3V
3、测量误差小于±1%;
4、显示结果用三位共阴数码管显示，最高位显示为有效数值，小数点可自动移动显示。
2.1.3课程设计学习要点
1、根据任务书，学会设计；
2、掌握仪器使用方法与测试技巧
3、掌握电路测试方法，杜绝装-拆-再装-再拆，碰到故障，必须找到故障原因，排除故障。
4、学会绘图、word排版。
2.2三种方案比较
2.2.1方案一
频率计定时时间1s可以通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1000HZ的脉冲，再进行分频成1HZ即周期为1s的脉冲，再通过T触发器把脉冲正常高电平为1s；放大整形电路通过与非门，非门和二极管组成；闸门电路用一个与门，只有在定时脉冲为高电平时输入信号才能通过与门进入计数电路计数；计数电路可以通过5个十进制的计数器组成，计数器再将计的脉冲个数通过锁存器进行稳定最后通过4个LED数码显像管显示出来。
网上设计的频率计普遍采用此方法。
2.2.2方案二
固定闸门信号1s，由555定时器和电容电阻构成的多谐振荡器产生脉宽1s的脉冲或晶振为32.768KHZ的晶振电路经CD4060的14级2分频得到2HZ的方波，再经4分频得到1s脉宽的脉冲。
闸门信号和放大整形后的待测信号与非，多次十分频后接74LS151，再送到计数端。
用74LS90计最高位的QD脚的负跳沿个数，用来控制74LS151的信号通路，锁存和清零都由74LS123产生。
原理：
每次计数都是以HZ为单位，超量程时，最高位由0到9，再9到置数为1,74LS90输出控制74LS151选择，将后面的脉冲10分频，有就是将最低位乘上10。
74LS90同时控制小数点和量程的转换，当然小数点和量程指示显示要加锁存。
计数器记录1s内所有的脉冲个数，但只保留了最高的3位。
欠量程时有就是100HZ以下时，将高位的0消隐。
（此方法只是个人想法，具体地电路设计还未尝试）
图2.1方案二概念图
2.2.3方案三
用4MHZ的晶振电路产生4MHZ的基准信号，经4分频，多次十分频，分别得到1MHZ，100kHZ,10kHZ,1kHZ,100HZ,10HZ,1HZ,0.1HZ的频率接74LS151八选一数据选择器，再经D触发器2分频得到1us，10us，100us，1ms，10ms，100ms，1s，10s的闸门信号。
用74LS123产生锁存和清零信号。
74LS192作为扩展电路控制74LS151和74LS138完成自动换挡功能，欠量程和超量程信号分别有中间位和最高位的进位产生。
2.3方案选择
通过这三个方案的对比，方案一用的是555定时器，精度和稳度都不高，用的是4位数码管显示，可扩展电路过于简单，而且网上多采用这种方案。
方案二固定闸门信号的脉宽，灵活性太差，每次计数显示等待时间为2s。
小数点显示和量程指示都要加锁存，过于繁琐。
方案三对基准信号分频得到不同的闸门信号，灵活性高，计数和显示的时间可变。
扩展电路采用74LS192可加可减计数器，量程可扩展。
因此我选择第三种方案，以下说的电路系统框图和单元电路图都是以这个方案展开讨论的。
它们的计算频率的原理一样：
图2.2频率计测量原理
第三章系统硬件设计
3.1总体框图
图3.1系统框图
从这个总体框图可以看到，电路被分成了几个单元电路，它们有各自的功能，同时又相互联系。
我们在实际设计过程中，可以分块做，同时也方便测试和排错。
保证每个模块功能正常，然后模块间进行拼接，再调试，最后把所有的连接起来，实现数字频率计的设计。
3.2单元电路设计与参数选择
3.2.1时基信号产生及分频电路
图3.2晶振电路
本次课程设计采用4MHZ的晶振，用于产生4MHZ频率的基准信号，经分频得到不同的闸门信号。
图3.3分频电路
这是一个分频电路，基准信号最先接入的是CD4518，十进制计数器，直接四分频较困难。
它的C脚接在了自身的清零端上，取C脚信号的正跳沿构成四分频电路。
图3.4用CD4511四分频
还要说明一点：
这里采用D触发器做2分频的目的是为了保证脉宽的大小。
3.2.2放大整形电路
图3.5放大整形电路
说明：
待测信号的幅度较小时需要放大，一般采用2级放大，电路中的电阻的阻值根据都要根据实际的静态工作点来调。
此处的整形采用了反相器，也可以用施密特电路，迟滞比较器等等。
3.2.3计数译码显示电路
图3.6计数译码显示电路
说明：
中间的计数器的D脚作为进位信号，控制欠量程信号C2,最高位的计数器D脚作为进位信号控制超量程信号C1。
锁存和清零信号有控制电路给出，小数点显示由扩展电路控制。
3.2.4逻辑控制电路
图3.7逻辑控制电路
74LS123是一个单稳态可重复触发芯片，当A脚出现负跳沿时，Q脚产生一个脉宽为0.7RC的脉冲。
图3.8信号时序图
3.2.5自动换挡电路
图3.9扩展电路
换挡原理：
超出量程时，最高位会有进位产生，会使D触发器工作，输出Q脚由低电平变成高电平，“1”与锁存信号与非，作用74LS192的CPd端，选择较窄的闸门。
欠量程时，中间位不会出现进位，D触发器不工作，输出的~Q脚保持高电平，“1”与锁存信号与非，作用74LS192的CPu端，选择较宽的闸门。
3.2.6小数点及指示灯译码显示电路
图3.10小数点和指示灯显示电路
第4章系统调试
4.1测试仪表
测试用到的仪器：
函数发生器，双踪示波器，5V稳压电源，交流毫伏表，万用表
4.2单元电路测试
1、测试放大整形时，用函数发生器产生一定幅值和频率的正弦波作待测信号，用示波器接在整形的输出上观测波形；
2、测试闸门信号时，将74LS151的C,B,A脚接上特点的电平，依次从000变化到111，用示波器观察闸门信号的脉宽；
3、测试计数译码显示电路时在计数端接函数发生器，同时清零和锁存都不作用；
4、测试74LS123的功能，在1A脚接函数发生器，用示波器观察1Q和2Q脚的信号波形，观测波形的脉宽；
5、剩下的扩展电路加到整个系统中，观察数码管的显示和指示灯的变化；
4.3系统总体测试
测试方法：
将单元电路按步骤进行拼接，同时调试，预期结果实现后再进行下一步拼接。
4.4指标测试分析与改进方法
在连接完整个电路后，测了20组数据如下：
输出频率
170.7Hz
324.6Hz
572.7Hz
723.7Hz
878.2Hz
测量频率
200Hz
340Hz
581Hz
728Hz
880Hz
输出频率
974.6Hz
1.165kHz
1.734kHz
2.301kHz
3.344kHz
测量频率
975.0Hz
1.17kHz
1.74kHz
2.30kHz
3.35kHz
输出频率
6.118kHz
9.229kHz
10.92kHz
52.40kHz
94.78kHz
测量频率
6.12kHz
9.23kHz
11.0kHz
52.4kHz
94.8kHz
输出频率
115.4kHz
765.2kHz
947.4kHz
1.090MHz
1.156MHz
测量频率
116kHz
767kHz
948kHz
1.10MHz
1,17MHz
最低电压幅值
165mV
有效值
42mV
最高电压幅值
17.4V
有效值
4V
频率上限值
1.150MHz
频率下限值
145Hz
表4.1实验数据记录
待改进的地方：
测低频时误差太大，实际可测频率范围较小，电压范围不够大；
改进方法：
在元件参数设置上，比如放大电路的静态工作点要调到位；芯片的替换，CMOS器件的高频性不是很好，根据需要可以用TTL芯片替代。
总结
经过这次课程设计，将《电子技术基础》这门课程的理论运用到实际电路当中，让我们有机会在实践中学习，对时序电路有了更深的了解，同时为以后的理论学习多了实践的指导。
数字频率在很多领域都会用到，带有测量频率的功能的仪器也不少，它们的测量原理不尽相同。
测量频率可以直接计算频率，也可以通过计算周期来间接测量频率。
本文采用的是直接计算频率的方法，而且用到的芯片功能比较简单，部分电路功能也进行了简化，因此在测量的精度和稳度上都有待改进。
而单从教学方面来说，我们本次设计的数字频率计涵盖了《电子技术基础》这门课中的大部分的基本电路和基本元器件，比如74LS123单稳态触发器，D触发器；施密特触发器（作为整形电路的一种可选电路）；74LS151八选一数据选择器，74LS138三八译码器；74LS90，74LS192和CD4511计数器；CD4511七段数码管驱动芯片；三极管放大电路。
当然此次的课程设计的主要目的不是掌握这些芯片的功能，更主要地是培养学生的分析，设计，调试的基础技能，更能够独立思考问题，解决问题并有所创新。
此外，设计电路就离不开仿真，熟练地掌握如何使用Multism软件，并具备仿真调试的能力也是这次课程的要求。
附录
元器件
个数
元器件
个数
CD4518
4片
发光二极管
3个
CD4069
1片
4MHZ晶振
1个
CD4511
4片
三极管
2个
74LS123
1片
电容，电阻
若干
74LS74
2片
74LS192
1片
74LS00
4片
74LS90
3片
74LS138
1片
74LS151
1片
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