简易数字频率计电工课程设计.docx
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简易数字频率计电工课程设计
《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2011220102
学生姓名严珍
学号
6月22日至6月28日共1周
前言
数字频率计也称电子计数器，它是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生延时现象，造成测量误差、可靠性差。
随着可编程逻辑器件的广泛应用，运用VHDL语言，将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。
数字频率计实际上就是脉冲计数器，即在单位时间里（如1s）所统计的脉冲个数。
它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。
经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等，因此数字频率计在测量物理方面应用广泛。
数字频率计的系统主要由输入整形电路、时基电路、分频器及量程选择开关、逻辑控制电路、闸门、计数译码显示电路等组成。
首先，把被测信号（以正弦波为例）通过放大整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后将它加到闸门的一个输入端。
闸门的另一个输入信号是时基电路发出的标准脉冲，只有闸门打开时被测量的脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。
逻辑控制电路是控制计数器工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作（例如计数→锁存→显示→清零→计数）。
为了把此次课程设计做的尽善尽美，我们小组去图书馆查阅了大量有关资料，并有效利用网络资源，与答疑老师进行沟通交流，使得我们对数字频率计有了深入的了解。
在设计过程中，我们首先对数字频率计的原理及工作过程有了准确的理解，然后小组开始讨论并得出此次设计基本路线，接下来每个人积极完成各自所要负责的部分，遇到不懂的互相探讨协作。
最后对各部分进行综合，设计出一份完整的报告。
目录
第一章设计要求………………………………………………………………
1.1整体功能要求……………………………………………………………………
1.2系统结构要求……………………………………………………………………
1.3技术要求…………………………………………………………………………
第二章整体方案设计与分析………………………………………………
2.1算法设计及方案讨论……………………………………………………………
2.2整体方框图及原理………………………………………………………………
第三章单元电路设计与分析………………………………………………
3.1时基电路与分频电路……………………………………………………………
3.2放大整形电路……………………………………………………………………
3.3闸门电路…………………………………………………………………………
3.4控制电路…………………………………………………………………………
3.5计数电路…………………………………………………………………………
3.6显示电路…………………………………………………………………………
3.7报警电路…………………………………………………………………………
第四章系统综述………………………………………………………………
4.1整体电路图………………………………………………………………………
4.2整机原件清单……………………………………………………………………
第五章总结收获……………………………………………………………
5.1心得体会……………………………………………………………………………
5.2存在问题与改进……………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………………
附件……………………………………………………………………………………
摘要
本设计报告主要包括对数字频率计设计的设计要求、整体方案设计、单元电路设计、部分电路的调试、总结收获。
设计要求包括了数字频率计整体功能要求、系统结构要求及测试指标；整体方案设计包括算法设计、方案讨论以及整体原理框图；单元电路的设计包括时基电路：
周期性产生1秒和0.1秒高电平信号；放大整形电路：
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；控制电路、计数电路：
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成BCD码、显示电路：
把BCD码译码在数码管显示出来以及超量程报警电路。
关键词：
数字频率计、时基电路、放大整形、计数器、译码器、multisim设计软件
第一章设计要求
1．整体功能要求
频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波等周期信号的频率值。
2．系统结构要求
数字频率计的整体结构要求如图1-1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，档位转换用于选择不同的单位。
图1：
数字频率计整体方案结构方框图
3．技术要求
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
第二章整体方案设计2.1算法设计及方案讨论对周期信号的测量方法，常用的有如下几种：
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=N±1，N1的相对误差为&N1=（N1-N）/N=±1-N/N＝±１/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=（f±1-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，则有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=（N±1-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为常熟时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度越高。
3、T/M法T/M法测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频信号进行计数。
在确定的检测时间内，若对被测信号f的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2，但对fosc信号的计数，必须知道f信号在第一个计数器停止计数的一个完整的f信号周期。
由此可知，N1个f信号周期的时间为T2=N2*Tosc，股每个f信号周期的时间为T3=N2*Tosc/N1，则有f3=1/T=（N1*Tosc）/N2，T3的相对误差为&T3=±1/N。
由T3的相对误差可知，T/M法测量的误差与信号频率成正比，与高频标准信号的频率成反比，但随着f的增大，N1也在增大。
由上式还可以看出，T3的相对误差实际是由M法误差±f/fosc两部分组成。
4、单片机测量频率的方法
图2：
单片机测频率原理框图
用此法测量时，将被测输入信号送给单片机，通过程序控制计数（软件设计实现一秒定时，计数部分），结果送译码器74LS145与移位寄存器74LS164，驱动LED数码管显示频率值。
通过测量结果对比，分析测量误差的来源，提出减小误差应采取的措施。
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。
2.2整体方框图及原理
图3：
整体电路原理框图
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。
频率测量：
被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。
时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。
被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。
控制电路：
控制电路里面通过时基信号的脉冲下降沿，产生锁存信号在计数完成后将数据锁存传向显示电路；并用锁存信号产生清零信号，对计数器进行清零，为下一次测试做好准备。
计数显示电路：
在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。
通过锁存器的作用使得数码管在计数的时候不显示数字。
当计数完成后，通过锁存信号的控制，将数据锁存并传输向显示器，此时数码管显示计数完成后的数字。
而与此同时清零信号将计数器数据清零，为下一次计数做好准备。
第三章单元电路设计与分析
3.1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100-10K，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；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。
时基电路及分频电路电路图如下图：
图4：
时基电路及分频电路电路图
3.2放大整形电路
由于输入波有正弦波，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将正弦波转化成矩形波。
通过小组成员讨论、自己思考以及和答疑老师的沟通交流，有两种方案可以实现这个目的：
方案一：
电压比较器整形电路
任意形式信号经过电压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，此设计可以选用电压比较器来对被测信号进行放大整形，电路图如图，在反相输入端接地，在同相输入端输入被测信号，在比较器的输入端进行模拟信号大小的比较，在输出端则以高电平或低电平来反映比较结果。
输出波形图如图
图5：
电压比较器图6：
电压比较器输出波形
图7：
利用电压比较器实现的整形电路图
方案二：
施密特触发器整形电路
待测的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入电阻的特点。
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。
由于电压比较器整形电路没有放大衰减部分的相关设计，而施密特触发器整形电路比较稳定可靠，我们在此次设计中选用方案二的整形放大电路。
我们的设计如图：
图8：
放大整形电路
放大整形电路的调试：
用信号发生器产生一个正弦波形，输入到我们设计的放大整形电路中，用示波器观察待测信号经放大整形电路后波形的前后变化，整形后的波形如图
3.3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。
3.4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：
（图中I闸门信号即为时基电路产生的信号）
控制电路由555构成的两个单稳态触发器构成。
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：
图9：
控制电路图
3.5计数电路
我们用了4个74ls160，通过前一级74ls16的进位位当作下一位的cp脉冲，实现1到9999的计数。
图10：
计数电路图
3.6显示电路
锁存器部分：
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。
显示部分：
我们采用四个74ls47型译码器和共阳极数码管
档位部分：
根据被测信号的频率范围100Hz～10kHz；我们将测量的频率分为两档：
推荐测量频率分别为100Hz～999Hz和1kHz～10kHz，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。
我们通过一个双刀四掷开关（在软件中找不到此开关，所以我们用了两个单刀双掷开关，然后手绘加工）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。
锁存信号
清零信号
图11：
显示电路图
3.7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。
控制小数点信号
第三个160的进位位信号
图12：
报警电路、档位部分
第四章系统综述
4.1整体电路图
频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。
它可以测量正弦波，方波和三角波的频率。
利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并测量标准时间内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。
整个电路包含时基电路，放大整形，控制电路，还有显示电路的设计，时基电路是控制计数器的输入脉冲，逻辑控制电路利用标准时间信号结束后产生负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号经反相又产生清零信号，高电平结束后计数值进行锁存，是显示器上获得稳定的测量制值。
当时钟脉冲CP的正跳变来时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的数值送到锁存器的输出端。
整个过程就是这样有机的结合相互协调额工作。
图13：
整体电路图
4.2整体原件清单
序号
元器件名称
型号参数
数量
74L系列
译码器
74LS247N
4
锁存器
74LS175N
4
十进制计数器
74LS160N
4
或非门
74LS02N
1
与非门
74LS03N
1
非门
1
与门
74LS08N
2
二极管
LED红色
LED
3
LED绿色
LED
1
共阳七段数码显示管
4
电阻
510Ω
2
10KΩ
1
4.3KΩ
1
4.7KΩ
2
3.3KΩ
2
470Ω
1
100Ω
1
电容
10μF
3
10nF
6
470μF
1
1mF
1
5KΩ
2
2KΩ
1
定时器
555
4
开关
双刀四掷开关
1
第五章总结收获
5.1心得体会
经过我们小组成员的共同努力，终于完成了此次为期1周的课程设计！
起初拿到题目的时候，我们觉得压力很大，因为凭借我们现有的、较为局限的电工学理论知识，完成此次课程设计是有一定困难的，而且一周的设计时间着实有点儿仓促，但是我们还是充满热情地接受此次挑战：
通过小组成员组内讨论交流想法，去图书馆查询、借阅资料，上网搜集相关资料，与指导老师沟通答疑等多种形式，我们对各自负责的电路部分有了详细的了解，并且信心十足，再经过仔细研究和探讨并不断地对电路进行改进，我们最终得到满意的结果，电路完成的相对比较顺利。
在此次课程设计中，我主要负责的是放大整形电路部分，对于这部分电路，我结合课本上的放大电路知识，采用一级放大电路首先将输入信号衰减放大处理；通过与指导老师答疑解惑，老师给出建议可以加一个射极输出器增强带负载能力；
对于波形转换部分，开始我考虑过课本上学过的电压比较器知识，可以将任意形式的波形转换为矩形波，但是最终考虑到电路的可靠性等多方面因素，我还是决定采用施密特触发器来转换矩形波形。
最终使得我对放大整形电路知识有了更为深切的体会与理解。
为期一周半的电子课程设计过程中，我们了解了数字频率计的工作原理，并且进一步学习了模拟电路仿真技术。
同时还发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，认识到自己的思维还是不够活跃。
本次课程设计过程中虽然遇到一些阻碍，但通过我们的努力，最终还是克服了这些困难，让我们体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜,提高了我们独立思考克服困难的能力，注重团队精神，加强合作互助，而且组员们之间的友谊更加深刻了。
设计是我们将来必需的技能，这次设计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。
在实习的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。
同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。
因此，电子课程设计使我们获益匪浅。
5.2存在问题与改进
在档位控制电路中，我们一直想用自动控制，使前其自动换挡，但是经过我们的讨论最终也没能得到一个可行的方案使其自动控制。
于是我们只有放弃自动控制，选择手动控制，是这样在使用时比较麻烦。
而在选择控制开关是有遇到了麻烦，在protel99se的元件库中，我们没有早到双刀四掷开关，于是我们用了两个单刀双掷开关代替，希望通过以后的学习掌握好这一方面的知识。
电路的控制部分中，由于在计数，数码管上面会一直显示数字，由于频率大，会发现数字一直在闪动。
所以在电路中加入74LS175锁存器对计数器输出信号进行锁存，计数完后，让数码管显示计数器计到的数字功能。
为了克服测量低频信号时的不足，可以使用另一种算法。
将被测信号送入被测信号闸门产生电路，该电路输出一个脉冲信号，脉宽与被测信号的周期相等。
再用闸门产生电路输出的闸门信号控制闸门电路的导通与开断。
设置一个频率精度较高的周期信号（例如10KHz）作为时基信号，当闸门导通时，时基信号通过闸门到达计数电路计数。
总体来说，这次实习我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
【参考文献】
1.林涛.数字电子技术基础.第1版.北京：
清华大学出版社，2006
2.林涛.模拟电子技术基础.第1版.重庆：
重庆大学出版社，2003.3
3.崔瑞雪.张增良.电子技术动手实践.第一版.北京：
北京航空航天大学出版社，2007.6
4李玲远.范绿蓉.陈小宇.电子技术基础实验.第一版.北京：
科学出版社，2005.8
5.杨刚.周群.电子系统设计与实践.第一版.北京：
电子工业出版社,2004.1
附件
1、74LS160
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。
图14：
74LS160逻辑管脚图
2、74LS175
外引脚排列图和功能表如图
其中,RD是异步清零控制端。
在往寄存器中寄存数据或代码之前，必须先将寄存器清零,否则有可能出错。
1D～4D是数据输入端,在CP脉冲上升沿作用下，1D～4D端的数据被并行地存入寄存器。
输出数据可以并行从1Q～4Q端引出，也可以并行从1Q～4Q端引出反码输出。
鸣谢
最后感谢知道老师对我们的教导与支持，感谢小组成员积极合作与努力付出。
评语
评审人:
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