简易数字频率计.docx
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简易数字频率计
北华航天工业学院
《电子技术》
课程设计报告
报告题目：
简易数字频率计
作者所在系部：
作者所在专业：
作者所在班级：
作者姓名：
作者学号：
指导教师姓名：
完成时间：
2010年6月20日
课程设计任务书
课题名称
简易数字频率计的设计
完成时间
6.20
指导教师
职称
学生姓名
班级
总体设计要求和技术要点
设计一个数字式频率计，要求如下：
设计一简易数字频率计，要求：
（1）测量信号范围：
方波、正弦波；幅度：
0.5V～5V；频率：
1Hz～9999Hz；
（2）最大读数是9999Hz，闸门信号的采样时间为1s；
（3）采用4位数码显示；
（4）扩展：
闸门信号可以改为1s、0.1s、0.01s、0.001s四个档位，用一个开关切换量程。
工作内容及时间进度安排
课程设计成果
1．与设计内容对应的仿真结果
2．课程设计总结报告
内容摘要
在当代电子设备中运用中，经常要测量一个波形的频率，然后对其进行分析研究。
为了测量频率，就要用到频率计。
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。
频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。
正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。
在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。
频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。
在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。
在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。
本次设计为简易低频数字频率计，用于测量正弦波，方波，三角波的频率。
测量范围：
幅度：
0.5V～5V；频率：
1Hz～9999Hz
目录
一、概述…………………………………………………………………1
二、方案设计与论证………………………………………………………………1
1．测频脉宽法…………………………………………………………………1
2．测周法………………………………………………………………………1
3．测周期法……………………………………………………………………2
4．F/V与A/D法…………………………………………………………………2
三、单元电路设计与分析…………………………………………………………3
1放大整形电路…………………………………………………………………3
2．时基电路……………………………………………………………………3
3．计数，锁存，译码，显示电路……………………………………………4
四、总电路图及元器件清单…………………………………………………………6
五、仿真及结果………………………………………………………………………7
六、结论………………………………………………………………………………8
七、收获与体会……………………………………………………………………8
八、参考文献………………………………………………………………………8
一、概述
本实验利用施密特触发器将输入信号整形未方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。
二、方案设计与论证
频率计是直接用十进制来显示被测信号的一种测量装置。
可以测量正弦波，方波，三角波的频率。
利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1S内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。
常用频率测量方法有以下四种。
1．测频法
测频法的基本思想是：
对频率为f的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门信号宽度为T1）对被测信号重复周期进行计数，当计数结果为N时，其信号频率为f=N／T1）
被测信号f
闸门信号
T1
图1测频法的原理框图
2．测周法
首先把被测信号进行二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期的方波信号，然后用一个已知周期Ts的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期时间内对fs信号进行计数，如下图
被测信号二分频
T
高频信号fs
N
测周法的原理框图
1
若在T时间内的计数值为N，则T=N·Ts
测周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号频率成反比。
当fs为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。
由于测周法所获得的信号周期数据还需要倒数运算才能得到信号频率，而二进制数据的求倒数运算用中小规模数字集成电路却较难实现，因此，测周法不适合本设计要求。
3．测周期（频率）法
周期（频率）测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频标准计数信号fs进行计数，其测量原理如下图所示
测周法的原理框图
在确定的检测时间内，若对被测信号f的计数值为N，对高频信号fs的计数值为N2，则所测信号频率为
f=1/T=N1/（N2·Ts）=（N1·fs）/N2
可见，周期（频率）法需要进行除法运算才能得到信号频率，这用中小规模数字集成却较难实现，因此，该方法不适合设计要求。
4．F/V与A/D法
这种频率测量法是先通过F/V变换，把频率信号转换成电压信号，然后再通过A/D转换把电压信号转换成数字信号，在对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。
根据性能与技术指标的要求，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。
根据以上方法和原理的讨论，本设计采用测频法。
2
由于测频法的测量误差与信号频率成反比：
信号频率越低，测量误差越大；信号频率越高，误差越小。
用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1s时，不需要进行任何换算，计算器所测数据就是信号频率。
另外，在信号频率较低时，如1~100HZ，可以通过增大闸门时间来提高测量精度。
三、单元电路设计与分析
1．放大整形电路
+5v
-5v
利用LM324构成的反向比例放大电路对信号进行放大，放大倍数为R4／R3，本设计放大10倍，由于直流电源电压为5V，可以起限幅作用，所以最大输出电压为5V。
再利用555构成的单稳态电路对放大信号进行整形，即可得到与被测信号同周期的方波信号。
2．时基电路
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，闸门信号开通，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。
时基电路由555定时器构成的多谢振荡器实现。
时基电路如下图所示。
闸门时间为（R1+R2）×C,通过改变电容值可得到1s，0.1s,0.01s,0.001s的闸门信号
3
3.控制电路
控制电路由555构成的单稳态电路来构成，逻辑控制电路利用标准时间信号结束后产生的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，锁存信号的脉冲宽度由单稳态电路本身的时间常数决定。
4．计数，锁存，译码，显示电路
4
计数器用四个同步十进制加法计数器74LS192构成，锁存器用两个74LS273，锁存器的作用是将计数器在1s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。
当时锁存信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
高电平结束后，无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变，所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。
译码器采用共阴极显示译码器74LS48,数码管则采用四
个7SEG-COM-CATHODE。
5
四、总原理图
总原理图
元器件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
R1、R4
10WATT0R1
电阻
各1个
100K
R2
10WATT0R1
电阻
1个
42K
R3、R5
10WATT0R1
电阻
1个
10K
R6
10WATT0R1
电阻
1个
1M
C1C3C6C7C8
AUDIO100N
电容
各1个
0.01uF
C2
AUDIO100N
电容
1个
10uF
C4
AUDIO100N
电容
1个
0.1uF
C5
AUDIO100N
电容
1个
1uF
U11、U14、U16
555
555定时器
各1个
--
U13：
A
74LS04
非门
1个
--
SW1
SW-ROT-4
开关
1个
--
U15：
A
LM324
集成运算放大器
1个
--
U12：
A
74LS08
或门
1个
--
U1~U4
74LS192
计时器
各1个
--
U5、U6
74LS273
锁存器
各1个
--
U7~U10
74LS48
译码器
各1个
--
7SEG-COM-CATHODE
七段显示数码管
4个
--
GROUND
接地
6个
--
DC
直流电源
3个
+5V
SINE
正弦电压源
1个
1kV
7
五、结论
本设计误差来源于闸门信号，由于电阻电容精确度不高，不能产生标准的1S闸门信号，送入计数器的脉冲个数超过1S内被测信号的脉冲数，所以出现误差。
六、收获与体会
通过本次的课程设计，加深了我对数字电子技术模拟电子两门课程的理解，强化了我对相关知识的记忆，提高了我对所学知识的应用，比如计数器，锁存器，译码器的原理与使用。
在设计的过程中，由于综合应用了各种学习、应用软件，例如：
word、proteus等。
通过这次设计，我知道了团队合作的所带来的快乐，集体的力量的强大性！
设计中曾遇到很多问题，在一次次成功解决问题的过程更带来了一次次的成就感，更加激发了我对这门课程的热爱,同时培养了我严谨踏实的学习作风，为将来的工作打下了一定基础。
八、参考文献
《电子技术动手实践》主编崔瑞雪张增良
电子发烧友
电子发烧论坛
《电子电路实验及仿真》路勇主编，清华大学出版社
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