简易数字频率计设计

简易数字频率计设计报告

设计内容：

1、测量信号：方波、正弦波、三角波；

2、测量频率范围: 1Hz~9999Hz；

3、显示方式：4位十进制数显示；

4、时基电路由由555构成的多谐振荡器产生（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得）；

5、当被测信号的频率超出测量范围时，报警。

设计报告书写格式：

1、选题介绍和设计系统实现的功能；

2、系统设计结构框图及原理；

3、采用芯片简介；

4、设计的完整电路以及仿真结果；

5、Protel绘制的电路原理图；

6、制作的PCB；

7、课程设计过程心得体会（负责了哪些内容、学到了什么、遇到的难题及解决方法等）。

电子课程设计过程：

系统设计→在Multisim2001下仿真→应用Protel 99SE绘制电路原理图→制作PCB →撰写设计报告

简易数字频率计课程设计报告

第一章技术指标

1.1整体功能要求

1.2系统结构要求

1.3电气指标

1.4扩展指标

1.5设计条件

第二章整体方案设计

2.1 算法设计

2.2 整体方框图及原理

第三章单元电路设计

3.1 时基电路设计

3.2闸门电路设计

3.3控制电路设计

3.4 小数点显示电路设计

3.5整体电路图

3.6整机原件清单

第四章测试与调整

4.1 时基电路的调测

4.2 显示电路的调测

4-3 计数电路的调测

4.4 控制电路的调测

4.5 整体指标测试

第五章设计小结

5.1 设计任务完成情况

5.2 问题及改进

5.3心得体会附录

参考文献

第一章技术指标

1.整体功能要求

频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。

2.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。

数字频率计整体方案结构方框图

3.电气指标

3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。

3.2 测量频率范围：分三档：

1Hz~999Hz

0.01kHz~9.99kHz

0.1kHz~99.9kHz

3.3 测量周期范围：1ms~1s。

3.4 测量脉宽范围：1ms~1s。

3.5测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误

差）。

3.6当被测信号的频率超出测量范围时,报警.

4.扩展指标

要求测量频率值时，1Hz~99.9kHz的精度均为+1。

5.设计条件

5.1 电源条件：+5V。

5.2 可供选择的元器件范围如下表

门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。

第二章整体方案设计

2.1 算法设计

频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图

2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。

图2-2 频率测量算法对应的方框图

在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s 闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10 ³量级，则要求闸门信号的精度为10 ⁴量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10 ⁴，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合5*10 ³的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10 ³范围内。

但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信

号为0.5Hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍未1s显然是不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s，则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.

2.2 整体方框图及原理

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：测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3个档位。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。时基信号有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。

周期测量：测量周期的原理框图2-4.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间Tx来表示：Tx=NTs 式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为

T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC

重复周期为 T=T1+T2 。由于被测信号范围为1Hz~1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档： 1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz~99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms、0.01ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生1kHz 的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。

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。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。

控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图2-5.