频率测量资料汇总2

一、概述
在本设计中，所要求测量的是频率。

可设时钟信号为f，被测量的信号周期为T,在周期为T的时间内测得的时钟信号为n个，则有频率F=nf。

将时钟产生的1KHz的波通过分频器扩大测量范围，以满足1~200的测量范围。

通过测量被测信号的周期从而
得到其频率。

二、方案论证
按照概述中所提到的方案设计的电路有以下几部分组成：时钟产生电路，分频器，脉冲整形电路以及显示电路组成。

如图1为原理框图。

图 1 频率计电路的原
理框图
首先由时钟产生电路产生一个1KHz 频率的方波，这个方波经由分频器放大，共有10倍，100倍，1000倍三种放大选择，以满足测量需要。

接下来是脉冲整形电路，脉冲整形电路是
将将方波，正弦波，三角波整形为方波，其中，方波高电平是信号的一个周期。

接下来是计数器，计数器原理是通过测量整形的高电平一定时间内被放大的信号的数量。

最后是显示电路。

是将通过计数器后测得的数量公告显示电路显示出来。

三、电路设计
1．时钟产生电路
时钟产生电路由一个555计时器和两个电阻以及两个电容组成，它产生一个1KHz频率的方波，其公式为T=（R1+2R2）Cln2。

根据此公式，由于需要产生周期为1ms，频率为1kHZ的
方波，所以取R1=R2=48.089KΩ，电容10nF。

如下图2所示。

图2 时钟产生电路
2.分频器
在该设计中要求满足计数器1~200的测量范围，故本电路使用了3个74LS160D接成十进制同步加法器，完成10倍，100倍或者1000倍
的放大效果。

在下面连接一个频率选择电路，此电路主要由一个八选一数据选择芯片74LS151D组成。

通过选择电路来控制
调节该电路，我们可以通过控制档位的不同来使电路来单独完成10倍，100倍或者1000倍的放大效果，其电
路如下图3所示。

图3 频率选择电路
3.脉冲整形电路
此脉冲整形电路主要是由一个与门74S08D组成。

其原理为若波的输入的幅度低于一定的值，则显示低电平，若大于则显示高电平。

它的作用是将通过它的各种不同的波形诸如三角波、正弦波等变成频率相等的方波。

如下图4所示。

图4 脉冲整形电路
4.计数器和显示电路
计数器是由3个74LS160D组成，这是由于测量范围1~200决定的。

最高位的输出QB取反后接最低位的ENP,ENT。

这样连接是为了使如果被测信号变为低电平时停止计数。

时钟信号通过计数器的CLK输入最低点位。

同样，显示电路用三个DCD-HEX 组成，以对应计数器的3个74LS160。

如下图5所示。

图5 计数器和显示电路
四、性能的测试
1.时钟产生电路测试
输入的波周期为1ms,频率选择为10分频。

结果如下图6所示。

图6 振荡器产生的时钟信号
2.分频器测试
输入一个频率为1KHz的波，通过分频器后结果如下图7所示。

四种波形的频率从下到上分别是后者的10倍。

图7 从上至下依次为第0、1、2、3
级的波形
3.脉冲整形电路
由输入输出波形图可见整形后为方波，且频率相等。

如图8所示。

图8 从上到下依次为被测信号波
形、整形后波形
通过示踪器观察可知，脉冲整形电路的输入输出波形的周期、频率
相同。

4.计数器和显示电路测试
当输入50kHz的时，显示为50kHz.
如图9所示。

图9 显示电路
5.电路整体性能测试
被测信号输入1kHZ的正弦波，档位选择10倍档CBA=001，图中波形从上至下依次为被测波形、10倍档位波形、多谐振荡器产生的波形。

波形和最后的显示结果如图12所示。

图10 从上到下依次为1kHz的被测波形、10倍档位波形、多谐振荡器产
生的波形
通过四踪示波器得到电路中的数据，被测波形的周期为1ms，多谐振荡器产生的波形的周期是1ms，10倍档位波形的周期如图12所示为
10.000ms。

五、结论
这个周期测量电路可以测量方波、正弦波、三角波等波。

基准时钟信号周期为lms。

有4个测量档位，分别
1kHz、100Hz、10Hz、1Hz档。

测量范围是lkHz到200kHz。

测量的最小精度是lkHz。

结果用LED数码管显示，有手动开始和复位功能。

六、性价比
综合各种因素来看，该方案设计的电路经济实惠，操作简单。

该电路中的元器件数量较少，价格低廉，电路的总体性能比较稳定，误差较小，测量范围大。

由此可见该方案的性价比还是很高的，很具有实际应用性。

七、课设体会及合理化建议
通过本次课程设计，我的数字电子技术基础的理论知识有了进一步巩固，
对所学的各芯片的功能和使用方法有了更加清晰的认识。

亲自动手实验也使我更加熟练地运用各种器材设备来解决一些实际问题。

在此过程中，我也进一步熟悉了所用的Multisim仿真软件和实验箱的功能和使用方法。

为以后进一步学习相关知识打下了很好的基础。

但我也发现了在学习中没有发现和注意到的缺点和不足，比如对芯片的相关命令和使用方法还不够熟练，在使用过程中，电路连接得也不是很高效和完美；仿真时，对软件和硬件的使用还不熟练，还有很多功能没有使
用过和不会使用，甚至不知道。

通过这次课程设计，我发现了许多不足，我会在以后的学习中尽量弥补我的这些不足，努力学习相关知识，尽量多使用Multisim仿真软件和各种设备来解决生活中的一些实际问题，来提高自己。

我还会虚心的向同学和老师请教，向学习好的同学学习，使自己尽快的赶上他们，甚至超过他们，争取学以致用，在以后的工作中
参考文献
1．童诗白、华成英主编者 . 模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出
版社，2008年
2．谭博学主编. 集成电路原理与应用. [M]北京：电子工业出版社，2006
年
3．谢自美主编. 电子线路设计、实验、测试.[M]武昌：华中科技大学出
版社，1992年
4．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.[M]北京：国防工业出版社，
2007年
5.张庆双主编.全新实用电路集粹上、下册.[M]北京：机械工业出版社，
2008年
附录I 总电路图
附录II 元器件清单
序号编号名称型号数量
1 U9 555定时器LM555CM 1
2 U1、 U2、U3、U4、U6、U7、U15
十进制同步计数器74LS160D 7 3 U10、U11、U12 LED数码显示管
DCD_HEX 3
4 U
5 八选一数据选择器74LS151D 1
5 U30、U31 与非门NAND2 2
6 U17A 与门 74S08D 1
7 U13、U16 或门 7405N 2
8 J3、J4、J5 开关 Key=A 3
9 J1 手动开关K ey=space 1
10 C1 电容 C1=10nF 1
11 C2 电容 C2=1.0uF 1
12 R1、R2 电阻 R1=R2=48.089 KΩ2
信号频率测量仪
院系：电气与信息工程学院
设计人：胡梦滢李莲李进中
目录
一、设计题目及摘要
二、引言
三、方案设计
四、优选方案详述
(一)、基本设计原理
（二）、信号频率测量仪单元电路与分析
1.待测信号产生电路
2.整流电路
3.倍压电路
4.时基电路
5.标准4MHz信号产生电路
6.放大与整形电路
7.闸门
8.计数锁存及译码电路
9.逻辑控制电路
10.测周期小数点控制电路
11.发挥部分
五、结论
六、附录
一、设计题目及摘要
（一）、任务
设计并制作一个信号频率测量仪，示意图如图2如示。

（二）、设计要求
基本要求：1. 自制被测信号源，可以输出正弦波、方波、三角波
2. 频率测量范围：1kHz～100kHz，测量误差≤1%
3. 具有十进制数字显示功能
发挥部分：1、扩展频率测量范围：1Hz～1MHz，测量误差≤0.1%
2、具有周期测量功能
3、其它有益附加功能
（三）、摘要：
频率计又称频率计数器，是一种用十进制数字显示被测量信号频率的数字测量仪器。

其基本功能是测量外加的正弦信号、方波信号、三角波信号、尖脉冲信号以及其他各种周期性信号单位时间内的变化量。

本次设计用直接测频法，即用计数器计算输入信号1秒内脉冲的个数，此时我们称闸门时间为1秒。

它是由模块电路组成，包括各种集成块、逻辑器件、简单的电子器件构成的简易数字频率计。

本设计用了扩展电路，可以扩大频率的测量范围，以更广泛的应用于实际。

（四）、关键词：
信号频率测量仪集成电路放大整形锁存器单稳态触发器译码电路
二、引言
信号频率测量仪，是一种用十进制数字显示被测量周期信号频率的数字测量仪器。

频率是周期信号在单位时间（1s）内变化的次数。

如果能在一定的时间内对信号的波形变化进行计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。

数字频率计必须先获得相对稳定和准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。

本次设计基本频率测量范围采用直接测频法，即用计数器计算输入信号1秒内脉冲的个数，并通过七段数码管直接显示出信号频率；而低频段通过测量周期达到频率测量的目的。

信号频率测量仪主要由以下几部分构成：时基电路、高频标准脉冲发生器、待测信号放大整形电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。

在一个测量周期过程中，被测周期信号经过放大、整形后形成特定周期的矩形脉冲被计数器进行脉冲个数计数。

在该设计的基本频率测量部分中，采用闸门时间为1秒（闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长；闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受到影响）；在该设计的低频测量部分中，将高频标准脉冲接入闸门，通过待测信号控制闸门
开关，标准时基信号做计数脉冲，通过测的信号的周期T
x 然后计算f
X
=1/T
x
得到。

拓展部分我们设计了超量程报警单元。

三、方案设计
通过在图书馆及上网查阅型关资料，并结合自己在大二学过的模拟电路、数
字电路的基本知识，我想出了以下方案来实现该系统功能。

方案一：双计数器多周期同步测量法
双计数器多周期同步法频率测量，就是将预置的时间信号和被测信号同时输入到同步电路，在同步信号输出端得到一个闸门信号，闸门信号同时控制闸门A和闸门B的开启和关闭。

在相同的闸门开启时间内，两个计数器分别对标准信号和
待测信号进行计数。

假设由计数器A计得的数为N
S ，计数器B记得的数为N
X
，则
有：
N
S = T
G
f
S
(1)
N
X = T
G
f
X
(2)
由式（1）、（2）得：
F
X = N
X
f
S
/N
S
根据上式计算可得被测信号频率值。

方案二：直接测量与间接测量结合法
由于设计对测量范围和精度的规定，基本测量范围：1kHz～100kHz，误差≤1%；拓展频率测量范围：1Hz～1MHz，误差≤0.1%。

如果仅采用直接测量的方法，则测量出来的低频信号误差较大，不能满足要求。

所以采取直接测量与间接测量相结合的方法。

对于较低频信号（1Hz～1kHz），将高频标准脉冲接入闸门，通过待测信号控
制闸门开关，标准时基信号做计数脉冲，通过测的信号的周期T
x 然后计算f
X
=1/T
x
得到。

对于高频信号（1kHz～1MHz），采用闸门时间为1秒（闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长；闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受到影响）。

优选方案
由于方案一需经过计算才能得到待测信号的频率，而且误差不易控制；而方案二虽然电路结构会相对复杂，但可以确保所得结果的精确度，故本次设计选用方案二。

四、优选方案详述
（一）、信号频率测量仪的基本设计原理
1、系统框图及简要分析
由设计任务书上的要求，可设计如下系统电路框图，见图一：
图一
对各电路框图作如下说明：
(1).时基电路是指用来产生一个标准信号，1s的标准时间信号由定时器555构
成的多谐振荡器产生；4MHz的标准高频脉冲由一个晶振电路产生。

(2).波形的放大和整形是指将待测信号放大和整理成方波。

(3).闸门电路是指利用较低频率的信号控制闸门开关以输出计数脉冲。

(4).计数器是对计数脉冲的高电平进行计数。

(5).锁存器是对计数器输出的数值进行锁存。

(6).译码显示部分是指用集成的译码显示器及数码显示管构成的一个译码显示
电路。

2、设计技术参数
(1).测量信号幅值范围0.5~5V。

(2).显示方式：六位十进制数码管显示。

(3).测量范围及误差：1kHz～100kHz，误差≤1%；1Hz～1MHz，误差≤0.1%
(4).测量响应时间：≤1秒。

（二）、信号频率测量仪单元电路与分析
1、待测信号产生电路
设计要求自制信号源，可以输出正弦波、方波、三角波，故选用精密函数发生器ICL8038。

电路接法如图二：
图二
ICL8038功能特性简介
ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部组件就能产生从0.001HZ～300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。

ICL8038的引脚图如图三
图三
2、整流电路
由于电子元件的工作电压通常为5V左右的直流电压，故需要一个整流电路将220V的交流电调整为5V的直流电压输出作为电源供给整体电路。

图四即为该信号频率测量仪的整流电路：
图四
3、倍压电路
由于选用的电子元器件的工作电压分别为5V和10V，而整流变压器产生的直流电压为5V，故需要一个倍压芯片实现倍压，本设计选用的芯片是MAX660,见图五：
图五
4、时基电路
时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1秒），可以由定时器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。

若振荡器的输出波形如图一中的波形所示，其中t 1=1s, t 2 =0.25s,根据公式：
t 1=0.7(R 1+R 2)C,t2=0.7R 2C
由此可算出电阻R1和R2及电容C 的值。

见下图六：
图六
5、标准4MHz 信号发生电路
此电路产生的标准高频信号用于测量待测信号的周期。

同时若测低频信号时依旧采用555定时器产生的标准时间信号（高电平持续时间为1s ）控制闸门的开关，会导致较大误差，无法保证则的数据的精确度。

故在测量低频信号时我们选择采用先测量信号的周期，再利用公式f X =1/T x 计算得到待测信号的周期。

这就需要一个新的标准高频脉冲信号作为计数信号，并利用待测信号的高电平控制闸门开关。

标准4MHz 信号发生电路如下图七（a ），有高频等效电路图可看到，V1管的c 、e 极之间有一个LC 回路，其谐振频率为：
f=
0.410
33010
7.421
12
6
≈⨯⨯⨯--π
MHz
所以在晶振工作频率5MHz 处，此LC 电路等效为一个电容。

可见，这是一个皮尔斯振荡电路，晶振为等效电感，容量为5~35pF 的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率4MHz 上。

图七
6、放大与整形电路
放大整形电路由晶体管3DG100与74LS00等组成，具体电路见图八所示。

其中3DG100组成放大器将输入频率为fx的正弦信号、三角波信号、方波信号等周期信号进行放大。

而与非门74LS00则可以构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，将其调整为矩形脉冲送入闸门。

图八
7、闸门
所谓闸门就是一个与非门，即使用频率较小的信号的高电平控制闸门的开关，从而在单位时间内输出相应的计数脉冲。

如下图八
图八
8、逻辑控制电路
如图一b所示波形在计数信号II结束时产生锁存信号IV，锁存信号IV结束时产生清“0”信号V。

脉冲信号IV和V可由两个单稳态触发器74LS123产生，他的脉冲宽度邮电路的时间常数决定。

设锁存信号IV和清“0”信号V的脉冲宽度t
w 相同，吐过要求t
w
=0.02s，则
得tw=0.45R
ext C
ext
=0.02。

若取R
ext
=10kΩ,则C
ext
=t
w
/0.45R
ext
=4.4μF。

由74LS123的功能可得，当1
D
R=1B=1，触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q
1可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图一所示的波形IV和V的要求。

手动复位开关S按下时，计数器清零。

用74LS123（1）的1Q高电平输出接锁存器的CP使能端（上升沿触发锁存），1Q低电平输出脉冲作为74LS123（2）的触发脉冲，74LS123（2）2Q低电平输出端，用于控制计数器的清零。

这样计数器的清零脉冲就较锁存器的使能信号有一定延时。

如图九：
图九
74LS123简介
74LS123为两个可以重触发的单稳态触发器，共有54/74123和54/74LS123两种线路结构形式，七主要电特性的典型值如下：
123的输出脉冲宽度t
wQ 有三种方式控制。

一是通过选择外定是原件C
EXT
和RT
值来确定脉冲宽度，二是通过正触发端（A）或负触发端（B）的重触发延长t
WQ
，
三是通过清除端（CLR）的清除使t
WQ
缩小。

管脚图如下图十：
图十
九、计数锁存及译码电路
从闸门输出的计数脉冲送入已连成十进制计数器计数器的74LS390的CP0端，计数器的输出接锁存器74LS273，锁存后的信号经七段译码器送入七段数码管并显示出计数数值。

连接电路见图十一：
图十一
74LS390简介
74LS90功能：十进制计数器（÷2 和÷5）
原理说明：本电路是由4个主从触发器和用作除2计数器及计数周期长度为除5的3位2进制计数器所用的附加选通所组成。

有选通的零复位和置9输入。

为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B输入同QA输出连接，输入计数脉冲可加到输入A上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。

LS90 可以获得对称的十分频计数，办法是将QD 输出接到A 输入端，并把输入计数脉冲加到B 输入端，在QA 输出端处产生对称的十分频方波。

引脚图见图十二：
图十二
74ls273简介
74LS273是8位数据/地址锁存器，他是一种带清除功能的8D触发器，下面我介绍一下他的管脚图功能表等资料。

1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;
(2).当1脚为高电平时,11(cp)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上.其引脚图见下图十三：
图十三
10、测周期小数点控制电路
由于测周期得到的脉冲计数需经过处理才能的到正确的数字，例如待测信号的频率是100Hz,用于周期测量的高频计数脉冲为1MHz，在一个闸门打开所得的脉冲数为10k，而100Hz的信号周期为0.01s，所以，测周期时应保持最高位数码管的小数点常亮。

在此我设计了一个双刀双掷开关，当标准信号输入为1s时，接小数点控制端的一段悬空，当标准信号接1MHz时，小数点控制端接高电平5V。

原理如下图十四：
图十四
11、发挥部分
超量程报警
本电路采用6位数字显示，最高显示为999999。

因此，超过999999就应该报警，即当最高位达到9（即1001）时，如果次高位上再来一个时钟脉冲（即进位脉冲），就可以利用此来控制蜂鸣器报警。

电路如下图十五：
图十五
五、结论
本次对频率测量仪的设计基本满足了设计对量程、精度和具有测量周期功能的要求，并附加了超量程报警功能。

该设计我较为不满意的是对于低频信号频率的测量。

由于本设计对低频信号频率的测量是通过测周期实现的，即用大测信号的高电平来控制闸门的开关，得到的脉冲数经过处理在七段数码管上显示的到的是周期数据而非频率，为了得到频率信号，必须手工计算。

再者，测周期的标准信号我选用的是1MHz的高频脉冲，这与拓展量程的上限一致，就导致测量高频信号周期时，存在较大误差。

但由于时间有限，设计题目对拓展量程范围的周期测量精度也无具体要求，就没有进行进一步的完善与修改。

经过本次设计，我们初步掌握了电子、电路设计的基本方法与思路。

根据设计电路的任务与指标初选电路，经过查阅资料与研究，进行相关数据计算，最后确定优选方案。

另外，我们对于一些元件和电路的构成又有了进一步的了解，巩固了常用电子器件的正确使用方法，进一步熟悉芯片的结构，了解了多种芯片的工作原理与使用方法。

更重要的是我提升了通过查找资料来填补知识漏洞的能力；经过本次的电路设计，使我们逐步树立正确、严谨的学习态度，并注重理论联系实际，为以后实践性学习打下良好基础。

现阶段我们学到的知识还是很有限的，需要通过不断地学习与积累才能不断地进步。

所以在以后的学习过程中，我们应该更加明确自己的目标，在专业知识的学习中得到更大的收获。

附录
一、部分电子元件清单
二、参考文献
1.康华光等编著电子技术基础数字部分（第五版）高等教育出版社
2.康华光等编著电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社
3.陈振官等编著数字电路及制作实例国防工业出版社
4.周冰航蔡明生等编著数字电路实验与设计湖南大学出版社
5.陈永甫编著数字电路基础及快速识图人民邮电出版社
6.包亚平等编著数字逻辑设计与数字电路实验技术中国水利水电出版社知
识产权出版社
7.高吉祥主编电子技术基础实验与课程设计电子工业出版社
8.肖果和编著实用报警电路300例北京：中国电力出版社
9.韩广兴等编著电子元器件与实用电路基础北京：电子工业出版社
10.杨帮文编著新型集成器件实用电路北京：电子工业出版社
11.郁有文等编著传感器原理及工程应用（3版）西安：西安电子科技大学
出版社
12.陈有卿编著通用集成电路应用与实例分析北京：中国电力出版社。