数字频率计的设计

长安大学

电子技术课程设计

数字频率计的设计

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目录

引言

第一章系统概述

一、设计方案的选择

1、计数法

2、计时法

二、整体框图及原理

第二章单元电路设计

一、放大电路设计

二、闸门电路设计

三、时基电路设计

四、控制电路设计

五、报警电路设计

六、整体电路图

七、整机元件清单

第三章设计小结

一、设计任务完成情况

二、问题及改进

三、心得体会

鸣谢

附录

引言

题目：数字频率计的设计

初始条件：

本设计可以使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路构建简易频率计，用数码管显示频率计数值。

要求完成的主要任务：

①设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，并用发光二极管表示单位。

②测量频率的范围：100hz—100khz。

③测量信号类型：正弦波和方波。

④具有超量程报警功能。

摘要：

本次课程设是基于TTL系列芯片的简易数字频率计,数字频率计应用所学的数字电路和模拟电路的知识进行设计。在设计过程中，所有电路仿真均基于Multisim仿真软件。本课程设计介绍了简易频率计的设计方案及其基本原理，并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。三是是对本次课程设计的总结。

关键字：频率计、TTL芯片、时基电路、逻辑控制、分频、计数、报警

第一章系统概述

一、设计方案的选择

信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称测频法和测周期法。

1、计数法

计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。

设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：δf1=(f1-f)/f=1/f

从上式可知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。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

2、计时法

计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。

首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1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T1信号进行计数，如图（1-1-2）

图 1-1-2 计时法测量原理

若在T时间内的计数值为N2,则有：

T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2

N2的绝对误差为N2=N+1

N2的相对误差为δN2=(N2-N)/N=1/N

T2的相对误差为δT2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1

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，而与高频标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。

根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。由上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要

求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。

二、整体框图及原理

输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，方波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为方波，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方波。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。（如仿真图 2-1-5）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。（如仿真图 2-1-4）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。时基信号由石英晶体多谐振荡器电路产生，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。

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：控制电路需要控制几个模块。包括计数电路，锁存电路，和译码显示电路。通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清零信号和锁存信号，使显示器显示的