数字频率计设计报告

数字电子技术课程设计

数字频率计的设计

*名：***

学院：工学院

专业：电气工程及其自动化

学号：***** 505

指导教师：刘权吴敏

2014年06月04日

目录

目录 (2)

1 设计任务与要求 (3)

1.1 基本功能 (3)

1.2 扩展功能 (3)

2 设计原理 (3)

3 电路设计 (4)

3.1 整形电路 (4)

3.2脉冲波形产生及分频电路 (6)

3.3 闸门电路 (8)

3.4 计数电路 (9)

3.5 锁存显示电路 (11)

3.6 超量程报警显示电路 (12)

3.7 单稳态触发器电路 (13)

3.8 整机电路 (14)

3.9 说明 (15)

3.10 仿真结果 (15)

4 元器件清单 (19)

5 设计体会 (21)

参考资料 (22)

数字频率计的设计（第十组）

1 设计任务与要求

1.1 基本功能

1）能够测量正弦信号，矩形信号等波形的频率；

2）测量信号的频率范围为1HZ~100KHZ，分辨率为1HZ；

3）测量结果直接用十进制数值计数，通过五个数码管显示；

4）具有自较和测量两种功能；

5）测量误差小于5%；

6）多谐振荡器采用12M晶振电路，闸门用与门实现，显示用共阳极数码管。

1.2 扩展功能

1）分成四个频段，即1~99Hz,100~1KHz,1~10KHz,10~100KHz；

2）有超量程警告功能，当测量信号频率超过所选档位的量程时，频率计发出铃声警报。

2 设计原理

脉冲信号的频率就是在单位时间(1s)里产生的脉冲个数，若在一定时间间隔tw内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为：

f=N/T

数字频率计的总体框图如图1所示：

图1

数字频率计由七大基本电路组成：放大整形系统、闸门电路、多级分频电路、可控的计数系统、锁存译码显示电路、超量程报警系统、单稳态信号产生电路。经过放大整形后变为方波信号，当门控信号到来后，闸门电路开启，时间为T1，计数器实现计数功能，T1时间过后闸门关闭，计数停止，锁存器使能端置零，计数结果被锁存，通过数码管可以方便读出被测信号频率。

3 电路设计

3.1 整形电路

1）功能：将被测信号整形成方波，方便计数。

2）整形电路如图3所示：

图3.1

3）整形电路原理及功能实现：

用555定时器构成施密特触发器，用施密特触发器对波形的整形功能。利用施密特触发器可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

图3.10 4）整形电路的输入输出波形：

图3.11

图3.11为输入信号是正弦波时整形电路的波形图。

3.2脉冲波形产生及分频电路

1）多谐振荡器电路

图3.21

图中，晶振用12M晶振元件，反相器是7404非门，R1=560Ω,R2=1.8kΩ,R3=220Ω,R4=220Ω,电路将产生12MHz的矩形脉冲波。

2）多级分频器电路

图3.22

图3.22是两个D触发器，通过D与Q¯¯相连，S R接地，构成二分频电路，相连接即是四分频。

图3.23

图3.23所示是六十分频电路，参照数字电子计数实验教程实验十一脉冲分配器及其使用（P.60），用两片CC4017和一片CC4013及与非门实现（将第二片5端和第一片11端接与非门）.

图3.24

图3.24所示为5片74160级联的10^5分频器，结构原理同《数字电子技术基础》书上P.303百进制计数器。通过选取不同片数过来的RCO作为闸门信号，即可实现0.5Hz 5Hz 50Hz 500Hz不同频率信号。

3.3闸门电路

1）闸门电路功能：

只有当闸门开启时，计数器才实现计数功能，计数器开启的时间就是闸门开启时间。计数结果为外界整形之后得到的方波的负脉冲个数。可见，当闸门开启时间一定时，被测信号频率可由计数结果与闸门开启时间相除求得。

2）闸门电路图如3.3所示：

图3.3

3）闸门电路原理及功能实现：

闸门电路用与门实现，即在闸门信号（采集信号）高电平时，将所测信号采集送入计数器，到低电平后结束，由于闸门信号是用高电平计时，因此在用1s采集计数时，闸门信号频率为0.5Hz

4)闸门电路输入输出波形：

下图为分别选择分辨率为1HZ（图3.31）、10HZ（图3.32）、100HZ（图3.33）、1000HZ （图3.34）的档位，闸门电路输入输出的波形图.由图可知，当施密特触发器触发输入端输入一个触发信号（下降沿）时，其输出端输出一个时间为tw的高电平，tw分别约等于1s,100ms,10ms,1ms.

图3.31 图3.32

图3.33 图3.34

3.4计数电路

1) 计数电路的功能：

脉冲信号进入十进制计数器，在闸门时间T1=tw内,累计信号脉冲个数N=T×f，计数器通过对脉冲信号计数，可直接或间接测出周期信号的频率。

2）计数电路如图3.4所示：

图3.4

3）计数电路原理及功能实现：

计数电路所选芯片为74LS160，该芯片为可预置的十进制同步计数器。其真值表如表2所示：