数字频率计

数字频率计

目录

摘要 (3)

第一章设计要求 (4)

原理框图 (4)

设计指标 (4)

设计方案比较 (4)

第二章整体方案设计 (5)

2.1 算法设计 (5)

2.2 整体方框图及原理 (6)

第三章单元电路设计 (7)

3.1整形放大电路设计 (7)

3.2时基电路设计 (9)

3.3闸门电路设计 (11)

3.4控制电路设计 (13)

3.5自动换挡设计 (14)

3.5整体电路图 (16)

3.6整机原件清单 (16)

第四章设计小结 (17)

5.1 设计任务完成情况 (17)

5.2 问题及改进 (18)

5.3心得体会 (19)

第五章参考文献 (19)

摘要

数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。其基本功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。

在数字电路中，数字频率计属于时序电路，本课题主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、隔直，触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。放大整型电路：对被测信号进行预处理；闸门电路：攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：基准信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数码管显示出来。设计中采用了模块化设计方法，采用适当的放大和整形，提高了测量频率的范围。

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。整个设计配以仿真电路图和波形图加以辅助说明。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；二是仿真结果及分析，这部分是为了分析电路是否按理论那样正常工作，便于理解。三是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。最后是对本次课程设计的总结。

关键字：频率计、时基电路、逻辑控制、分频、计数、逻辑显示

第一章 数字频率计的设计

1

2设计目标：

(1) 被测信号的频率范围为1Hz 999KHz ，分为4个档位：

1Hz,10Hz,100Hz,KHz 。

(2) 具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。

(3) 用3为数码管显示测量数据，测量误差小于10%。

(4) 用3个发光二极管表示单位，分别对应3个高档位。

(5) 具有自动换挡功能，即超量程能换高档，欠量程换低档。

3设计方案比较

（1）方案一

本系统采用可控制的计数、锁存、译码显示系统，石英晶体振荡器及多级 分频系统，带衰减器的放大整形系统和闸门电路四部分组成。由晶体振荡器，多级分频系统及门控电路得到具有固定宽度T 的方波脉冲做门控信号，当门控信号到来，闸门开启，周期为TX 的信号脉冲和周期为T 的门控信号相与通过闸门，在闸门输出端产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，知道门控信号结束，闸门关闭。单稳1的哲态送入锁存器的使能端，锁存器将计数器结果锁存，计数正弦波 图1-1 数字频率计原理框图

器停止计数并被单稳2的暂态清零。若取闸门的时间T 内通过闸门的信号脉冲个数为N ，则锁存器中的锁存计数。测量频率可直接从数字显示器上读出。

（2）方案二

纯硬件的实现方法，系统采用由时基电路、放大整形电路、逻辑控制电路和数码显示器四部分组成。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1s ），经过三极管与555构成的施密特整形电路放大整形，由74LS90十进制计数器和74LS273锁存器将所测的频率传给数码管，显示出来。

（3）方案比较

方案一和方案二均可实现课题要求，且方案二可根据闸门时间选择量程范围。而且方案二最大的特点就是全硬件电路实现，电路稳定性好、精度高、没有繁琐的软件调试过程，大大的缩短了测量周期。根据实际实验现有的器件及我们所掌握的知识层面，我们选择采用方案二。

第二章 整体方案设计

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。

被测信号

图2-2 频率测量算法对应的方框图 输入电路 闸门 计数电路 显示电路

闸门产生

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。该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10³量级，则要求闸门信号的精度为10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，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*10³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*10³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，这时闸门脉冲仍是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 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。时基信号由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。

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。