数字电子课设：数字频率计课程设计报告

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ﻬ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

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。

被测信号

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

输入电路 闸门 计数电路

显示电路

闸门产生

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.