数字频率计.doc

简易数字频率计的设计

简易频率计

一、设计任务与要求

1．设计制作一个简易频率测量电路，实现数码显示。

2．测量范围：0Hz~9999KHz

3．测量精度： 1Hz。

4. 输入信号幅值：20mV~5V。

5. 显示方式：4位LED数码。

二、方案设计与论证

我设计了两个稍微有点区别的方案，成功的是第二个，第一个在后边遇到的问题中做了解释。

频率计是用来测量正弦信号、矩形信号、三角形信号等波形工作频率的仪器，根据频率的概念是单位时间里脉冲的个数，要测被测波形的频率，则须测被测波形中1S里有多少个脉冲，所以，如果用一个定时时间1S控制一个闸门电路，在时间1S内闸门打开，让被测信号通过而进入计数译码器电路，即可得到被测信号的频率fx。

任务要求分析：

频率计的测量范围要求为0Hz~9999KHz，且精度为1Hz，所以有用4片10进制的计数器构成1000进制对输入的被测脉冲进行计数；要求输入信号的幅值为20mV~5V，所以要经过衰减与放大电路进行检查被测脉冲的幅值；由于被测的波形是各种不同的波，而后面的闸门或计数电路要求被测的信号必须是矩形波，所以还需要波形整形电路；频率计的输出显示要经过锁存器进行稳定再通过4位LED数码管进行显示。

经过上述分析，频率计电路设计的各个模块如下图：

根据上述分析，频率计定时时间1s可以通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1000Hz的脉冲，再进行分频成1Hz即周期为1s的脉冲，再通过T触发器把脉冲正常高电平为1s；放大整形电路通过与非门、非门和二极管组成；闸门电路用一个与门，只有在定时脉冲为高电平时输入信号才能通过与门进入计数电路计数；计数电路可以通过4个十进制的计数器组成，计数器再将计的脉冲个数通过锁存器进行稳定最后通过4个LED数码显像管显示出来。

三、单元电路设计与参数计算

时基电路：

时基电路是由555定时器构成的振荡器组成，其功能为产生标准时间为1秒的脉冲，选取振荡器的频率，其中高电平的时间为t1=1秒，低电平时间为0.25秒。利用t1=0.7(R1+R4)C2，t2=0.7R4C2。选取 CCD=100uF，则R4=3.57kΩ，R1=10.7kΩ。

闸门电路：

闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲，在电路中用一个与非门来实现。当标准信号（正脉冲）来到时闸门开通，被侧信号的脉冲通过闸门进入计时器计数；正脉冲结束时闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。

计数译码显示电路：

计数译码器显示电路由74LS90N、74LS273N以及显示器组成。计数电路是用74LS90N 十进制计数器构成，输出4位二进制数；74LS273N用来实现锁存和使计数器清零的功能，在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启，计数器开始计数，在同一脉冲的下降沿到来时，闸门关闭，计数器停止计数。显示器具有译码和显示作用。

四、总电路工作原理及元器件清单

1．总原理图

2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）

所设计的频率计将被测周期信号整形为同频率的方波信号后，利用555定时器组成的振荡电路所产生的频率为1Hz的标准方波，作为基准时钟，与被整形后的方波信号一起经过闸门电路处理输入计数电路，再利用74LS90N的十进制计数功能进行级联计数，输入锁存器74LS273N以实现锁存和清零功能，最后输入到译码显示电路中显示出来，实现对被测周期信号的频率测量并显示的功能。

五、仿真调试与分析

在Multisim10.0中利用示波器测试各个分支电路的波形图，测试脉冲生成电路、时基电路等是否正常工作。

（1）信号发生器产生的波形如下：

（2）经整形后的待测方波信号

（3）标准时钟信号波形

①在信号输入端输入9Hz的交流脉冲，仿真，结果如下：

说明仿真的结果准确

②在信号输入端输入1800Hz的交流脉冲，仿真，结果如下：

相差10HZ

③在信号输入端输入3000Hz正弦脉冲，仿真，结果如下：

仿真结果结果与实际的结果相差16Hz，这说明频率越高，误差越大。

六、出现的问题：

在这次课程设计中也遇到了很多问题：

1. 对元器件了解不多，对于要实现某种功能不知道用那一种元件，所以问同学，上网收索，再了解这种元件的逻辑功能，学会去用它，开始任务中的CD40110芯片找不到，搜索发现没有一个芯片可以替代此芯片，于是搜索了CD40110的功能用锁存器计数器译码器来组成此电路，通过电路整合重新设计了电路，这是从前没遇到过的问题，相信以后即使没有某芯片自己也可以进行仿真，在上网搜索中也了解到自己亦可以重新进行芯片设计，但是过程有点复杂，在multisim中设计CD40110有点困难；

2.在用multisim仿真高频率时仿真速度极慢，所以调整了软件的仿真最大步长，但问题又出现了，信号紊乱，数码管显示数字不一，然后就猜想会不会是元件的问题，太高频率元件来不及反应就输出结果，但上网寻找答案，原来是软件的仿真步长会影响仿真的精确度，所以，某一范围的频率仿真，要用相应的最大仿真步长；

3.我意外的发现显示管的类型影响仿真速度而且比步长影响大，发现我这个试验中所用的显示管仿真速度最快，感觉挺意外的。

4.

实验时我还用了这个方案,但是这个方案无法的得到结果，用了阳极显示管和74LS47N仍不能得到结果。

七、结论与心得

在这次课程设计的过程中，我收获不少。首先，我学会了把一个电路分成模块去设计，最后再整合，这样可以把一个复杂的电路简单化了，并且这样方便与调试与修改；其次，设

计有助了我去自学一些元器件的功能，去运用它；再次，我也初步会用multisim软件设计电路；最后，这次课程设计也提高了我查找问题、思考问题和解决问题的能力，还锻炼了我的耐性。

这个题目的设计花了自己不少心血，一整天在弄，但是当自己成功地设计出电路时所获得的那一份成就感是无法表达的，所以整个电路的设计过程充满着苦恼与乐趣。

附录：元器件清单