简易频率计课程设计要点

目录

1 技术要求及系统结构 (1)

1.1技术要求 (1)

1.2系统结构 (1)

2设计方案及工作原理 (2)

2.1 算法设计 (2)

2.2 工作原理 (3)

3组成电路设计及其原理 (6)

3.1时基电路设计及其工作原理 (6)

3.2闸门电路设计 (7)

3.3控制电路设计 (8)

3.4小数点控制电路 (9)

3.5整体电路 (10)

3.6 元件清单 (10)

4设计总结 (11)

参考文献 (11)

附录1 (12)

附录2 (17)

摘要

简易数字频率计是一种用四位十进制数字显示被测信号频率（1Hz—100KHz）的数字测量仪器.它的基本功能是测量正弦波，方波，三角波信号，有四个档位（×1，×10，×100，×1000），并能使用数码管显示被测信号数据，本课程设计讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成部分，记述了在整个设计过程中对各个部分的设计思路、对各部分电路设计方案的选择、元器件的筛选、以及在设计过程中的分析，以确保设计出的频率计成功测量被测信号。

关键词：简易数字频率计十进制信号频率数码管工作原理

1技术要求及结构

本设计可以采用中、小规模集成芯片设计制作一个具有下列功能的数字频率测量仪。

1.1技术要求

⑴要求测量频率范围1Hz－100KHz，量程分为4档，即×1、×10、×100、×1000。

⑵要求被测量信号可以是正弦波、三角波和方波。

⑶要求测试结果用数码管表示出来，显示方式为4位十进制。

1.2 系统结构

数字频率计的整体结构要求如图1-1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。

图1-1 数字频率计系统结构框图

2 设计方案及工作原理

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。

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 工作原理

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4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.