数字式频率计设计

数字式频率计的设计

摘要

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量显得更为重要。数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一，同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器。数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来，换算成频率并以数字形式显示出来。数字频率计用于测量信号（方波，正弦波或其他周期信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量速度快，读数直观，使用方便等优点。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点。本次设计的数字频率计以555为核心，采用直接测频法测频，能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等。根据显示的频率范围，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；根据输入信号的幅值要求，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，通过这些整体要求，由显示部分，计数部分，逻辑控制部分，时基电路部分，构成简易的频率计的设计。

目录

一．设计任务和要求 (3)

1.设计任务 (3)

2.设计要求 (3)

二．系统设计 (4)

1.系统要求 (4)

2. 方案设计 (5)

3.系统工作原理 (6)

三．单元电路设计 (8)

1.时基电路部分 (8)

2.计数显示部分电路 (11)

3.控制电路设计如下 (14)

四．电路仿真分析 (15)

五．元器件的选择及参数确定 (17)

1.电路调试 (17)

2系统功能及性能测试 (18)

3.电路安装 (20)

4.调试 (21)

参考文献 (25)

总结及体会 (26)

附录 (28)

一．设计任务和要求

1.设计任务

设计一个数字式频率计。

2.设计要求

1、能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频

率；

2、能直接用十进制数字显示测得的频率；

3、频率测量范围：1HZ—10KHZ且量程能自动切换；

4、输入信号幅度范围为0.5—5V，要求仪器自动适应

5、测量时间：t≼1.5s

6、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；

（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）

7、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。

发挥部分：

1、测量频率范围为0.1-10KHZ；

2、输入信号幅度范围为0.1—100V，要求仪器自动适应；

3、用数字频率计测量信号周期。

二．系统设计

1.系统要求

数字频率计的原理：频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。

式中f——频率。N——电振动次数或脉冲数。t——产生N次电振动或脉冲所需要的时间。

原理图如下所示：

↑

→

↑

→ →→↑ ↑

↑

↑

∣

↑被测信号

2. 方案设计

根据设计的要求，和数字式频率计的设计原理，信号之间的时序关系图，选择正确的方案。首先，必须把各种被测信号通过放大整形电路，使其成为规矩波，这是计数的基础和前提。其次，实现频率测量的另一必备环节是时基电路控制电路。所谓时基控制电路，就是产生时间标准信号的电路装置，产生1s 的闸门时间，在1s 内统计脉冲数，即测得的频率。时基电路可以有晶振组成，也可以由555定时器组成。晶振产生较高的标准频率，经分频器后可获得各种时基脉冲（1ms ，10ms ，0.1s ，1s 等），时基信号的选择由开关S2控制。被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端，如果被测信号为方波，放大整形可以不要，将被测信号直接加到主控门的输入端。时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间内（时基信号的一个周期），输入信号才通过主控门。若时基信号的周期为T ，进入计数器的输入脉冲数为N ，则被测信号的频率f ＝N / T ，改变时基信号的周期T ，即可得到不同的测频范围。

当主控门关闭时，计数器停止计数，显示器显示记录结果。此时控制电路输出一个置零信号，经延时、整形电路的延时，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次取样作好准备，即能锁住一次显示的时间，使保留到接受新的一次取样为止。

由于在理论学习中学习了555芯片，所以为了能更好的联系学习的理论知识，本次设计选用555做成标准时间信号发生器。一般计数器则采用十位计数器，N进制的计数器也就是N分频器，其N进位信号也可作为N分频信号。

根据原理图，被测量信号经过放大与整形电路传入十进制计数器，变成其所要求的信号，此时数字频率计与被测信号的频率相同，时基控制电路提供标准时间基准信号，此时利用所获得的基准信号来触发控制电路，进而得到一定宽度的闸门信号，当1s信号传入时，闸门开通，被测量的脉冲信号通过闸门，其计数器开始计数，当1s信号结束时闸门关闭，停止计数。根据公式得被测信号的频率f=N/T。

3.系统工作原理

根据数字频率计的设计原理，和选择的方案，得出如下算法设计：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。