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数字频率计的原理框图

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，计数计

数器

锁存器 译码器 时钟电路 10进制分频器 显示器

整形 正弦波 矩形波 自检 控制电路 闸门 1s 0.001s 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。

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.

第三章单元电路设计

1.放大整形电路

（1）电路分析：

对信号的放大功能由三极管构成放大电路来实现，对信号整形的功能由施密特触发器来实现。施密特触发器电路是一种特殊的数字器件，一般的数字电路器件当输入起过一定的阈值，其输出一种状态，当输入小于这个阈值时，转变为另一个状态，而施密特触发器不是单一的阈值，而是两个阈值，一个是高电平的阈值，输入从低电平向高电平变化时，仅当大于这个阈值时才为高电平，而从高电平向低电平变化时即使小于这个阈值，其仍看成为高电平，输出状态不这；低电平阈值具有相同的特点。

（2）电路图：

图3-1-1放大整形电路原理图（3)仿真电路图：

频率为10KHZ时的仿真电路图：

频率为1KHZ时的仿真电路图：

图3-1-3频率为1KHZ时的仿真电路图

2时基电路设计

（1）原理：

时基电路由两部分组成: 如图3-2-1所示，第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/((R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R3取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。如图3-2-2所示，第二部分为分频电路,主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP 输入保持低电平。

如图3-2-4所示，555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz、10Hz和1Hz的方波。

（2）电路原理图：

图3-2-1 振荡器原理图

图3-2-2 分频电路原理图

（2）电路仿真图：

图3-2-3振荡器仿真图

图3-2-4 分频电路仿真图3闸门电路设计

（1）原理

如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz；这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。

(2)原理图

图3-3-1 闸门电路原理图（3）波形图

图3-3-2 闸门电路波形图4控制电路设计

（1）电路分析：

控制电路需要控制几个模块。包括计数电路，锁存电路，和译码显示电路。通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清零信号和锁存信号，使显示器显示的测量结果稳定。

（1）计数电路

74160 的清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端CP 状态如何，即可完成清除功能。74160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 Q0－Q3 与数据输入端 P0－P3 一致。对于54/74160，当 CP 由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端 CEP、CET为高电平，则/PE 应避免由低至高电平的跳变，而 54/74LS160 无此种限制。74160 的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的。当 CEP、CET 均为高电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0－Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于 54/74160，只有当CP 为高电平时，CEP、CET 才允许由高至低电平的跳变，而 54/74LS160的 CEP、CET 跳变与 CP 无关。74160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为 Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。对于 54/74LS160，在 CP 出现前，即使 CEP、CET、/MR 发生变化，电路的功能也不受影响。

3-4-1计数电路原理图

（2）锁存/译码电路

4511是 BCD－7 段所存译码驱动器，在同一单片结构上由 COS/MOS 逻辑器件和 n－p－n 双极型晶体管构成。这些器件的组合，使 4511 具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达 25mA 的性能。由此可直接驱动 LED 及其它器件。LT 、BI 、LE 输入端分别检测显示、亮度调节、存储或选通一 BCD 码等功能。当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。根据4511的真值表来连线，并不困难，这里就不做详解了。

3-4-2锁存/译码电路原理图

（3）小数点发生电路

在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。比如CBA接001测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.1KHz~99.9KHz，那么在显示的时候三个小灯泡的绿色灯泡的小数点要显示。CBA 接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01KHz~9.99KHz，那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样，显示的小数点就不一样。我通过基本门电路来实现。具体的实现方法见图3-4-1所示。

图3-4-3 小数点发生器原理图

（2）控制电路总原理图：

图3-4-2 控制电路原理图

通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，4511的锁存信号。

控制电路。计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。当74153的CBA 接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形是被测信号的波形图、第二个是PT端输入信号的波形图、第三个是计数器的清零信号。第四个是锁存信号。PT是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据4511（4511的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时4511的LE端的输入信号也刚好到达下降沿。

（3）控制电路总波形图：

图3-4-3 计数器CP信号波形PT端输入波形CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图

图3-4-3，是测量被测信号频率是1.1KHz的频率的图。由于multsisim软件篇幅的关系。时基电路产生的信号直接用信号发生器来代替。图中电路1K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基准信号。那么这个电路实现测量频率的范围是0.01KHz~9.99KHz的信号的频率。同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。当CBA的取一定的值，电路实现一定的测量功能。

5自动换挡

（1)原理图

图3-5-1自动换挡原理图

自动换挡时采用可增可减的计数器74LS192来实现的，然后在结合D触发器和各基本门电路就能做成一个可进可退的自动换挡了，换挡的工作时钟是在计数完后才开始工作的，然后显示器是超量程了或是欠量程了就通过D触发器反馈出来的信号在作用在74LS192上就可以实现增减档位了，本图是由高档位向低档位过渡的，经由实践可得从高档位开始测量可以减小仿真时间。

6整体电路图

（1）总电路图

图3-6-1 整体电路图

（2）总波形图

图3-6-1 整体电路图波形图

（3）工作原理：

被测信号输入整形放大，最开始的测量档位时1KHZ，待测量完一次后，是否需要换量程则在计数器工作完后到自动换挡工作来检测，此时如果需要换挡则74LS192的UP/DOWN端口会由1变为0，待自动换挡信号由高电位变为低电位的那刻又由0变为1产生一个上升沿以给计数器加一或减一，以此类推，知道换到适合的档位的适合就保持不变。图3-5-2是测试365hz信号的过程。（该图为proteus仿真结果，本报告用的都是multisim11的图，但是因为仿真速度受限所以重新摆置了一个proteus的图来测试仿真，原图也是正确的，只是仿真太慢了不好截图）。

7整机原件清单

元件数量元件数量

555定时器一片7404 一片

8.2K?一个4518 两片

5.1K?一个拨盘开关一个

10K电位器一个4017 一片

74151 一片74160 三片

74153 三片4511三片

74132 一片数码管三个

LED灯一个保护电阻四个

0.01μF电容两个5V直流电源一个

导线若干

第四章设计小结

1 设计任务完成情况

基本完成只用了2周，但是后续还是有很多问题出现，比如在震荡电路的时候，要调出1KHZ的标准频率有点困难，一不小心就会导致波形变形严重，开始认为这是最简单的一个环节的。接着是整形放大，遇到了2种情况，能放大又整形的不好，能整形放大的又不好，后来仔细研究了一下终于解决这个问题了，这个2个模块算是整个电路里面比较简单的地方了。接着是最难的控制电路，花的时间也非常的多，我先设计的是不自动换挡的时候确保能正常计数了，然后再设计自动换挡来加到控制电路当中，几经调整最后终于完成了全部任务，小数点是最后解决的因为是最简单的。

2 问题及改进

在设计的555构成多谐振荡器输出的方波信号，由于电路里面使用的电容元件，在实验的时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，把产生的方波信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使输出的信号非常接近1KHz，这样的话在后面的测量中会减小误差。在调测计数显示电路的时候，在连接4511元件的时候忘记了将4511的5端接地，导致数码管无法计数，在实验的过程中，连接好电路以后，发现没反应，然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输出信号，看看是不是和理论的一样。找出不符合理论的那部分，对照电路图进行检查修改，最后发现有的芯片的使能端没有接地，导致元件的功能没有实现。所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。不然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。在最终测量频率很低的时候，那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。例如，当被测信号为0.5Hz时，其周期为2s，这时闸门的脉冲仍为1s显然是不行的。故应该加宽闸门脉冲的宽度假设闸门脉冲宽度加至10S，则闸门导通期间可计数5次，由于计数值5是10s 的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.加宽闸门信号也会带来一些问题：计数结果要进行除以10的运算，每次测量的时间最少要10s，时间过长不符合人们的测量习惯，由于闸门期间计数值过少，测量的精度也会下降。为了克服测量低频信号时的不足，可以使用另一种算法。将被测信号送入被测信号闸门产生电路，该电路输出一个脉冲信号，脉宽与被测信号的周期相等。再用闸门产生电路输出的闸门信号控制闸门电路的导通与开断。设置一个频率精度较高的周期信号（例如10KHz）作为时基信号，当闸门导通时，时基信号通过闸门到达计数电路计数。由于闸门导通时间与被测信号周期相同，则可根据计数器计数值和时基信号的周期算出被测信号的周期T。T=时基信号周期*计数器计数值。再根

据频率和周期互为倒数的关系，算出被测信号的频率f。这里面就提供一个思想。没有通过实践去验证。不可避免，这个算法也有它自己的缺陷。

还有就是从手动换挡，到只可进或只可退的自动换挡，最后改进成了可进可退的自动换挡，其中的路途是非常曲折的，主要不同的就是换挡计数器的选择，例如用了74LS160做出来的就是可进的自动换挡，用74LS192做出来的才是可进可退的自动换挡。

3心得体会

本次实习让我们体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在实习的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。波形调试过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调准等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。合理的分配时间。在设计控制电路的时候，我们可以连接译码显示和计数电路，这样就加快了完成的进度。最重要的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。觉得这次试验选择了multisim11比较失误，做个仿真都要等个1,2小时，最长的一次我等了6个小时，太夸张了，但是又觉得proteus 的人机界面不怎么友好，比较难使用，以后要趁着闲暇的时间去熟悉一下proteus 了，因为整体电路是看着网上的图来修改的，所以没什么很大的成就感。完成了电子技术课程设计以后，因我和我的队友迫于考试，时间比较仓促，元器件也比较紧张，所以最终还是决定不做实物了，但也希望老师能给个对得起我这努力的分数。以后有时间了私下在慢慢做实物了。

第五章参考文献

百度文库：https://www.360docs.net/doc/4d15008695.html,/