任天园简易数字频率计长安大学概要Word文档格式.docx
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三、总体方案设计及论证
3.1综述
数字频率计也称电子计数器，它是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生延时现象，造成测量误差、可靠性差。
随着可编程逻辑器件的广泛应用，运用VHDL语言，将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。
数字频率计实际上就是脉冲计数器，即在单位时间里（如1s，不同档位的时间不同）所统计的脉冲个数。
它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性信号的频率，而且还可以测量它们的周期。
数字频率计的系统主要由输入整形电路、石英晶体多谐振荡器（555多谐振荡器）、分频器及量程选择开关、门控电路、逻辑控制电路、闸门、计数译码显示电路等组成。
首先，把被测信号（以正弦波为例）通过放大整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后将它加到闸门的一个输入端。
闸门的另一个输入信号是门控电路发出的标准脉冲，只有闸门被打开时被测量的脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。
门控电路开通和关闭的时间是准确的。
逻辑控制电路是控制计数器工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作（例如准备→计数→显示（锁存）→清零→准备下一次测量）。
为了把此次课程设计做的尽善尽美，我们小组去图书馆查阅了大量有关资料，并有效利用网络资源，对数字频率计有了深入的了解。
在设计过程中，我们首先对数字频率计的原理及工作过程有了准确的理解，然后小组开始讨论并得出此次设计基本路线，接下来每个人积极完成各自所要负责的部分，遇到不懂的互相探讨协作。
最后对各部分进行综合，得出基本设计方案，在答疑时进行最后改进与完善，设计出一份完整的报告。
3.2基本算法及方案讨论
信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。
计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。
如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。
测量频率的基本方法有两种：
计数法和计时法，或称测频法和测周期法。
计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。
改变时间T，则可改变测量频率的范围。
（如图1所示）
设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=（N1-N）/N=1/N。
由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。
因此，在f已确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。
当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：
δf1=（f1-f）/f=1/f
从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；
而信号频率越低，则测量误差越大。
因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。
计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。
首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；
然后用一个周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数。
（如图2所示）
图2计时法测量原理
若在T时间内的计数值为N2,则有：
T2=N2*T1f2=1/T2=1/（N2*T1）=f1/N2
N2的绝对误差为N2=N+1。
N2的相对误差为δN2=（N2-N）/N=1/N
T2的相对误差为δT2=（T2-T）/T=（N2*T1-T）/T=f/f1
从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。
当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。
根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。
由上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。
但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。
测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小，但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。
因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。
四、总体设计方案原理框图及分析
经讨论完善后，我们的总体思路如图3所示。
图3设计方案框图
被测信号进入放大整形电路，然后放大整形电路可将输入为任意波形的交流被测信号，转变为同频率且符合闸门输入要求的方波信号。
闸门电路即由一个与门构成，时基信号与整形后的信号经过它输入给下一级。
计数电路中，我们用了4个74LS160，通过前一级74LS160的进位当作下一位的cp脉冲，实现1到9999的计数。
时基电路由时基电路和分频电路组成，可控制计数器的输入脉冲。
控制电路用来控制电路的锁存与清零，可将锁存信号在译码显示电路中显示出来，并用锁存信号的负脉冲产生的清零信号将计数器清零。
五、单元电路设计与分析
5.1放大整形电路
考虑到被测信号可以是正弦波或方波，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为方波信号，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转化成方波。
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，将被测信号放大。
从而得到适当大小的信号。
参考资料后我们比较各种放大整形的方案，施密特触发器整形电路的原理和方法全面可靠，所以采用此法进行被测信号的放大衰减以及整形处理。
待测的信号波先被送入到放大电路的输入端，输入的信号若是正弦波，在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以首先需要通过放大衰减处理，我们可以利用一级放大电路实现：
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，使得被测信号得以放大，然后把经过放大衰减后电压幅度合适的信号输入到下一级的射极输出器。
射极输出器具有高输入电阻和低输出电阻的特点。
因为输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，这对高内阻的信号源很有意义。
如果信号源的内阻较高，而它接一个低输入电阻的共发射极放大电路，那么，信号电压主要降落在信号源本身的内阻上，分到放大电路输入端的电压就很小；
另外，如果放大电路的输入电阻较低，则当负载接入后或当负载增大时，输入电压的下降就较小，或者说它带负载的能力较强，所以射极输出器也常用于多级放大电路的输入级。
为了增强本设计中施密特触发器部分的带负载能力，我们在此应用射极输出器。
施密特触发器常利用触发器状态转换过程中的正反馈作用，将边沿变化缓慢的周期信号变为边沿很陡峭的矩形脉冲信号。
由于在数字系统中矩形脉冲经传输后往往也会发生畸变。
如：
当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变化；
当传输线较长，且接收的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生震荡现象；
当其他的脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号将出现噪声。
无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。
鉴于施密特触发器整形电路的诸多优点，本电路将起采用，且利用555定时器搭建，简单方便。
最后我们把经过放大衰减处理后的信号送入由555定时器构成的施密特触发器，把信号整形成为矩形波。
（如图4所示）（转下页）
5.2闸门电路
闸门实际上就是一个简单的与门。
将整形电路的输入信号与门控信号做与运算，以便输出矩形脉冲作为计数脉冲。
当门控信号为高电平1时，闸门开启，而门控信号为低电平0时，闸门关闭。
显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。
可见门控信号的宽度一定时闸门的输出正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。
（如图5所示）
图5闸门信号原理图
5.3计数电路
74LS160十进制同步计数器是与我们课程中介绍的74LS161原理相似的计数器，我们用了4个74LS160，通过前一级74LS160的进位当作下一位的cp脉冲，实现1到9999的计数。
（如图6所示）
图6部分计数电路原理图
5.4时基电路与分频电路
时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。
当标准时间信号到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数，当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入;
分频电路是对由时基电路产生的信号频率进行调节。
我们的时基电路部分采用由555定时器构成的多谐振荡器组成，通过设置时间参数使其构成所需时间的高电平，由于要求测量频率为100Hz-10KHz，故此处设计分两档，时基电路产生0.1s高电平，此档直接用于测量千赫兹的频率，此时显示单位为千赫兹（绿灯亮）；
通过分频器放大后产生1s的高电平，此档用于测量普通频率。
如此实现单位的变换。
此处电路参数R1=10K，R2=4.3，C=10uF，通过计算可得tp1=0.1s,tp2=0.03s。
分频电路由74LS160构成，对时基电路产生的信号进行调节，使其频率缩小十倍，周期增大十倍，此时tp1=1s。
此时显示单位为Hz,（红灯亮）。
时基电路及分频电路电路图如图7：
图7时基电路及分频电路原理图
5.5控制电路
控制电路主要用来控制电路的锁存与清零。
在时基信号低电平到来之时，通过控制电路产生锁存信号，锁存信号将数据锁存通过显示电路显示出来。
而清零信号则是用锁存信号的负脉冲产生，用于一次计数后将计数器清零。
其理论波形应如图8：
我们采用4个74LS175N分别控制74LS160输入的四个二进制数。
锁存器在cp的下降沿将输入的信号上传，在其他cp信号状态下，锁存器不接受从下面来的信号输入，从而保证显示屏的输出能稳定一段时间，便于读数。
四个锁存器的CP脉冲由控制电路同时控制。
555构成的两个单稳态触发器可用于定时控制，输出矩形脉冲，其宽度（暂稳状态持续时间）
通过设置电路参数，令R=909，C=10uF，使得锁存信号与清零信号宽度均为t=0.01s，控制电路设计图如图9：
5.6显示电路
我们采用四个74LS247型译码器和共阳极数码管作为我们显示部分的元件，根据被测信号的频率范围100Hz～10kHz；
我们将测量的频率分为两档：
推荐测量频率分别为100Hz～999Hz和1kHz～10kHz，分别用红色发光二极管表示单位Hz，绿色表示单位kHz，显示kHz单位时，第三个显示数码管的小数点亮。
因为能力和时间有限，我们没能完成自动超量程换挡，所以我们借助超量程报警装置提醒手动换挡。
我们通过一个双刀四掷开关，同时控制档位和小数点信号。
一档时，我们默认采用Hz单位，给小数点的是低电位信号时，小数点灭，信号经过与非门传给LED3，红灯亮。
二档时我们默认采用kHz单位，此时通过或非门给小数点一个高电位信号，小数点亮。
同时，给小数点的信号传达给LED4灯，绿灯亮。
（如图10所示）
5.7报警电路
第四个74LS160的进位端接一个LED1灯作为一档的超量程报警器，LED2由给小数点的信号与第三个74LS160的进位端同时控制，作为二档的超量程报警器。
（如图11所示）（转下页）
图11报警电路、档位部分
六、收获与体会
6.1心得体会
本次设计让我们体会到设计电路、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，这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从在图书馆和网上查找资料到对电路的设计和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。
在设计的过程中发现了以前学电工知识掌握不牢。
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。
制作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。
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。
6.2遇到的问题
在档位控制电路中，由于没能得到一个可行的方案使其自动控制，于是我们只有放弃自动控制，选择手动控制，所以在使用时比较麻烦，希望通过以后的学习可以更多的去了解并掌握好这一方面的知识。
总体来说，这次课程设计，是一次理论与实践的结合，也可以说让我们平时的积累得到一次施展，加深了对电子技术的理解，这次课程设计让我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。
这次课程设计在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，也让我明白了所学知识的重要性和自己理论知识的欠缺，增加了自己对所学课程的兴趣。
七、参考文献
1.林涛.数字电子技术基础.第1版.北京：
清华大学出版社，2006.5
2．林涛.模拟电子技术基础.第1版.重庆：
清华大学出版社，2010.3
3．杨刚周群.电子系统设计与实践.北京：
电子工业出版社.2005.1
4．阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：
高等教育出版社.1999
5．秦增煌《电工学电子技术（下册）》高等教育出版社
6.长安大学《长安大学电工实验指导手册》
八、附件
序号
元器件名称
型号参数
数量
74L系列
译码器
74LS247N
4
锁存器
74LS175N
十进制计数器
74LS160N
或非门
74LS02N
1
与非门
74LS03N
非门
与门
74LS08N
2
二极管
LED（红色）
LED
3
LED（绿色）
共阳七段数码显示管
电阻
510Ω
10KΩ
4.3KΩ
4.7KΩ
3.3KΩ
470Ω
100Ω
电容
10μF
10nF
6
470μF
1mF
5KΩ
2KΩ
定时器
555
开关
双刀四掷开关
评语
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