简易数字频率计.docx
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简易数字频率计
太原理工大学现代科技学院
电路CAD课程设计
设计名称简易数字频率计
专业班级
学号
姓名
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专业班级学号姓名成绩
简易数字频率计
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、测量结果都有十分紧密的联系，因此频率的测量就显得更为重要。
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，是测量频率的重要手段之一。
电子计数器测频有两种方式：
一是直接测频法；二是间接测频法，如周期测频法。
本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简单的数字频率计的过程。
Abstract
Beoneofthemostfundamnetalparameterinelectrontechnologymediumfrequency,parametermeasurementscheme,measurementresultallhaveveryclosesomethingtodowithalotofelectricityand,thefrequencymeasurementlookslikebeingmoreimportantthereforerightaway.Themethodmeasuringfrequencyhasvarious,amongthemtheelectroniccountermeasuresfrequencyhavingaccuracyheight,usageisconveient,measurementisprompt,easytorealizemeasurementprocessautomationwaitsformeritand,isoneoftheimportantmeansthatfrequencymeasures.Theelectroniccounterfrequencyhavingtwokindsway:
Measurefrequencylawfirstdirectly;Twoisindirectmeasurefrequencylaw,iftheperiodmeasurefrequencylaw.
一、设计任务与要求…………………………………………………………3
二、方案设计与论证…………………………………………………………3
三、单元电路设计与参数计算………………………………………………4
1.我所设计的电路单元…………………………………………………4
2.各部分单元电路原理图………………………………………………5
3.计频电路部分…………………………………………………………6
4.计频电路部分电路原理图……………………………………………7
5.单元电路总结…………………………………………………………8
四、总原理图及元器件清单…………………………………………………9
1．总原理…………………………………………………………………9
2．说明…………………………………………………………………10
3．元器件清单…………………………………………………………10
五、结论与心得………………………………………………………………10
六、设计后思考………………………………………………………………10
参考文献………………………………………………………………………11
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一、设计任务与要求
设计一个简易数字频率，该频率计测量频率小于10kHz。
要求如下
1.要求测量数据显示3秒以上；
2.被测信号为幅值小于10V的脉冲或幅值小于10V的正弦交流电压；
3.该系统框图如图1所示。
二、方案设计与论证
由于本次设计内容要求将正弦波或三角波转化为方波来进行计频，所以在本次电路中加入了整形电路部分，时基电路部分采用脉冲信号发生器来实现，闸门电路部分与锁存部分电路整合到了计时部分电路中，并将计频电路部分单独列为一框图。
逻辑控制电路由若干与非门及与门来实现。
系统框图如下：
图2数字频率计原理框图
图2中，各单元电路的工作原理下：
（1）整形电路：
将输入频率为周期的信号（如正弦波、三角波等）进行整形，使之成为矩形脉冲。
（2）时基电路：
作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s）。
（3）闸门电路：
闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止计数。
若在闸门时间1S内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=NHz。
逻辑控制电路：
作用有两个：
一是产生锁存脉冲信号，使显示器上的数字稳定；二是产生“0”脉冲（清零信号），使计数器每次测量从零开始计数
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（4）计数器：
对脉冲信号进行记录。
（5）锁存器：
在逻辑控制电路控制下锁存信号。
（6）译码器：
译码器的主要任务是将计数器的输出工作状态，翻译成数字并显示出来。
（7）逻辑控制电路：
对计数器进行清零，并控制锁存器。
三、单元电路设计与参数计算
1.我所设计的电路单元
（1）计数电路部分
经过分析决定将电路设计为三部分，这是计时电路部分。
频率计测量的是被测信号1s内的周期数，因此需通过此计数器来实现对一秒钟的控制，当一秒钟到时需控制计频电路停止计数，锁存数据，并且该计数器也要显示出计频完成。
此部分是通过一个100Hz的交流电源来实现的，需要74160芯片。
当计数到100时最高位数码管显示1，其余显示0。
通过与门的控制使计数一直停留在100。
当100到达时，最高位数码管的4脚是高电平，与电源电压通过与非门，变成低电平输入16脚，使最低位芯片断电，停止计数，这样整个计数器就保持在了100。
同时通过与非门的控制输入计频部分的7脚、10脚，控制计频电路。
此时正好为1s。
经过查找资料，决定选用74160芯片。
此芯片为同步加法计数器，引脚排列如图3所示。
CT74LS160的逻辑功能如下：
①CLR’=0时异步清零。
RCO=0
②CLR’=1、LOAD’=0时同步并行置数。
RCO=ENT.QD.QA
③CLR’=LOAD’=1且ENT=ENP=1时，按照BCD码进行同步十进制计数。
RCO=QD.QA
④CLR’=LOAD’=1且ENT=ENP=0时，计数器状态保持不变。
图374160芯片
74160芯片价格便宜，容易买到。
而且功能强大，抗干扰能力强。
后来想到，其实不用用3个74160芯片，1个2个都行，只需要将交流电源的频率改
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成对应的就行，1个芯片就设置成1Hz，2个芯片就设置成10Hz，只要能实现计时一秒就行。
同时，不需要那么多与门电路，可以跟计频器一样，通过15脚的控制来实现芯片信号的锁存。
以上两种情况还可以减小延时造成的影响。
（2）整流电路部分
此部分是将正弦波、三角波等各种波形转换成矩形波，形成矩形脉冲，输入计频电路。
主要应用了555定时器，用信号发生仪发出脉冲信号，作为输入信号。
2.各部分单元电路原理图
（1）计数电路部分原理图如图5
图5计数电路部分原理图
上图显示的结果为计数停止时的结果
（2）整流电路部分原理图如图6
图6整流电路部分原理图
在电路中加入示波器方便观察波形，便于仿真，验证实验结果。
仿真结果见图7、8。
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图7正弦波转化为矩形波
图8三角波转化为矩形波
从仿真结果可以看出实验成功
3.计频电路部分
（3）计频电路单元
本单元采用四片7610芯片，来实现从0~9999Hz的频率记录。
本单元可以进行扩展，如果进行更高频率的测量，只需添加芯片即可。
如，测量范围到99999Hz，只需添加一片芯片即可。
另外需要4个数码管来实现数值的显示。
Vcc提供电源，输入各芯片的16脚。
根据芯片的逻辑功能，当1脚、9脚为高电平，
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且7脚、10脚为高电平时进行计数。
第一个芯片的7脚、10脚通过计数部分来控制。
当输入的为低电平时，停止计数，并且锁存数据。
从而实现数据的锁存。
右边的芯片，即高位靠低位芯片15脚的输出来控制是计数还是锁存数据。
通过与门电路送入高位芯片的7、10脚。
通过逻辑功能分析可以很好的理解芯片的工作原理。
用EWB5.0中的逻辑分析仪来测试74160的逻辑功能，A、B、C、D、E分别对应1、2、7、10、15脚。
其结果见图4。
图474160的真值表
该单元的计时时间通过计时电路部分来控制，而需测量的脉冲信号由整形电路部分输送，通过时钟信号端2脚送入该单元。
这个单元是通过查找资料得来的，该原理图简单直观，易于理解。
但原来的原理图上有很多问题。
比如最低位上的数据不能锁存。
原来是计数部分发来的脉冲送入16脚，这样的话相当于计时时间到了以后最低位芯片断电，致使最低位数据不能锁存。
现在将16脚直接接高电平，而将7、10脚接在计时电路送来的脉冲上，这样，就可以实现最低位的锁存。
另外，通过自己的类推以及仔细思索，将电路扩展，得到了10kHz的频率计。
4.计频电路部分电路原理图
（3）计频电路部分原理图如图9
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图9计频部分电路
分析：
图9为频率8000Hz时的示数。
5.单元电路总结
本设计由三部分组成，分别是计时电路部分、计频电路部分和整形电路部分。
三部分紧密相连。
本次设计的原理很简单，通俗易懂。
计时电路计时到1s时停止计时，同时控制计频电路停止计频。
被测信号通过整形电路进入测频电路。
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
图12总原理图
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图13PCB电路版图
2．说明
计时电路部分、计频电路部分和整形电路部分三部分组成整个原理图。
计时电路利用交流电源作为脉冲信号，该交流电源频率为100Hz，计时到1s时停止计时，同时通过与非门控制计频电路停止计频。
被测信号通过整形电路进入测频电路时钟端2脚。
完成测频。
3．元器件清单
表1频率计电路原理图中的元件清单
元件序号
主要参数
封装
数量
备注
C1
10nF
RAD0.2
1
IC6
7408
DIP14
1
IC1
74160
DIP16
1
IC2
74160
DIP16
1
SSGD3
7_seg_hex
SIP4
1
IC4
7408
DIP14
1
SSGD1
7_seg_hex
SIP4
1
IC3
74160
DIP16
1
IC7
7408
DIP14
1
IC8
7400
DIP14
1
SSGD2
7_seg_hex
SIP4
1
IC9
7408
DIP14
1
IC5
555
DIP8
1
CLK1
100
SIP2
1
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五、设计心得
在实验设计的过程中,让我学会如何分析问题,如何解决问题,以及如何总结问题。
在这次设计当中，感触最深的便是实践联系理论的重要性，当遇到实际问题时，只要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索。
通过本次对简易数字频率计的设计：
首先，对先修课程数字电路逻辑和模拟电子计数的巩固：
其次，对电路CAD课程有了更进一步的学习。
并且熟练地运用EWB软件，Protel99se软件，以及如何将EWB电路生成适用于Protel99se的网络表.NET文件，最后实现PCB图。
还有，熟悉了各仿真器件的操作过程。
在设计过程中，我们也遇到很多问题，在与同学的探讨下和老师的辅导下，我们也将其修改后得到所预期的实验现象。
频率计计频=1/100*计数数*计频数。
六、设计后思考：
为什么计数电路中用到三个74160？
计数电路中若是用一个74160的话，计数只能从0到1的现实，不能实现计数的功能，若不能实现计数那这个设计就没有实用价值。
计数电路中若是用两个74160的话，只能从01变化到10，即计数为10计数电路，时间过短，虽能实现最终的频率计数，但实用范围太，虽经济，但是不适用，故选用三个74160实现计数部分的电路。
参考文献
1,电路CAD讲义,萧宝瑾.2007.
2,电子电路EDA,谢克明,兵器工业出版社.2001.
3,电路原理图与电路板设计教程,夏路易,兵器工业出版社,2002.
4,数字频率计,
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