数字频率计设计课案.docx

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数字频率计设计课案

江西环境工程职业学院大专毕业生毕业论文毕业设计

题目；数字频率计设计

--

系别机械与电子学院

姓名XXX

学号XXX

专业机电一体化

指导老师XXX

毕业论文答辩时间

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。

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，是频率测量的重要手段之一。

电子计数器测频有两种方式：

一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;二是间接测频法，如周期测频法。

本次设计的数字频率计以555为核心，采用直接测频法测频。

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。

关键字:

数字频率计频率时限放大整形

目录

摘要......................................................1

Proteus简介...............................................2

1绪论...................................................3

2数字频率计的设计.......................................4

2.1主要技术要求..........................................4

2.2电路设计..............................................4

2.2.1设计原理及整体电路设计.............................4

2.2.2部分芯片功能介绍....................................5

2.2.2.1555介绍...........................................5

2.2.2.274LS273介绍.......................................6

2.2.2.374LS48介绍.......................................7

2.2.2.4七段LED介绍......................................8

2.2.3单元电路结构设计....................................9

2.2.3.1放大整形电路设计...................................9

2.2.3.2时基电路及控制电路设计............................10

2.2.3.3计数电路设计......................................11

2.2.3.4显示电路设计......................................12

3总原理图、系统仿真及元器件清单.........................13

4设计总结..............................................15

5参考文献..............................................15

Proteus简介

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

1绪论

1.1数字频率计的发展现状及研究概况

随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。

由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。

数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。

在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。

供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。

直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。

锁相式的优点是相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。

1.2本课题研究背景及主要研究意义

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，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，频率的测量就显得更为重要。

在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

在CMOS电路系列产品中，频率计是用量最大、品种很多的产品。

本课题采用的是直接数字式的频率计，设计原理简单，是全硬件电路实现，电路稳定、精度高，大大的缩短了生产周期。

2数字频率计的设计

2.1主要技术要求

（1）频率测量范围：

10Hz～9999Hz；

（2）输入电压幅度：

>300mv；

（3）输入信号波形：

任意周期信号；

（4）显示位数；4位；

（5）电源：

220V、50Hz。

2.2电路设计

2.2.1设计原理及整体电路设计

频率，即是周期信号在单位时间（1S）内变化的次数。

若在一定时间间隔T内测得这个周期信号的重复变化次数N，则其频率就可以表示：

f=N/T

图2-1即为数字频率计的原理。

被测信号经过放大整形将其转换成同频率的脉动信号。

时基信号发生器提供标准的时间脉冲信号。

计数译码显示电路由计数器、锁存器、译码器和LED显示器构成。

它对被测信号进行计数显示。

闸门电路由标准信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。

秒信号结束时，闸门关闭，计数器停止计数。

图2-1数字频率计原理图

数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁存电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成。

图2-2数字频率计的整体框图。

图2-2数字频率整体框图

2.2.2部分芯片功能介绍

2.2.2.1555介绍

（1）电路组成及其引脚，如图2-3,2-4.

图2-3.

图2-4.

（2）555的工作原理

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为

和

。

C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过

时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于

时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接

。

Vco是控制电压端（5脚），平时输出

作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01

的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路

2.2.2.274LS273介绍

　　74LS273是具有复位功能、上升沿触发的8位数据锁存器，18个引脚。

其功能表见表4，由表可知，当RD＝0时，不论CP，D如何变化，触发器可实现异步清零，即触发器为“0”态。

当RD＝1时，只有在CP脉冲上升沿到来时，根据D端的取值决定触发器的状态，如无CP脉冲上升沿到来，无论有无输人数据信号，触发器保持原状态不变。

图2-5，2-6分别为74LS273引脚图，功能表。

图2-5.

图2-6.

2.2.2.374LS48介绍

74LS48芯片是一种常见的数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，下面是该元件的一些参数与应用技术等资料。

图2-7为74LS48引脚图，图2-8为74LS48功能表。

图2-7.

图2-8.

2.2.2.4七段LED显示介绍

通过发光二极管芯片的适当连接构成8字形，在使用时使某些笔段上发光二极管发光即可显示0～9数字。

LED七段码显示器，又称LED数码管，它有共阴和共阳两种连接方式如图2-9所示：

共阴：

以阴极为公共极，接低电平，当阳极笔上加上高电平时该笔段发光；

共阳：

以阳极为公共极，接高电平，当阴极笔上加上底电平时该笔段发光；

共阴LED数码管的驱动电路应是高电平输出，共阳LED数码管的驱动电路应是底电平输出。

数码管使用共阳连接，要显示的位送入高电平，其要求显示的段为低电平，即可实现显示。

图2-9共阴和共阳两种连接方式

2.2.3单元电路结构设计

2.2.3.1放大整形电路设计

由三极管及电阻构成的幅度扩展电路和555构成的施密特触发电路构成整形电路，如图2-10所示。

三极管U14及R1，R2，R3构成信号幅度扩展电路，当输入信号较小时，对信号进行幅度扩展。

用555构成的施密特触发器作用是将输入的周期信号，如正弦波，三角波或者其他周期性变化的波形变化成脉冲波形，其周期不变。

图2-10.

2.2.3.2时基电路及控制电路设计

时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。

当标准的时间信号（1秒正脉冲）到来时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。

时基电路可以由555定时器构成的多谐振荡器实现，如图2-11左侧部分所示。

控制电路可以由555构成的单稳态电路来构成。

逻辑控制电路利用标准时间信号结束后产生的负跳来产生锁存信号，同时锁存信号经反向又产生清零信号，锁存信号的脉冲宽度由单稳态电路本身的时间常数决定。

图2-11.

2.2.3.3计数电路设计

计数脉冲通过计数电路进行有效计算，按照设计要求每秒钟都必须对计数器清零一次，当检测到被测信号的下降沿时，阀门打开，用74LS160构成的十进制计数器开始对被测信号进行计数。

当阀门时间到后计数器停止计数。

电路如图2-12。

图2-12.

2.2.3.4显示电路设计

被放大整形后信号进入CD4026，由CMOS管构成的十进制计时器对进来的脉冲信号进行计数，当计满十个脉冲后，溢出信号让5脚输出一个脉冲进行进位处理。

在计数器计满之后，显示控制端会获得一个控制信号，使各显示器从缓存区获得前一秒的计数值，并通过译码器进行译码显示。

电路如图2-13。

图2-13.

3总原理图、元器件清单及系统仿真

3.1总原理图（如图3-1所示）

图3-1.

3.2元器件清单

元件序号

型号

主要参数

数量

备注

L1\L2\L3\L4

7SEG-DIGTIAL

4

显示管

U1\U2\U3\U4

74LS48

4

译码器

U5\U6

74LS273

2

锁存器

U7\U8\U9\U10

74LS160

4

计数器

U11\U12\U13

555

3

施密特触发器

U14

AD704P

1

放大电路器件

U15

74LS08

1

与门

U16

74LS04

1

非门

R1\R2\R3\R4\

R5\R6\R7\R8

RES

10k\10k\1k\10k\10k

107k\36k\1M

8

电阻

C1\C2\C3\C4\

C5\C6

CAP

1uF\10nF\10uF\0.01uF

0.01uf\0.01uF

6

电容

图3-2.

3.3系统仿真

如图3-1所示接好电路。

然后在U2、U5、U7、U8、U9、U12、U13上加上3V的电压，再给予200Hz的方波或100Hz的正弦波，按下启动开关，被测信号经过放大整形，然后通过闸门送到计数译码显示电路显示出来。

仿真电路如图3-3所示

图3-3.

5设计总结

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。

在学习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。

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，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。

6参考文献

[1]阎石数字电子技术（第五版）.高教出版社2006.5

[2]康光华电子技术基础模拟部分高教出版社1999.6

[3]崔瑞雪张增良电子技术动手实践北京航空航天大学出版社2007.6