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数字频率计论文

工程职业技术学院

HUNANENGINEERINGPOLYTECHNIC

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

数字频率计的设计

系　　　　部：

信息工程系

专业：

电子信息工程技术

学生姓名：

左旋

班级：

31101

学号2

指导教师：

锐敏

职称副教授

最终评定成绩

信息工程系

二○○八年十月制

第一部分毕业设计（论文）开题报告

第二部分设计说明书

2013届

毕业设计（论文）资料

第一部分毕业设计（论文）开题报告

工程职业技术学院

毕业设计（论文）开题报告

（2013届）

系　　　　部：

信息工程系

专业：

电子信息工程技术

学生姓名：

左旋

班级：

31101

学号2

指导教师：

锐敏

职称副教授

2013年5月18日

题目：

数字频率计的设计

数字频率计是采用数字电路制成的实现对周期性变化信号的频率的测量。

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。

它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。

它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间变化的物理量。

在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。

若在一定时间间隔T测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。

其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。

时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。

闸门电路由标准秒信号进行控制，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。

由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间的累计数，所以被测频率fx=NHz。

随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。

对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。

而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定性，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。

这些要求有的已经实现或者部分实现吗，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率围不断扩大，功能不断地增加。

在测试通讯、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。

为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。

微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。

虽然所有的微波计数器都能用来完成技术任务，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使用不同型号的计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测需要正确地选择，以达到最经济和最佳的应用效果随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。

对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。

而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定性，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。

这些要求有的已经实现或者部分实现吗，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率围不断扩大，功能不断地增加。

在测试通讯、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。

为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。

微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。

虽然所有的微波计数器都能用来完成技术任务，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使用不同型号的计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测需要正确地选择，以达到最经济和最佳的应用效果

4.指导教师意见。

指导教师：

年月日

教研室意见

教研室主任：

年月日

说明：

开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师审查后签署意见生效。

2013届

毕业设计（论文）资料

第二部分设计说明书

工程职业技术学院毕业设计（论文）

数字频率计的设计

系（部）：

信息工程系

专业：

电子信息工程技术

学号：

2

学生：

左旋

指导教师：

锐敏副教授

2013年5月

摘要

本次课程设是针对简易频率计的设计，在设计过程中，所有电路仿真都是基于Protue仿真软件。

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

第一章绪论

1.1课题研究目的和意义……………………………………………………………7

1.2国外数字频率计的研究现状…………………………………………………8

第二章数字频率计的设计

2．1测量频率的基本方法………………………………………………………….10

2．1．1计数法（测频法）……………………………………………………..10

2．1．2计时法（测周期法）………………………………………………….11

2．2设计的原理……………………………………………………………………..13

2．2．1数字频率计的基本原理……………………………………………….13

2．2．2整体方框图及原理…………………………………………………….14

第三章单元电路设计

3．1时基电路设计……………………………………………………………16

3．2闸门电路设计……………………………………………………………20

3．3控制电路设计……………………………………………………………22

3．4整形电路设计……………………………………………………………25

3．5整体电路图………………………………………………………………27

3．6整机元件清单…………………………………………………………….29

第四章设计小结

4．1系统调试情况…………………………………………………………30

4．2心得体会………………………………………………………………30

参考文献………………………………………………………………........31

致.………………………………………………………………..32

第一章绪论

1.1课题研究目的和意义

毫无疑问，无论是在科技研究中还是在实际应用中，频率测量的作用都显得尤为重要。

然而传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。

随着科技的进步，为了较好的解决这一问题人们开始运用单片机测量频率，它是一种基于时间或频率的模数转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种显示被测信号频率的数字测量仪器。

与传统的测量方式相比，运用了单片机频率计有着体积更小，运算速度更快，测量围更宽的优点，更重要的是它能大大的降低制作成本。

由于传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，而采用单片机测量频率之后，有许多以前需要用硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程就能实现，而且不同的软件编程能够实现不同的功能，这一巨大优势无疑使得制作成本大大降低。

由于当今科技的日新月异，人们对电子产品的要求随之增高，经济、高效、精准成为人们的目标，就频率计来说，如果现如今还是像传统的方式来设计并制造，那显然不能满足人们的要求。

纳闷基于单片机的数字频率计必将取代传统的频率计。

而它的优势也显而易见，小巧轻便、集成度高、操作简单、易于维护和修改。

这些优点无不满足着人们追求经济、高效、精准的目标。

试想一下，改变程序中的几行命令显然要比改变电路板上的几条连线要快的多，方便的多。

也正是由于基于单片机的数字频率计与传统的频率计有着那么明显的优势，因此，我们将数字频率计的设计作为研究课题。

通过设计频率计系统，实现信号频率的检测功能。

在检测系统的设计中，要熟悉以单片机为核心的控制单元，以检测电路为依托的功能单元，以人机界面为媒介的交互单元。

了解频率检测的算法以及软硬件的实现方式。

灵活应用电子相关科学的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，打到理论与实际的统一。

在此过程中，加深多信号检测和信号处理的理解和认识。

1.2国外数字频率计的研究现状

电子计数器是其他数字化仪器的基础，在它的输入通道接入各种模数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。

电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛应用。

它的主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字和混合式四种。

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。

锁相式和直接数字式都同时容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点，其中，锁相式更是以其容易实现相位同步的自动控制且低功耗的特点成为众多业人士的首选，应用最为广泛。

电子国际数字频率计的分类很多。

按功能分类，电子计数器有通用和专用之分。

Ø通用型计数器：

是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。

它可以测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；配上适当的传感器，还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。

Ø专用计数器：

指专门用来测量某种单一功能的计数器。

如频率计数器、时间计数器、特种计数器、可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等

数字频率计按频段分类:

（1）低速计数器：

最高计数频率<10MHz；

（2）中速计数器：

最高计数频率10—100MHz；（3）高速计数器：

最高计数频率>100MHz；（4）微波频率计数器：

测试围1—80GHz或更高。

值得一提的是微波计数器，它是以通用计数器和频率计数器为主配测频扩展器而组成的微波频率计。

它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动、全自动3类。

系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。

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实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。

在人们的生产生活中数字频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行的异常情况，以便给人们争取时间处理。

除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。

在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。

频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的应用围。

在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以用来对无线电台的跳帧信号进行分析。

对于频率计的设计目前专用芯片可以实现，如利用MAXIM公司的ICM7240来设计频率计。

但由于这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很高的频率要求，而且测量精度也受到芯片本身的限制。

提出的用AT89C52单片机史记频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽围频率计的设计。

第二章数字频率计的设计

2．1测量频率的基本方法

2．1．1计数法（测频法）

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，则可改变测量频率围。

如图1-1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以确定的条件下，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。

2．1．1计时法（测周期法）

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；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间对T1信号进行计数，如图1

图1-2计时法测量原理

若在T时间的计数值为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。

有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。

在完成音频功率放大器设计的过程中，我对电路的设计能力有显著提高，尤其是对所学电路知识有了新的认识。

本设计电路简单高效，失真小，选频特性较好，达到了设计目的和要求，但在电路的整个设计过程中存在很多问题,虽然理论上达到了设计要求，但在实际操作过程中理想与现实总是存在很大差异。

在设计电路的每一部分时也有很多问题需要注意：

放大倍数和频带宽度是相互矛盾的，此消彼长。

在使用电容时更要小心因为电容的串联与并联正好与电阻的相反。

如果不多加小心也许会走很多弯路，做PCB板时也遇到很多问题：

排板不合理，有些元器件需要自己设计封装图，还需要考虑元件散热问题等。

同时焊接电路板时需要注意焊接技巧，若不细心则会出现虚焊或焊接不美观，更糟糕的是可能损坏元器件。

完成论文的过程中我学到了很多有用的知识，也积累了不少宝贵经验。

此次设计虽较为简单，但包括了音频放大的大体过程设，设计原理。

这次设计有助于了解音频放大的基本原理，理解音频放大所经历的过程。

同时也提高了自己对电子电路的分析及动手能力。

2．2设计的原理

2．2．1数字频率计的基本原理

信号的频率就是信号在单位时间所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为技术其所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。

计数其所记录的结果，就是被测信号的频率。

如在1s记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。

如果我们能在给定的1S时间按对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。

数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔的脉冲个数，将其换算后显示出来。

2．2．2整体方框图及原理

由测频法构成的数字频率计的原理框图如图1-3所示

图1-3数字频率计原理图

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：

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。

时基信号有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。

时基电路：

时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为

T1=0.7（Ra+Rb）CT2=0.7RbC

重复周期为T=T1+T2。

由于被测信号围为100Hz~100kHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会带来不便，所以可将频率围设为几档：

1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz~99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽,1kHz~100kHz。

多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1s、0.1s、0.01s、1ms。

闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。

在实验中我们采用的就是前一种方案。

为使产生的脉冲波的占空比为50%，在电路中引进二极管来将充放电回路分开，具体说明放到单元电路得分析中。

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1-4.

第三章单元电路设计

3.1时基电路设计

它由两部分组成:

图2-1脉冲产生电路

图2-2分频电路

如图2-1所示，为555定时器组成的振荡器（即脉冲产生电路）,要求其产生100kHz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R5取71.5欧姆,R6取71.5欧姆,电容取10nF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。

在管脚2和7之间加了两个反方向的二极管，这样就将原来由R5、R6、C6构成的充电回路和由R6、C6构成的放电回路的重合部分分开，得到由R5、D2构成的充电回路和由R6、C1构成的放电回路，当R5、R6的取值在符合周期要求的前提下，取相等的值，由

占空比=充电时间/周期

可得到占空比为50%的脉冲波形。

图2-2为分频电路,主要由74LS90组成（74LS90的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为振荡器产生的是100KHz的脉冲,也就是其周期是0.00001s,而时基信号要求为0.001、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2-3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。

图2-31kHz的方波分频后波形图

3.2闸门电路设计

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7474后出现的波形图（7474的管脚图、功能表和波形图详见附录）。

7474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。

图3-3闸门电路图

3.3控制电路设计

通过分析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74Ls90的清零信号，74Ls374的锁存信号。

图3-4控制电路、计数电路和译码显示电路图

控制电路、计数电路和译码显示电路详细的电路如上图所示。

当74151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。

图3-5是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、CLK0端输入波形、R0段清零信号波形、74LS374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CLK0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。

CLK0是高电平的时候计数器开始工作。

R0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74374（74374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，74374不送数。

如果不让74374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