《电工与电子技术基础》课程设计报告.docx

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《电工与电子技术基础》课程设计报告

题目简易数字频率计

学院（部）汽车学院

专业汽车运用工程

班级

学生姓名

学号

_6_月Z日至_6_月上-日共丄周

指导教师（签字）

简易数字频率计

一、课题名称和技术要求

1）、课题名称：

简易数字频率计

2）、技术指标和要求：

1.2.1:

被测信号的频率范围100Hz—10KHz;

1.2.2:

输入信号为正弦信号或方波信号；

1.2.3:

四位数码管显示所测频率，并用发光二极管显示单位；

*1.2.4:

具有超量程报警功能。

二、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，其中电子技术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

间接测频发，如周期测频法。

直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频

法适用于低频信号的频率测量，测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。

本次设计的数字频率计以555为核心，采用直接测频法测频。

数字频率即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，使用方便等优点。

课程设计主要利用本学期所学数字电子基础相关知识以及模拟电子技术做成。

所用器件主要包括石英晶体振荡器，中规模集成电路，即:

用作分频的器件

74LS290。

用作整形的施密特触发器，控制电路与非门，计数电路。

三、总体设计方案论证及选择

（一）、频率测量的原理与方法

对周期信号的频率测量通常有以下四种方法:

3.1.1：

测频法（M法）

测频法以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数来实现，假设计数

结果为N，闸门宽度为TG,则f=N/TG

在TG期间，计数器的精确值为N，根据计数器的技术特征，N的绝对误差是：

N仁N土1,N的相对误差为：

&N=（N1-N）/N=±1/N,由上式可知，N越大，相

对误差越小，因此，为了减少误差，可以通过增大TG的方法来降低测量误差；

但是，增大TG会使频率测量的响应时间长，通常取TG=1s则有f=N，f的相对误差：

Sf=±1/f

由上式可知，Sf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。

所以，M法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

3.1.2:

测周法（T法）

首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。

若在T时间内的计数值为N2,则有

T2=N2*Toscf2=1/T2=1/（N2*Tosc）=fosc/N2

N2的绝对误差为：

△N=±1

N的相对误差为：

SM=（N2-N）/N=（N±1-N）/N=±1/N

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，而与高频你标准计数信号的频率成反比。

当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。

3.1.3:

T/M法

T/M法测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频信号进行计数。

在确定的检测时间内，若对被测信号f的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2.但对fosc信号的计数，必须直到f信号在第一个计数器停止计数后的一个完整的f信号周期。

由此可得，N1个f信号周期的时间为T2=N2*Tosc，故每个f信号周期的时间为T3=（N2*Tosc）/N1，则有f3=1/T=N1/（N2*Tosc）=（N1*fosc）/N2由T3的相对误差可知，T/M法测量的误差与信号频率成正比，与高频标准信号的频率成反比，但随f的增大，N1也在增大（在一定的检测时间内）。

由上式还可以看出，T3的相对误差实际上是由M法误差土f/fosc两部分组成。

3.1.4：

F/V与A/D法

这种频率测量法是先通过F/V变换，把频率信号转换成电压信号；然后再通过A/D转换把电压信号转换成数字信号，再对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。

（2）、时钟脉冲产生电路的选择

时钟脉冲产生电路通常有以下三种选择：

3.2.1:

用RC环形多谐振荡器，如图1。

它有两个暂稳态。

设某时刻ViVA因为电容上的电压不能突变，所以，然后，“高电平经R对电容C充电，是逐

渐升高，此时电路处于第一个暂稳态。

当匚'上升到.时，门U3导通，同时VD

达到最大，然后随着电容C经R、门U2输出端放电，使L逐渐降低，这时电路处于第二个暂稳态。

当L降到「时，门U3截止，ViVA电路又开始重复第一个过程，并且不停的振荡，器输出脉冲周期T=2.2RC

图一

322:

555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，用555

可连接成时钟脉冲发生器。

如图2,电容C被充电，当■上升到2VCC/3时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过％和T放电，.下降。

当」下降到VCC/3时，〔翻转为高电平。

当放电结束时，T截止，匚将通过启〔、忑向电容器C充电。

当「上升到2VCC/3时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

电路的振荡频率为：

图二

3.3.3:

用石英晶体组成石英晶体振荡器，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联

谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路。

G1用于震荡；G2用于缓冲整形；R是反馈电阻，通常在几兆欧到几十兆欧间选取；R1起稳定振荡的作用，通常取十至几百欧之间；C1是频率微调电容，

C2是温度特性校正用电容，C1,C2串联等与负载电容。

它们与晶体共同构成反馈网络。

电路的震荡频率及取决于石英晶体的并联谐振频率＜，与R、C的数值无关。

（二）、方案论证及选择：

以上三种时钟脉冲发生器的三种方案，方案1的振荡周期不仅与时间常数RC有关而且方案1还取决于门电路的阈值电压.。

由于容易受温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能应用于对频率稳定性要求不高的场合，方案三所涉及的石英振荡器不在本学期的课程学习中，因此运用起来有一

定的难度，而方案二仅与时间常数RC有关，本系统要求要产生稳定性非常高的时钟信号，所以采用方案2。

由本课程设计的性能和技术指标的要求可知，我们首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。

又通过对M方法和T方法的讨论可知，M法如果被测信号频率较低，则会产生较大误差，除非闸门时间取得很大。

所以这种方法比较适合测量高频信号的频率。

T法这种方法比较适合测量频率较低的信号。

M/T法

虽具有以上两种方法的优点，在高、低频测量中都能得到较高精度，但MIT法

在M法、T法的切换频率点处存在较大误差，电路复杂，成本较高且测量时间波动较大。

根据性能与技术的要求，首先需要确定能满足这些指标的测量方法。

根据上述频率测量原理与方法的讨论，因此本课程设计我们选用测频法（M法）来测频率。

由于测频法的测量误差与信号频率成反比；信号频率越低，测量误差越大；信号频率越高，其误差越小。

用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1S，

不需要进行任何计算，计数器所记数据就是信号频率；另外，在信号频率较低时，如1到100Hz,可以通过增大闸门时间来提高测量数据。

四、设计方案的原理框图、总体电路图、接线图及说明

（一）、设计方案的原理框图：

数字频率计实际上是一个脉冲计数器，即在单位时间里所统计的脉冲个数。

图（I）是数字频率计原理图。

该系统主要由输入整形电路、晶体振荡器、分频器即量程选择开关、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，把被测信号通过放大、整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后把它加入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，有在门控电路输入高电平时，闸门被打开，被测量的的脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。

门控电路输出高电平的时间T是非常准确的，它由一个高

稳定的石英振荡器和一个多级分频器即量程选择开关共同决定。

逻辑控制电路是

控制计数器的工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作。

（二八总体电路图及接线图:

74LS247

74LS175

Q0CP1

CP1

Q1Q0CP1

Q3Q2

d3d2d1

Q3Q2

d3d2d1d0

74LS175

74LS290

（1）S9

（2）R0

（1）R0

（2）

CP0

d3d2d1d0

74LS175

d3d2d1d0

74LS175

74LS290

（1）S9

（2）R0⑴R0

（2）

CP0

74LS290

（1）S9⑵R0

（1）R0⑵

（1）S9

（2）R0

（1）R0

（2）

CP0

f（x）

74LS47

+5V

QCP

Cp0

（1）

R0（2Q1

S9（1CP1

（2）

Cp0

（1）

R0（2Q1

（2）

S9（1CP1

S9）1CP1

（2）

Cp0

（1）

S9（1CP1

Cp0

（1）

（2）

S9（1CP1

74LS29

（2）

S9（1CP1

74LS290

（三）、说明：

工作过程：

在测试电路中设置一个555时钟脉冲发生器，其产生的脉冲频率为1MH,通过三个分频器用于产生频率为1KHZ的脉冲信号，接通双刀开关S1（接通1KHZ的时候同时接通发红光的二极管），每个脉冲持续的时间（周期为0.001s）,通过一个D控制器其周期变为0.002s,高电平时间为0.001s,在这段时间内通过的被测信号（被测信号接通前应当接通电源，可以对四个计数器和四个锁存器进行清零，这样可以避免接通被测信号时出现计数器和所存器因本身因素影响而产生的误差）的个数通过四个计数器，进而被锁存器锁存，当时间超过高电平的0.001s后，闸门关闭，此时被测信号不能通过闸门，在处于低电平的0.001s,计数器在D控制器的作用下（D控制器通过非门和或门将计数器清零，这样由于通过了两个门控电路，就会产生一个时间差，实现计数器的存储后清零）被清零，这样计数器只将闸门开通的0.001s内通过的脉冲进行计数，再进行译码，然后显示出来，显示器显示出的频率的单位为KHz,在时钟脉冲发生器产生循环脉冲的作用下可以对不同时刻的被测信号进行准确读数。

同样可知通过闸门信号控制开关的转换S1-S2（接通1HZ的时候同时接通发绿光的二极管），接通过6个分频器的脉冲信号，此时脉冲发生器的频率转化为1HZ,每个脉冲持续的时间（周期为1s）,通过一个D控制器其周期变为2s,高电平时间为1s,在这段时间内通过的被测信号的个数在这段时间内通过的被测信号的个数通过四个计数器，进而被锁存器锁存，当时间超过高电平的1s后,闸门关闭，此时被测信号不能通过闸门，在处于低电平的1s中，计数器在D控

制器的作用下（D控制器通过非门和或门将计数器清零，这样由于通过了两个门控电路，就会产生一个时间差，实现计数器的存储后清零）被清零，这样计数器只将闸门开通的1s内通过的脉冲进行计数，再进行译码，然后显示出来，显示器显示出的频率的单位为Hz,在时钟脉冲发生器产生循环脉冲的作用下可以对不同时刻的被测信号进行准确读数。

理论上根据所设计电路被测信号的测量范围为1Hz〜10MHZ但是在使用以

KHz为单位时，其测量误差将很大，尤其是小于10KHZ时999Hz将无法显示，且9999Hz和9000Hz在显示器上显示的数是一样的。

五、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算

（一）、放大整形电路：

任意形式信号经过电压比较器放大和整形变成方波信号，和脉冲信号一起从

控制门的输入端输入。

如图，在反相输入端接地，在同相输入端输入被测信号，在比较器的输入端进行模拟信号大小的比较，在输出端则以高电平或低电平来反映比较结果。

输出波形图如图，此电压比较器所用型号为MAX9019

L+5VU0'

J>CO

+U0（sat）

二）、闸门电路:

这是一个与门，只有脉冲信号和被测信号同时为“1”时，闸门打开，其他情况闸门都关闭。

当控制器输入的高电平持续0.001s时，与门就能通过一定数量的被测信号的方波个数并将通过的方波个数输出给计数器，在控制器输入的低电平持续0.001s内，被测信号不能通过与门；同理，当控制器输入的高电平持续1s时,

与门就能通过一定数量的被测信号的方波个数并将通过的方波个数输出给计数器，在控制器输入的低电平持续1s内，被测信号不能通过与门。

（三）、脉冲信号发生器:

此电路由一个555芯片、两个定值电阻，一个可调电阻和两个电容组成。

电

路如图3所示。

由于高电平T仁R1Cln2低电平T2=R2Cln2，高电平T2=R2Cln2

可以通过改变Rp来改变T1，T2的值，为了得到占空比为1/2的方波，且产生的频率为1MHZ即T仁T2=0.5us可以选定R仁1000Q，R2=1000Q,Rp=2000Q计算

可以得到C=357Pf.

（四）、分频器:

总共由六个74LS290组成的六级十分频，为了使每个74LS290都能够实现十分频，故使R0

（1），R0

（2），S9

（1），S9

（2）都接地，Q0与CP1连接在一起，Q3

与下一个74LS290的CP0连接，依次连接。

信号从第一个74LS290的CPo输入,从最后一个74LS290的CP1输出。

通过前三个74LS290组成的三级十分频的分频功能将信号分为KHZ接到与

开关S1连接的线路上，再经过后面三个74LS290组成的三级十分频的分频功能将信号分为HZ接到与开关S2连接的线路上。

555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz10Hz和1Hz

的方波。

（五）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

t_jmjTJT_rL_rLTLnrmtltl

板测信号虹何nr信弓m希髻信号

换存偉号

羟宙J电玮工作遊瑋示怠圍

当CP=O或CP=1时，触发器的输出状态均保持不变；只有在CP由0变为1即在脉冲的上升沿时Q端才能跟着D输入端变化。

当1s的方波信号经过该D触发器后产生周期为02s的时钟脉冲，即能产生使高电平和低电平持续1s的时钟脉冲，输入与门时就能使与门持续开启1s。

；同理可得当0.001s的方波信号经过该D触发器后产生周期为0.002s的时钟脉

冲，即能产生使高电平和低电平持续0.001s的时钟脉冲，输入与门时就能使与

门持续开启0.001s。

（六）、开关控制器

本设计选用型号为ZN72-SHX801-00h型双刀双掷开关。

当开关连接到S1时,接通周期为0.001s的信号即其频率为1KHZ同时红光二极管电路也被接通，二极管发出红光，所以就以二级管发出红光作为此时信号的单位为KHZ当开关连

接到S2时，接通周期为1s的信号即其频率为1HZ同时绿光二极管电路也被接通，二极管发出绿光，所以就以二级管发出绿光作为信号的单位为HZ

对发光二级管电路的分析计算：

因为发光级管的工作电压为1.5〜3V,工作电流为几毫安到几十毫安，所以在+5V电源的点路中应该串联一个电阻R3,取发光二级管的工作电压、电流分别为为2V、10mA则由5-2=10*R3

得R3=0.3KQ=300Q

（七）、计数器

经过门控电路传来的方波信号进入计数器进行计数，选用四个74LS290十进

制计数器实现这一功能。

由于74LS290十进制计数器能记到的最大数字为九（其二进制代码为1001），当第十个信号脉冲到来时变为0000,此时与Q3对应的二进制代码由1变为0即相当于一个下降沿脉冲，此时与其相连的另一个74LS290十进制计数器的二进制代码应该由0000变为0001，所以只需将上一个的Q3与下一个的CP0相连即可实现这一功能，后面的连接也相同。

0色0

9华*

复位输入

置位输入

时钟

输出

R）⑴

（2）

（1）

（2）

计数

（八）、锁存器

经过分频后的方波信号经过与门进入计数器进行计数，74LS290十进制计数器

实现这一功能，同时74LS175实现对计数器所记信号脉冲的个数进行锁存，便于读数。

1.74LS290的外引脚排列图和功能表同上一样。

2.锁存器74LS175外引脚排列图和功能表如下图：

Vcc43iQ4D3D3Q3QCF

[To]p9

丿

4LS175

LLILULULULULAJ[7J』

血IQ2D2D2Q2QGNU

表&化】741.^175的J?

能表

输入|

输岀

1—

10）

13D

保挣

[0J

保挣

其中,RD是异步清零控制端。

在往寄存器中寄存数据或代码之前，必须先将寄存器清零，否则有可能出错。

1D〜4D是数据输入端,在CP脉冲上升沿作用下，1D〜4D端的数据被并行地存入寄存器。

输出数据可以并行从1Q〜4Q端引出，也可以并行从1Q〜4Q端引出反码输出。

当锁存器接收到锁存信号时，锁存器就把计数器中的二进制代码信号锁存在锁存器中，并从1C〜4Q端引出至译码显示器且持续一个高电平时间，等到下一个锁存信号到来时又重新锁存计数器中的二进制代码信号。

（九）、译码显示：

由74LS247进行译码，将二进制码按其编码译成七个输出信号，再利用BS204的LED显示器显示所记频率的大小。

译码显示单元如图：

-5V

图中AO〜A3分别接来自锁存器1Q-4Q输出端的二进制代码信号，在每个锁存器之后按以上连接顺序连接起

来，这样经过四个译码器的译码之后就能在四个BS204的LED显示器上显示出

被测信号的频率大小，再根据发光二极管发出的不同颜色的光就可以知道被测信号的频率了。

（十）附加部分

1•对刚开始要给计数器和锁存器清零电路的分析：

一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒〜是几纳秒，占

这里取Tpd=1Ons对电容充电后要求VB>3V,故这里取R5=4R6由R5

则由公式：

（R5//2R6）*C=1OnsH__

得C=3.75PfR6C十

六、收获与体会、存在的问题等上一

本次实习让我体味到设计电路、连接电路、调测电路等过程中的困难与苦楚。

而设计是我们将来必需的技能，也与我们的未来息息相关。

对我来说，这次课程设计真的是一项艰巨而富有挑战性的任务！

刚接到这个题目的时候，我的头就大了：

不仅仅是因为以前没有做过类似的课题，觉得自己在这方面的能力实在有限，根本不可能完成一个自己从来都没有接触过的设计，当时老师说有两个任

务是最繁琐的，恰恰我们组就占了一个，当时心里有点不平衡，但是想想还是好好的做吧，这样更能检验自己的知识，也可以学到更多的知识。

拿到任务书的第二天，就开始大量的查资料，上网，去图书馆搜索相关的东西，并且找了一份学长做的，后来终于在查阅大量网络和图书资料后做出了原理图。

当拿出自己的原理图和别人比较的时候特别有成就感，因为我们的图比他

们的还几倍还要多！

在这一周多的课程设计实验中，我收获的东西很多。

它和以往实验都不同，这是我第一次在团队的配合下完成的电路设计，在实验中不仅学到了非常多的知识还深深地感受到了团结就是力量与智慧。

这段时间里，在我们

组成员默契的配合下，圆满地完成了课程设计任务，不仅巩固了我们在课堂上所学到的知识还极大的增长了见识。

总之，我非常地感谢这次课程设计，它让我懂得了很多东西，也学会了很多东西，这是一件非常有意义的任务。

存在的问题是当单位开关由1HZ转换为1KHZ时，对频率的测量误差将会很大，无论是9.999KHZ还是9.000KHZ，显示器的结果都是9KHZ，虽然设计完成，但是在将来的时间里如何缩小误差是接下来我们应该思考的问题。

七、参考文献

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科学技

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