频率计设计Word格式.docx
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Producethesignalforonesecond;
Thedeciphercircuitofthecounter:
Countdeciphersandintegrateonthechiptogether,countthepulsenumberinunittime,counttheresultofthedecimalcountertotranslateintoBCDyard;
Reveal:
InchargeofrevealingBCDoneyardofdeciphersinthenumber.Designadoptmoduledesignmethod,adoptappropriateenlargeandwhole,haveimprovedfrequencyofdesigning.Keywords:
frequency，Integratedcircuit，Translatethecodingelectriccircuit，Counttheelectriccircuit，DualSchmittTrigger.
Keywords:
frequencyintegratedcircuitdecodingcircuitcountingcircuitflip-flopgenerator
第一章绪论
1.1课题背景
在电子技术中，频率是最基本的测量参数之一，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、测量迅速等优点，以及便于实现测量过程中的自动化等优点，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。
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。
频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长那么每测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。
如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。
因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。
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。
数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能够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。
在电子工程，资源勘探，仪器仪表等相关应用中，频率计是工程技术人员必不可少的测量工具。
频率测量也是电子测量技术中最基本最常见的测量之一。
不少物理量的测量，如转速、振动频率等的测量都涉及到或可以转化为频率的测量。
数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。
它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率。
而且还可以测量它们的周期。
数字频率计在测量其他物理量如转速、振动频率等方面也获得广泛应用。
1.2课题研究的目的与意义
频率计的设计与制作完成本课题是对自己在大学所学知识的一次最全面的应用，这对我来说是一个考验，也可以说是一次挑战自己的机会，希望给自己的大学生活画上圆满的句号。
在电子系统非成广泛的应用领域内，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。
集成电路的类型很多，从大的方面可分为模拟和数字集成电路两大类。
虽然它们都可模拟具体的物理过程，但其工作方式有着很大的不同。
甚至可能完全不同。
电路中的工作信号通常是用电脉冲表示的数字信号。
这种工作方式的信号，可以表达2种截然不同的现象。
如以有脉冲表示“1”，无脉冲便表示“0”；
以“1”表示“真”，则“0”便表示“假”，等等。
反之亦然。
这就是“数字信号”的含义。
所以，“数字量”不是连续变化的量，其大小往往并不改变，但在时间分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。
数字集成电路具有结构简单（如其中的晶体管是工作于饱和与截止2种状态，一般不设偏置电流）和同类型电路单元多（如一个计数系统需要很多同类型的触发器和门电路）的特点，因而容易是高集成度和归一化。
由于数字集成电路与电子计算机的发展紧密相关，因而发展很快，目前已是集成电路中产量最高、集成度最大的一种器件。
1.3课题设计指标与要求
1、六位数码显示；
2、测量范围：
0~1KHZ；
1~10KHZ；
10~100kHZ；
3、测量精度0.01%；
4、正弦波、三角波、矩形波等信号的频率进行测量；
5、手动按键换档。
1.4设计功能：
利用数字集成电路设计四位数字频率计,对正弦波、三角波、矩形波三种信号的频率进行测量。
第二章系统框图及设计思路
2.1系统方框图
频率计主要用于测量方波周期信号的频率值。
图2-1系统框图
2.2方框图的原理说明
数字频率计的整体结构要求如图所示。
图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目的频率，若转换测量频率则进一步选择档位，显示电路则用于显示被测信号的频率。
其中测量电路包括放大整形电、控制电路；
档位转换电路包括晶体振荡电路、分频电路；
显示电路包括计数与译码电路。
被测信号经放大整形电路变成计数器所需要的脉冲信号，其频率与被测频率信号的频率相同，时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间为1秒，当1秒信号到来时闸门开通，被测脉冲信号通过闸门计数器开始计数，直到1秒信号结束时闸门关闭计数停止，并在这一秒内进行译码、锁存此显示器显示数字以便对测试结果进行读数。
2.3测量原理
频率测量是电子测量技术中最基本的测量之一。
工程中很多测量，如用振弦式方法测量力、时间测量、速度测量、速度控制等，都涉及到频率测量，或可归结为频率测量。
频率测量方法的精度和效能常常决定了这些测量仪表或控制系统的性能。
频率作为一种最基本的物理量，其测量问题等同于时间测量问题，因此频率测量的意义更加显然。
常用数字频率测量方法有M法、T法和M/T法。
M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。
这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。
当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。
T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。
这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。
M/T法具有以上两种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。
本论文提供的方法是M法，用于测量低频信号。
闸门时间根据不同量程选择不同档位，不同档位对应的闸门时间不同，分别为10s，1s，100ms。
此三种时间选择，可以提高测量效率，简化电路设计。
M法有一个普遍的误差原因，即M法存在被测闸门内±
1个被测信号的脉冲个数误差，这个误差因素将在下面的公式中进行讨论。
2.3.1M法测量原理
M法测量其核心思想是通过闸门信号与被信号同步，将闸门时间T控制为被测信号周期的整数倍。
测量时，先打开参考闸门，当检测到被测信号脉冲沿到达时开始计时，对标准时钟计数；
参考闸门关闭时，计时器并不立即停止计时，而是待检测到被测信号脉冲沿到达时才停止计时，完成测量被测信号整数个周期的过程。
测量的实际闸门时间与参考闸门时间可能不完全相箱，但最大差值不超过被测信号的一个周期。
图2-2算法原理图
设实际闸门时间为Ts，被测信号周期数为Nx，则被测信号的频率测量值为：
=Nx/Ts
2.3.2误差讨论
误差推导公式
σ=±
1/Ts
可以看出，M法实际上就是将测量闸门信号不与被测信号同步，闸门时间是固定的。
M法中，相对误差与被测频率有无关；
通过提高门限时间Ts精度可以提高测量精度；
在精度不变的情况下，可以缩短门限时间，提高测量速度。
对于任意的标准时钟和被测信号，要找到两者脉冲完全同步的时刻来开启、关闭闸门是不现实的，但有可能找在实现脉冲同步检测电路时，也存在一个脉冲同步检测的误差范围。
若以这个脉冲同步检测电路检测到脉冲同步的时刻作为开关信号，可以使得实际闸门的开关发生在标准时钟和被测信号都足够接近的时刻，从而达到计算值量化误差的最小化。
2.4总体设计思路论述
所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数．若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为fx=N/T。
因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。
可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。
1.放大整形电路
放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。
用与非门构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。
2.振荡分频电路
其作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。
由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。
3.控制电路
在分频信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清“0”信号。
脉冲信号和清“0”信号可由两个单稳态触发器分别产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
触发脉冲输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端可获得一正脉冲,输出负端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足脉冲信号和清“0”信号的要求。
手动复位开关按下时，计数器清“0”。
4.锁存器译码显示电路
其作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的数值．闸门时间结束时，控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。
当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入。
从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
正脉冲结束后，输出端的状态仍保持原来的状态不变．所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。
5.显示电路
采用7段共阴数码管与CD40110配合使用,将频率显示在数码管上。
由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。
另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。
2.5本章小结
本章主要介绍数字频率计的方框图，以及频率计各部分的设计思想，还有整机的工作过程。
第3章单元电路设计、计算和选择
3.1算法设计
在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。
改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。
让被测信号送人闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门信号结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。
测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10-3量级，则要求闸门信号的精度为10-4量级。
例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲自己计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10-4，闸门信号的误差不大于0.0001s，故由此造成的计数误差不会超过1，符合≤10-3的误差要求。
进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在10-3范围内。
3.2放大整形电路
对于输入幅度比较小的信号，要测量其频率，首先要进行放大整形，变换成同频率的方波信号。
为了放大器工作具有一定的稳定性，在电路中采用两级集成运算放大器（LM324）。
其放大倍数有外接电阻比例决定。
级间耦合采用阻容耦合方式。
实现此功能的电路如图3-1所示。
图3-2-1放大电路
两级运放的放大倍数为
U。
＝
×
Ui＝100Ui
R3＝R1∥R2
R6＝R5∥R4
为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器识别的脉冲信号。
信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。
题目要求输入各种形式的被测信号（正弦波，三角波，矩形波）输入到频率计中，所以要采用整形电路将各种输入信号变成规则的矩形波。
采用施密特触发器（LM324，可以出色的完成整形任务）。
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源端都共用外，四组运放相互独立工作。
每一组运算放大器可用图3-2所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；
Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3-3。
图3-2运算放大器符号
图3-3LM324的引脚图
cd4093是4与非门施密特触发器，在输出电流<
1mA时,一般在5~15VDC电源时,输出电压接近电源电压;
若输出电流增大时,输出电压会降低,特别是电源电压较低时影响更大。
4093简介：
他由4个施密特触发器构成。
每个触发器有一个2输入与非门。
当正极性或负极性信号输入时，触发器在不同的点翻转。
正极性（VP）和负极刑（VN）电压的不同之处由迟滞电压（VH）确定。
内部引脚图如图3-4所示。
图3-4cd4093引脚图
3.3石英晶体振荡电路
为了得到高精度、高稳定度的石基信号，需要有一个高稳定度的高频信号源。
产生此信号的电路如图3-5所示。
图中Rf为反馈电阻，为问电路提供合适的工作点，使其工作在线性状态。
电容C是耦合电容。
石英晶体选用1MHz的晶体，该电路的振荡频率为1MHz。
图3-5石英晶体振荡电路
图3-6Cd4069引脚图
3.4分频及量程选择电路单路
分频器是由多级计数器完成，目的是得到不同的标准的时基信号。
采用4片双十进制中规模计时器CD4518级联可获得10Hz、1Hz、0.1Hz的标准信号。
电路如图3-7所示。
至于量程选择，主要是根据输入信号频率的大小，选择不同的时基信号。
例如对于小于100Hz的信号，为了提高测量精度，量程选择开关可以打在×
1的位置；
对于100Hz＜f＜1KHz的输入信号，量程选择开关可打在×
对于1KHz＜f的输入信号，量程选择开关可打在×
10的位置。
在电路处理上，单位时间缩小为0.1s，其量程值为数显值×
10；
若将单位时间扩大为10s，则其量程值变为数显值×
0.1。
所以选用这三个档作为脉冲输入的门控时间，可完成量程的选择。
图3-7分频及量程选择电路
CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。
CD4518引脚功能（管脚功能）如下：
1CP、2CP：
时钟输入端。
1CR、2CR：
清除端。
1EN、2EN：
计数允许控制端。
1Q0～1Q3：
计数器输出端。
2Q0～2Q3：
Vdd：
正电源。
Vss：
地。
图3-8CD4518引脚图
CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；
9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；
{11}脚～{14}脚）。
CD4518控制功能：
CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平
（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低吨平（0）,同时复位端也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。
将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。
需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。
有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。
原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。
正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。
3.5门控及逻辑控制电路
门控及逻辑控制电路的功能是：
在时标脉冲的作用下，首先输出一个标准的时间，在这个标准时间内，计数器记录下输入信号的脉冲个数；
然后逻辑控制电路发出一所存保持信号，使记录下的脉冲个数被显示一段时间，以便观察者看清并记录下来；
接下来逻辑控制电路输出已清零脉冲，使计数器的原始记录数据被清零，准备下次计数。
图3-9电路即可以实现上述功能。
3-9门控及逻辑控制电路
在图示电路中，双Jk触发器74LS107中的F1触发器用来长生技术门控脉冲，当Q1为高电平时被测量的脉冲就通过闸门G送入计数器。
若F1的时钟CP选用周期为1s时基信号，Q1输出门控信号的高电平宽度为1s，这时计数器记录的便是1s内的输入脉冲。
F2是闭锁触发器，它保证在F1形成一次门控信号后，需要间隔显示和清零两段时间后，才可再形成下一次门控信号。
电路中三个单稳态触发器IC1、IC2、IC3分别决定了现实、清零及等待三阶段的时间。
其中显示单稳IC1暂稳态时间的长短一般由观察者选定，可从几分之一秒到十秒左右，本设计选择在1s左右。
清零单稳IC2的输出脉冲较窄，一般选择0.1s左右，它是供多位十进制计数器清零之用。
等待单稳IC3的输出脉冲更窄，选择0.05s，它的作用仅是解除F2的闭锁作用，以便使F1形成新的门控信号。
时基信号、门控信号及显示、清零、等待信号的时序关系图如图3-10所示。
图中R-C网络是开机复零电路，目的是使F1的初始状态处于零状态。
3-10工作时序波形图
3.6计数与驱动电路
计数与驱动电路不但要完成计数、驱动等功能，还要完成锁存与译码功能。
所以采用CD40110芯片。
它具有十进制可逆计数/锁存/七段译码/驱动器的功能。
电路如下所示
3-11计数与驱动电路
图3-12CD40110引脚图
表3-140110引脚符号
CD40110是计数集成电路，运用该电路能完成十进制数的加法、减法、进位、借位等计数功能，并能直接驱动七段LED数码管，其逻辑功能见图。
R为清零端，R=1时，计数器复位动作，CP为时钟端（CPU为加法计数时钟，CPO为减法计数时钟），QCO输出进位脉冲，QBO输出借位脉冲，TE为触发器使能端，TE=0时，计数器工作，TE=1时，计数器此时处于禁止状态，LE为锁存控制端。
七段数码管器件为小型LED共阴极数码，CD40110与它配套使用可直接驱动显示。
CD40110计数为十进制加法计数器，逢十时自QCO端遍输出进位脉冲，送至下一个相同计数器CPu端（9脚）将继续累加计数（即为十位数），由555电路组成脉冲发生器，3脚VO端输出连续脉冲加至CD40110加法输入端，调整RP，可改变脉冲速度。
集成电路CD40110是可逆十进制计数器。
CD40110集计数、译码、锁存、驱动为一体的电路中VCC,VSS为电源端；
a-g为数码笔段输出端；
C
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