数字频率计设计Word格式.doc
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2.1时基电路设计-------------------------------------------------------------------------------------7
2.2闸门电路设计--------------------------------------------------------------------------------------9
2.3控制电路设计-------------------------------------------------------------------------------------10
2.4整形电路设计-------------------------------------------------------------------------------------12
2.5整体电路图----------------------------------------------------------------------------------------14
2.6整机元件清单-------------------------------------------------------------------------------------16
3.设计小结-------------------------------------------------------------------------------------------------16
3.1系统调试情况-------------------------------------------------------------------------------------16
3.2心得体会--------------------------------------------------------------------------------------------16
参考文献-----------------------------------------------------------------------------------------------------17
致谢-----------------------------------------------------------------------------------------------------17
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multisim仿真软件，另外Protues也行。
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
1.引言
信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，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。
技术其所记录的结果，就是被测信号的频率。
如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。
测量频率的基本方法有两种：
计数法和计时法，或称测频法和测周期法。
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，则可改变测量频率范围。
如图1-1所示。
计数值N1
T
被测信号
标准闸门
图1-1测频法测量原理
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：
δ f1=（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。
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内打开，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的时间内对T1信号进行计数，如图1-2所示。
图2-2计时法测量原理
图1-2计时法测量原理
若在T时间内的计数值为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=（T 2-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。
二、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。
由于被测信号范围为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，所以可将频率范围设为几档：
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.
2.单元电路设计
2.1、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，具有内部可交换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
2.2、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
2．3、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，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。
那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。
根据图可以看到，当CLK0到达下降沿的时候，此时74374的OE端的输入信号也刚好到达下降沿。
图3-5计数器CP信号波形、CLK0端输入波形、R0段清零信号波形、74374锁存端波形图
图3-5，是测量被测信号频率是1.1KHz的频率的图。
由于multsisim软件篇幅的关系。
时基电路产生的信号直接用信号发生器来代替。
图中电路1K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基准信号。
那么这个电路实现测量频率的范围是0.01KHz~9.99KHz的信号的频率。
同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。
当CBA的取一定的值，电路实现一定的测量功能。
2.4、整形电路的设计
整形电路采用由555构成的施密特触发器，实际电路图如下：
图3-6整形电路图
如图将555定时器的2和6管脚输入端连在一起作信号的输入端，就可组成施密特促触发器。
为了滤除高频干扰，提高比较器参考电压的稳定性，将5管脚通过0.01ηF电容接地。
其工作图形如图所示。
因此，不论输入何种波形，经过放大整形电路后，可变成脉冲波形，该脉冲波形的周期与源输入信号的周期完全一致，利用计数器对脉冲波形的计数功能，再配合闸门信号就可测量出在时间T内通过的原信号的周期个数N。
2.5、整体电路图
图3-7整体电路图
2.6、整机原件清单
元件
数量
555定时器
两片
74374
两个
71.5KΩ
74151
一片
7474
一个
7448
四个
7490
十个
导线
若干
数码管
四个
保护电阻
0.01μF电容
5V直流电源
3．设计小结
3.1、系统调试情况
通过为期两周的课程设计，完成了本次设计的技术指标，刚开始设计的时候，由于控制电路这部分比较难做，经过多次重复仔细的研究操作，最终完成的设计任务，各项指标均达到预期效果。
3.2、心得体会
本次实习让我们体味到设计电路、调测电路过程中的甘甜苦乐。
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，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试成功，都对我所学的知识进行了检验。
在实习的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。
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。
参考文献：
①、沈小丰主编.数字线路实验-数字电路实验.清华大学出版社.2007
②、林涛主编.数字电子技术基础.清华大学出版社.2006
③、蔡忠法主编.电子技术实验与课程设计.浙江大学出版社.2003
④、林涛主编.模拟电子技术基础.重庆大学出版社.2004
致谢
本课程设计论文是在我的导师谭菊的亲切关怀和悉心指导下完成的。
她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从课题的选择到项目的最终完成，谭老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向谭老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢在一起度过的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
彭建华
2009年12月
18
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