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数字频率计的设计 摘要摘要 数字频率计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、三角波信号以及其他各种单位时间内变 化的物理量。本设计中使用的是直接测频法，即用计数器在计算 1s 内输入信号 周期的个数。它是由模块电路组成的，包括各种集成块、逻辑器件、简单的电 子器件为基础的简易数字频率计。电源电路对本设计起着至关重要的作用，所 以，在本设计中还对直流稳压电源设计、保护和抗干扰技术作了介绍，同时， 对本设计中所用的集成电路，以及简易数字频率计调试作了简单说明。 关键词关键词 频率计；集成电路；译码；单稳触发器；稳压电源 abstract digital frequency meter is a digital display with the decimal number of the measured signal frequency measuring instruments. its basic function is to measure sinusoidal signal, square wave signals, triangular-wave signal, and various other changes in physical quantities per unit time. used in this design is a direct frequency measurement method, that is used in the calculation of the counter 1s the number of cycles within the input signal. it is formed by the module circuit, including a variety of manifold, logic devices, a simple electronic devices based on a simple digital frequency meter. power supply circuit plays a vital role in this design, so also in the design of dc power supply design, protection and anti-jamming technology, introduced at the same time, this design used in integrated circuits, as well as simple digital frequency meter brief statements were made debugging key words: requency meter, integrated circuits, decoding, monostable flip-flop, regulated power supply 目目 录录 绪论绪论1 1 概述概述.1 2 设计要求设计要求.2 2.1 整体功能要求 2 2.2 系统结构要求 .2 3 数字频率计设计的主体内容数字频率计设计的主体内容2 3.1 数字频率计的基本原理及设计方案 .2 3.2 整体电路设计.3 3.3 简易数字频率计原理框图 .5 3.3.1 模块分析5 3.3.2 电路模块设计6 3.3.3 整体电路.13 4 选用器材备注选用器材备注13 4.1 555 定时器.13 4.2 555 构成的单.15 4.3 555 构成的施密特触发器.16 4.5 74ls273.18 4.6 74ls90 引脚图与管脚功能表资料19 4.7 74ls48.19 结束语结束语21 参考文献：参考文献：22 数字频率计的设计 1 绪论绪论 在电子测量技术中，频率是一个最基本的参量，对适应晶体振荡器、各种信号 发生器、倍频和分频电路的输出信号的频率测量，广播、电视、电讯、微电子技术 等现代科学领域。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。数字式频率计的测 量原理有两类：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，即测周期法，如周期测频法。数字频率计是数字电路中的一个典 型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延 时，造成测量误差、可靠性差。通过严格的测试后，能够较准确地测量方波、正弦 波、三角波、矩齿波等各种常用的信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测 量。 1 概述概述. 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。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， 此时我们设闸门时间为 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，但闸门时间越长则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会受到影响。 在广泛的电子系统应用领域内，到处可以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。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。 数字集成电路广泛用于计算机控制与测量系统，以及其它电子设备中。一般说 来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格 的要求，这是数字电路的一个特点。数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品 之一，已广泛地深入到各个应用领域。 数字频率计的设计 2 2 设计要求设计要求 2.12.1 整体功能要求整体功能要求 频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波等周期信号的频率值。 2.22.2 系统结构要求系统结构要求 数字频率计的整体结构要求如图 1-1 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-频率、周期或脉宽， 若测量频率则进一步选择档位。 图 1-1 数字频率计整体方案结构方框图 3 3 数字频率计设计的主体内容数字频率计设计的主体内容 3.13.1 数字频率计的基本原理及设计方案数字频率计的基本原理及设计方案 数字频率计是直接用十进制的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。频率是单位时间（1s）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1s 时间内对信号波形计数，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内的脉冲个数， 将其换算后显示出来。 被测信号被测信号 测量电路测量电路 显示电路显示电路 测量显示单位转换测量显示单位转换 数字频率计的设计 3 所谓频率就是在单位时间（1s）内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔 t 内测得周期信号的重复变化次数为 n，则其频率为 f=n/t，据此，设计方案框图如 图 3-1 所示： 图 3-1 数字频率计组成框图 图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其所产生的脉冲信号 的频率等于被测信号的频率 f,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的等于 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器 译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器得到的脉冲数 n 是在 1 秒时间内的 累计数，所以被测频率 f=n hz。 3.23.2 整体电路设计整体电路设计 如图 3-2（a） ，3-2（b）为数字频率计的工作过程图。 数字频率计的工作过程是：被测信号 f经脉冲电路整形，变成如所示的脉 冲波形，其周期 t与被测信号的周期相同。实际电路输出标准时间信号，设其 高电平持续时间为 1s，计数器的计数时间就是 1s，计数器计得的脉冲数 n（如图 所示）就是被测信号的频率。 逻辑控制单元的作用有两个： 其一，产生清零脉冲，使计数器每次从零开始计数； 其二，产生锁存信号，使显示器上的数字稳定不变。这些信号之间的时序关 系如图 3-2（b）所示数字频率计由时基电路、控制电路、闸门电路、计数锁存和 清零电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成。 数字频率计的设计 4 译码显示器译码显示器 锁存器锁存器 计数器计数器 闸门电路闸门电路 脉冲形成电路脉冲形成电路 时基电路时基电路 逻逻 辑辑 控控 制制 图 3-2（a） 数字频率计的组成框图 图 3-2（b） 数字频率计的工作时序波形 3.33.3 简易数字频率计原理框图简易数字频率计原理框图 封锁双稳封锁双稳 门控双稳门控双稳 时基信号门时基信号门 多级分频器多级分频器 振荡器振荡器 延时清零延时清零 多位计数、寄存、译码、驱动多位计数、寄存、译码、驱动 主主 控控 门门 输入选择输入选择 输入接口输入接口 封封 门门 信信 号号 时基单元时基单元 控制单元控制单元 数字频率计的设计 5 图 3-3 原理框图 3.3.1 模块分析模块分析 1、这种数字频率计的工作原理主要分六个单元。 2、时基单元。包括振荡器和多级分频器，用来产生周期为 1 秒或 6 秒的脉冲 信号，叫时基信号。振荡器可以用晶体振荡器或者用集成电路电阻电容搭成的多谐 振荡器。 3、控制单元。这个单元有两个作用，一是经过门控双稳电路对时基信号进行 一次两分频，得到宽度为 1 秒的方波，叫闸门信号。用这个信号的宽度来控制主控 门的时间取样时间，在取样时间里，主控门允许被测信号通过，见图 3-4。二 是每次取样后封锁主控门和时基信号输入门，使计数器显示的数字停留一段时间， 以便观测和读取数据，这个任务由门控双稳和封锁双稳共同完成，所以简单的说， 控制单元的总任务就是打开主控门记数，关上主控门显示，然后清零。这个过程不 计数单元计数单元 延时单元延时单元 输入单元输入单元 主控门主控门 时基信号时基信号 闸门信号闸门信号 被测信号被测信号 清零信号清零信号 数字频率计的设计 6 断重复进行。 4、计数单元把通过主控门的被测频率脉冲输入计数器、译码器、显示器，由 显示器取样时间里接收脉冲数，也就是被测频率。 5、延时单元。取样时间结束后，计数器里的数据要维持一段时间，这段时间 叫显示时间。延时单元里的延时电路决定显示时间的长短，显示时间结束产生一个 正向清零脉冲，引入计数器复位端 r，使计数器复位，显示数字变为零。所以整个 测频过程的时间过程是：测量频率显示数字跳动显示延时显示数据保持不变 清零显示变为零。 6、主控门。起控制被测信号通过的作用，在取样时间内主控门打开，在显示 时间和清零时间内主控门关闭。 7、输入单元。其作用是将接收到的各种信号变换为电脉冲信号并加以放大、 整形；然后再变换成与 cmos 集成电路相容的信号，即是起一个接口的作用。 图 3-4 表明测试原理的波形图 3.3.2 电路模块设计电路模块设计 逻辑控制电路 根据图 3-2(b)所示时序波形，在标准时间信号结束时所产生的下降沿用来 产生锁存信号，同时锁存信号经过反相器又用来产生清零信号，锁存信号的脉 冲宽度由本身电路的时间常数决定。因此这两个脉冲信号和可由单稳态触发器 产生，其电路如图 3-5 所示，设锁存信号的脉冲宽度 t=1.1rc，若取 r=1000 数字频率计的设计 7 k、c=0.01 uf,则 t=1.1rc=0.011s。 图 3-5 控制电路 锁存器和清零 锁存器的作用是将计数器在 1s 结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定 的测量值。因为计数器在 1s 内要计算成千上万个输入脉冲，若不加锁存器，显示 器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读数。如图 3-2（b）所示，1s 的计 数结束时。逻辑控制电路发出的锁存信号，将计数器此时的值送到译码器，因此 显示器的数字是稳定的。 选用两片8d锁存器74ls273便可以完成上述锁存功能。74ls273的真值表如表1 所示。 mrcpdq 0 0 1 11 1 00 10 保持保持 表 3-1 74ls273 真值表 当时钟脉冲 cp 的上升沿到来时，锁存器的输出等于输入，即 q=d。从而将 4 个 十进制计数器即个位、十位、百位、千位的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结 数字频率计的设计 8 束后，无论输入端 d 为何值，输出端 q 的状态仍然保持原来的状态。所以在计数周 期内，计数器的输出不会送到译码显示器。 清零信号是在计数器的计算值送锁存后，为了下次计数而把计数器进行清零， 所以在锁存信号发出后，利用反相器的功能得到一个对计数器清零的延时信号。有 计数器 74ls90 的 r9（0）端接低电平，而把 r0(1)作为清零输入，该清零信号是高 电平有效，而锁存信号也是高电平有效，而且计数器清零必须在单稳触发信号之后， 故在延迟反相器的基础上再加个反相器得到计数器的清零信号。 脉冲形成电路 脉冲形成电路的作用是将待测信号（如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化 的波形）整形为计数器所要求的脉冲信号，其周期不变。 将其他波形变换成脉冲波的电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比 较器等，其中施密特触发器的应用较多。电路形式采用 555 构成的施密特触发器， 电路原理如图 3-6（a） 所示。 图中 r1 与 r2 的作用是将被测信号进行电平移动，因为 555 构成的施密特触发 器的上触发电平 ut+ =2/3ucc，下触发电平 ut=1/3ucc，如图 3-6（b）所示。 图 3-6(a) 原理图 图 3-6（b） 波形图 输入信号的直流电平 uxo 应该满足下列关系 1/3uccuxo1/2ut=0.83v.为使 uxo=2.5v，对于图 3-6（a）所示电路，则取 r1=r2=10k。 时基电路和闸门电路 如图 3-2（a）所示，闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，决定了被 数字频率计的设计 9 测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数的计数个数，其精度很大程度上决定了 频率计的频率测量精度。当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获 得。在此频率计中，时基信号采用 555 定时器构成的多谐振荡器电路，当标准时间 信号（1s 高电平）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数； 标准时间脉冲结束时（为低电平） ，闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。例如，时 基信号的作用时间为 1s，闸门电路将打开 1s，若在这段时间内通过闸门电路的脉 冲数目为 1000 个，则被测信号的频率就是 1000hz。由此可见闸门电路的逻辑功能 可以由一个与非门来完成，如图 3-7 所示。 图 3-7 标准脉冲产生的闸门电路 设标准时基为 1s 的脉冲是由 555 定时器构成的多谐振荡器电路产生的，由 555 定时器构成的多谐振荡器的周期计算公式：t=t1+t2=0.693（r1+2r2）c；占空 比为：d= t2/ t1+t2= r2/ r1+2r22/3vdd 时， 输入又成为 r=1，s=1，这时负脉冲已经消失，输出又翻转成 vo=0，暂稳态结束。 这时内部放电开关接通，dis 端接地，ct 上电荷很快放到零，为下一次定时控制作 准备。电路的定时时间 td=1.1rtct。 这两种单稳电路常用作定时延时控制。 数字频率计的设计 16 图 4-3 脉冲启动型单稳电路 4.34.3 555555 构成的施密特触发器构成的施密特触发器 如图 4-4，555 定时器构成的施密特出发器，其工作原理： 图 4-4 555 定时器构成的施密特触发器 数字频率计的设计 17 4 ui 再增大时，对电路的输出状态没有影响。 （a） 上升过程 （b）下降过程 4.44.4 555555 定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器 由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 4-5(a)所示，其工作波形见图 4-5(b)。 接通电源后，电源 vdd 通过 r1 和 r2 对电容 c 充电，当 uc2c，由电容 c 放电时间 决定；th=0.7(r1+r2)c，由电容 c 充电时间决定，脉冲周期 tth+tl。 数字频率计的设计 18 图 4-5 555 构成多谐振荡器 上面仅讨论了由 555 定时器在本次数字频率计设计中的应用及原理。实际 上，由于 555 定时器灵敏度高，功能灵活，因而在电子电路中获得广泛应用。 4.54.5 74ls27374ls273 74ls273 是带有清除端的 8d 触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存 功能，锁存控制端为 11 脚 clk，采用上升沿锁存。 cpu 的 ale 信号必须经过反相 器反向之后，才能与 74ls273 的控制端 clk 端相连。如下图是 74ls273 的管脚图 ： tplc6b273 的引脚图 数字频率计的设计 19 1d8d 为数据输入端，1q8q 为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用 作 8 位地址锁存器。本此设计就是利用两片 8d74ls273 完成锁存功能的。译码显示 电路可由共阴极 7 段 led 数码管 lc5011 和输出高电平有效的译码器 74ls48 组成。 74ls48 的内部有升压电阻，因此可以直接与显示器相连接。为了使整数数值最前 面的零不显示，将数码管显示器最高位的脉冲消隐输入接地，并将高位的脉冲消隐 输出与低位的脉冲消隐输入 。 4.64.6 74ls9074ls90 引脚图与管脚功能表资料引脚图与管脚功能表资料 74ls90 是常用的二五十进制异步计数器，做八进制的就先把 74ls90 接成 十进制的（cp1 与 q0 接，以 cp0 做输入，q3 做输出就是十进制的），然后用异 步置数跳过一个状态达到八进制计数。下图为 74ls90 引脚图： 74ls90 引脚图 4.74.7 74ls4874ls48 将译码驱动器 74ls48 和共阴极数码管 lc5011-11（547r）插入 ic 空插座中。 接通电源后,观察数码管显示结果是否和拨 码开关指示数据一致。如无 8421 码拨 码开关,可用四位逻辑开关（即普通拨动开关）代替。如下图所示： 数字频率计的设计 20 数字频率计的设计 21 结束语结束语 随着社会的发展，频率计被广泛的应用与生产制造，例如温度、压力、流量、 液位、ph 值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传 感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度。由于大规模和超 大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进 入了智能化和微型化的新阶段，有了更广阔的发展前景。 在毕业设计过程中，我们将所学的专业理论知识与实际开发结合起来，理论联 系实际，提高了专业技能。大量的查阅资料，对专业知识有了更深入的理解和认识， 拓展了知识面。从设计立项、方案论证、理论设计、线路图绘制、制版设计、到电 路焊接与调试，全面了解和掌握了设计开发的基础方法和步骤，最终完满完成了本 次设计。 在此，谨向我的指导老师葛宁老师表示最衷心的感谢！感谢葛老师在本次毕业 设计中给予的悉心指导和耐心帮助。在此并向课题设计过程中给予帮助的同学表示 真诚的感谢及祝愿！ 数字频率计的设计 22 参考文献：参考文献： 1刘南平 数字频率计设计方案 现代电子设计与制作技术m. 2004 年第 2 版 2毕满清 电子技术实验与课程设计m.北京：机械工业出版社，2005 3张洪润电子线路与电子技术m清华大学出版社2005 年 4郝波数字电路m电子工业出版社2003 年 5 徐成, 刘彦, 李仁发, 等. 一种全同步数字频率测量方法的研究j. 电子技术应用 6 魏西峰. 全同步数字频率测量方法的研究j. 现代电子技术, 2005, 7 谢自美电子线路设计实验测试m华中科技大学出版社2000 年 8 任中民数字电子技术m清华大学出版社2005 年 9 mo lin. design and realization of frequency meter with equa