数字频率计的研究与应用.doc

中南民族大学工商学院毕业设计系： 电子信息工程 专业：电子信息工程 年级： 06级 题目: 数字频率计的研究与应用 学生： 何建军 学号：20060629 指导教师： 霍泰山 职称: 教授 2010年4月20日中南民族大学工商学院本科毕业设计原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 20010年4月20日目 录摘 要1关键字1Abstract1Keywords11 引言21.1 理论概述21.1.1 数字频率计概述21.1.2 数字电路概述21.1.3 电子设计概述22 基础理论部分32.1 数字信号32.1.1 数字信号的特点32.1.2数字信号的产生32.2数字频率计的用途介绍42.3 主要芯片的引脚及功能简介53.2 数字频率计的基本原理113.3数字频率计的主要技术指标114 数字频率计的电路设计124.1 数字频率计设计任务及要求124.2数字频率计的几种实现方案124.3数字频率计的扩展电路设计125 数字频率计电路调试135.1数字频率计的调试要点136 总结报告147 结束语148 心得体会15参考文献15附录17数字频率计的研究与应用摘 要：众所周知，数字频率计在电子技术中已经扮演着一个重要的角色，因此数字频率计是一种最基本的测量仪器，它被广泛应用于航天、电子、测控等领域，许多测量方案和测量结果都与频率有着十分密切的关系，因此频率的测量在电子产品的研究与生产中显得尤为重要。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，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。它的基本测量原理是，首先让被测信号与标准信号一起通过一个闸门，然后用计数器计数信号脉冲的个数，把标准时间内的计数的结果，用锁存器锁存起来，然后用显示译码器把锁存的结果送入显示器显示出来。本次课题设计主要运用数字电路来实现数字频率计的制作，设计中主要引用74LS123，74LS48和74LS90等芯片和相关元件来完成来完成数字频率计的电路设计与调试。关键字：数字频率计；信号；周期Digital frequency meter of Research and ApplicationAbstract :As we all know, the digital frequency meter play a improtant role in electron technology ,so The digital frequency meter is one kind of basic metering equipment , It is widely used in aerospace, electronics, measurement and control areas and so on， many of measurement scheme and measurement result have very close something to do with frequency , Therefore, the frequency of measurements in research and production of electronic products is particularly important in, There are several ways of measuring frequency, in which electronic counter measure the frequency with high precision, easy to use, quick measurements, and is easy to realize the advantages of automation of measurement process is an important means of frequency measurement. Electronic Counter Frequency Measurement There are two ways: First, the direct frequency measurement method, that is, the gate in a certain period of time measured the number of measured signal pulse; 2 is indirect frequency measurement method, such as cycle frequency measurement method. Direct frequency measurement method for high-frequency signals of frequency measurement, indirect frequency measurement method for low-frequency signals of frequency measurement. Its preliminary survey principle is, first lets measure the signal and the standard signal through a strobe, then count together with the counter the signal pulse integer, counts the result the standard time in, saves with the latch lock, then with demonstrated decoder the result which saves the lock sends in the monitor to show. This issue primarily designed to use digital circuits to achieve the digital frequency meter production, the design of the main reference 74LS123, 74LS48, and 74LS90 chips and related components such as to accomplish to complete the digital frequency meter circuit design and debugging. Keywords：Figure frequency meter；Signal；Period 1 引言电子技术基础（包括模拟和数字）是适合于各电专业的一门主要专业基础课程，是一门理论性和实践性都很强的基础课，学生通过本课程的课程设计掌握半导体的物理基础和电路的基本分析方法，加强线性集成电路和数字集成电路的原理和应用，将理论所学运用到时间中来，增强了实践技能。为学生毕业后从事本专业范围内的各项工作奠定了坚实的基础。 本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。 1.1 理论概述 本章主要从数字电路的特点以及其工作模式，来让大家对数字频率计有个初步的了解，为后面数字频率计的焊接及测试打下坚实的基础。1.1.1 数字频率计概述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、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此数字频率计在测量其他物理量如转速、振动频率等方面获得广泛应用。1.1.2 数字电路概述(1)数字电路的特点 在电子技术中，通常把电路分为模拟电路和数字电路两类，前者涉及模拟信号，信号主要是连续变化的物理量，晶体管大多工作在线性放大区。人们把用来传输、控制或变换数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路不仅是电子计算机的最基本组成单元，而且在工业自动化、仪表及其他电子技术领域都得到了广泛应用。 数字电路工作时通常只有两种状态：高电位(又称高电平)或低电位(又称低电平)。通常把高电位用代码“1”表示，称为逻辑“1”；低电位用代码“0”表示，称为逻辑“0”(按正逻辑定义的)。注意：有关产品手册中常用“H”代表“1”、“L”代表“0”。实际的数字电路中，到底要求多高或多低的电位才能表示“1”或“0”，这要由具体的数字电路来定。例如一些TTL数字电路的输出电压等于或小于0.2V，均可认为是逻辑“0”，等于或者大于3V，均可认为是逻辑“1”(即电路技术指标)。CMOS数字电路的逻辑“0”或“1”的电位值是与工作电压有关的。 讨论数字电路问题时，也常用代码“0”和“1”表示某些器件工作时的两种状态，例如开关断开代表“0”状态、接通代表“1”状态。 (2)三种基本逻辑电路 数字电路中的基本电路是与门、或门和非门(反相器)。与门和或门电路的基本形式有两个或两个以上的输入端、一个输出端。因输入和输出可以各自为“0”或“1”状态，具有判定的功能，非门只有一个输入端和一个输出端，并且其输出状态总是和输入状态相反的，所以把它们称为基本逻辑电路。 (3)逻辑函数的表示方法 在逻辑电路的设计时，常用四种方法表示逻辑电路的函数关系(指输入、输出关系)，即逻辑图、真值表、函数表达式和卡诺图。实际应用中逻辑图和真值表是最常用的，应必须掌握的；函数表达式和卡诺图主要供设计人员按要求设计数字逻辑电路时使用。1.1.3 电子设计概述电子系统分为模拟型、数字型及两者兼而有之的混合型三种，无论哪一种电子系统，它们都是能够完成某种任务的电子设备。通常把规模较小、功能单一的电子系统称为单元电路，实际应用中的电子系统由若干单元电路构成。一般的电子系统由输入、输出、信息处理三大部分组成，用来实现对信息的采集处变换与传输功能。 从系统的角度看，电子系统是能按特定的控制信号，执行所设想的功能、由一组元件（通常是电子元器件）连成的一个整体。从单元放大器到最复杂的计算机等很多设备都可以称为一个电子系统。可以将很多元器件集成为一个功能单元，在用若干个功能单元描述一个系统。2 基础理论部分2.1 数字信号连续变化的物理量，习惯上称为模拟量，把表示模拟量的信号叫做模拟信号。在时间上和数量上是不连续的，变化总是发生在一系列离散的瞬间，数量大小和每次的增减变化都是某一个最小单位的整数倍，而小于这个最小量单位的数值是没有意义的。这一类物理量叫做数字量，把表示数字量的信号叫做数字信号 阎石。数字电子技术基础（第四版）。北京：高等教育出版社，1998 56-59页。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。2.1.1 数字信号的特点(1)抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。(2)便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。(3)便于存储、处理和交换。数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。(4)设备便于集成化、微型化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。(5)便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。(6)占用信道频带较宽。一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率)，数字电话的带宽问题已不是主要问题了。 康华光电子技术基础高等教育出版社，2005年7月 7-9页以上介绍可知，数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。2.1.2数字信号的产生(1)模拟信号 信号波形模拟着信息的变化而变化，模拟信号其特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值)。模拟信号，其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是连续信号。模拟信号指幅度的取值是连续的(幅值可由无限个数值表示)。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，它是对模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的信号，虽然其波形在时间上是不连续的，但其幅度取值是连续的，所以仍是模拟信号，称之为脉冲幅度调制信号。平时我们听到的声音、看到的电视图像电话、传真都是模拟信号,如下是几种常见的模拟信号波形：图2-1 几种模拟信号波形（a）正弦波（b）调幅波（c）阻尼振荡波（d）指数衰减波(2)数字信号数字信号的概念：在自然界存在许多物理量，它们在时间和数值上均是离散的，也就是说，它们的变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间。同时，它们的数值大小和每次的增减变化都是某一最小数量单位的整数倍，这类物理量称为数字量，用来表示数字量的信号称为数字信号,数字信号其特点是幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的。二进码，每一个码元只取两个幅值(0，A)：四进码，每个码元取四(3、1、1、3)中的一个。这种幅度是离散的信号称数字信号，数字信号只有2个离散的值，用0和1来表示两种对立的状态，成为二值数字逻辑，信号电压只有0V和5V，而且电平只能从高电平变为低电平或者从低电平变为高电平。 康华光模拟电子线路高等教育出版社，2002年第一版 5-7页 图2-2 经典的数字信号波形2.2数字频率计的用途介绍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，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2大类。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主要功能是测量周期信号的频率。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。这就是数字频率计的基本原理。2.3 主要芯片的引脚及功能简介 图2-3 74LS48 如图2.3.1所示是常用的74LS48芯片，它的的输入端是四位二进制信号(8421BCD码)，a、b、c、d、e、f、g是七段译码器的输出驱动信号，高电平有效。可直接驱动共阴极七段数码管， 是使能端，起辅助控制作用。使能端的作用如下：(1) LT是试灯输入端，当 LT=0， BI=1时，不管其它输入是什么状态，ag七段全亮；(2)BI静态灭灯输入 ，当 BI=0，不论其它输入状态如何，ag均为0，显示管熄灭；(3)RBI动态灭零输入 ，当 LT=1， RBI=0时，如果 A3A2A1A0（ABCD）=0000时，ag均为各段熄灭；(4) RBO动态灭零输出 ，它与灭灯输入BI 共用一个引出端。当 在动态灭零时输出才为0。片间与 RBI配合，可用于熄灭多位数字前后所不需要显示的零。74ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表 十进数或功能 输入 BI/RBO 输出 备注 LT RBI D C B A BI/RBO a b c d e f g 0 H H 0 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 0 1 H x 0 0 0 1 H 0 1 1 0 0 0 0 2 H x 0 0 1 0 H 1 1 0 1 1 0 1 3 H x 0 0 1 1 H 1 1 1 1 0 0 1 4 H x 0 1 0 0 H 0 1 1 0 0 1 1 5 H x 0 1 0 1 H 1 0 1 1 0 1 1 6 H x 0 1 1 0 H 0 0 1 1 1 1 1 7 H x 0 1 1 1 H 1 1 1 0 0 0 0 8 H x 1 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 1 9 H x 1 0 0 1 H 1 1 1 0 0 1 1 10 H x 1 0 1 0 H 0 0 0 1 1 0 1 11 H x 1 0 1 1 H 0 0 1 1 0 0 1 12 H x 1 1 0 0 H 0 1 0 0 0 1 1 13 H x 1 1 0 1 H 1 0 0 1 0 1 1 14 H x 1 1 1 0 H 0 0 0 1 1 1 1 15 H x 1 1 1 1 H 0 0 0 0 0 0 0 BI x x x x x x L 0 0 0 0 0 0 0 RBIH L 0 0 0 0 L 0 0 0 0 0 0 0 LT L x x x x x H 1 1 1 1 1 1 1 图2-4 74LS27374LS273是一种带清除功能的8D触发器， 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。1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位;当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上.图2-5 74LS9074LS90计数器是一种中规模二一五-十进制计数器，R0(1),R0(2)是清零端，R9（1），R9(2)是置9端，CPA和QA可组成一个二进制计数器，CPB和QBQCQD组成五进制计数器；若把QA和CPB相连，脉冲从CPA输入，则构成8421BCD码十进制计数器。74LS90具有如下的五种基本工作方式：(1) 五分频：即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。(2) 十分频（8421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。(3) 六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。其计数顺序为000101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。 (4)九分频：QAR1、QDR2，构成原理同六分频。(5) 十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。 图2-6 74LS12374LS123 内有两组多谐振荡器，这个直流触发多振荡器的特点是由三种方法控制脉冲宽度，最基本的是选取外部的RC 值来控制。IC 内部已经有一个定时电阻（内部时间选择电阻器只在LS122 上），因此允许只外接定时电容使用。其功能特点：清零终止输出脉冲；为VCC和温度变化补偿；直流触发是高电平或电平逻辑输入。双可重触发单稳态触发器（有清除端）图2-7 74LS0074ls00 是常用的2输入四与非门集成电路，他的作用很简单就是实现一个与非门。在数字电路设计中与其他门电路结合用来达到自己所需要的组合逻辑功能，其真值表如下：A1 B=1 Y=0 A0 B=1 Y=1 A1 B=0 Y=1 A0 B=0 Y=1图2-8 NE555NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。ne555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。ne555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555.ne555属于cmos工艺制造.NE555引脚图介绍如下1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8电源电压Vcc。用555时基电路可组成各种形式的自激式多谐振荡器，其基本电路如图a所示。当电路刚接通电源时，由于C来不及充电，555电路的脚处于零电平，导致其输出脚为高电平。当电源通过RA、RB向C充电到VcVcc时，输出端脚由高电路平变为低电平，电容C经RB和内部电路的放电开关管放电。当放电到VcVcc时，输出端又由低电平转变为高电平。此时电容再次充电，这种过程可周而复始地进行下去，形成自激振荡。图(b)给出了输出端及电容器C上电压的波形。 图2-9给出其波形转换 史晓东数字电路与逻辑设计实验教程：北京邮电大学出版社 120-122页 图2-9（a） 图2-9（b） 3 数字频率计的基本组成3.1数字频率计的基本组成 结构组成： 1 放大整形电路放大整形电路可以采用晶体管 3DGl00和74LS00，其中3DGl00组成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。与非门74LS00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，放大电路可以用各种各样的形式去实现，但是三极管有其独特的工作原理： （1）简单的说：管子工作前题是BE结加正向电压BC结加反向电压，然后1.发射区向基区扩散电子，2.电子在基区边界扩散与复合，空穴由外电源补充，维持电流。3.电子被集电极收集。改变基极电流就可以改变集电极电流：IC=BIB 集电结反偏，就是给集电极加反向电压，用电源EC提供。发射结正偏，就是给基极加正向偏置电压，由偏置电路电阻提供。 （2.）理论上是可以使一个三极管同时实现开关与放大，因为放大是介于开与关之间的状态。实际应用中没有这样做的，因为开关作用经常被用于控制电路，例如电机启动、停止。放大作用经常用于小信号模拟电路中，例如家电音响、通讯等等。日常生活中没有同时使用一个三极管兼做2个任务的例子。（3.）三极管用于放大时，一般信号电压在几个-十几个毫伏，也就是说在0.7伏左右小幅上下波动范围。 作为开关使用时，一般以0伏为界限，为了可靠开关，三极管基极电压在开状态时输入+3-5伏，关状态时输入-2-5伏（以NPN管为例）。（4.）三极管放大的是电流，但是通过集电极电阻可以转换为电压输出，也就是说，既可以放大电流，也可以放大电压，根据需要都能做到。 2 时基电路555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小IC。1972年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555双极型时基电路，设计原意是用来取代体积大,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域，需求量极大。美国各大公司相继仿制这种电路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上将两个双极型555单元集成在一起，取名为NF556。1978年美国英特锡尔公司(Intelsil)研制成功CMOS型时基电路ICM555 1CM556,后来又推出将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路558 由于采用CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹,卫星,航天等高科技领域。在这期间，日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产。尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555556时基电路，但其内部大同小异，且都具有相同的引出 功能端，时基电路的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。 彭介化，电子技术课程设计指导。北京：高等教育出版社，1997年 200-202页 （1 ）555多谐振荡电路产生时基脉冲 采用555产生1000HZ振荡脉冲的参考电路如图4-2-7所示。电阻参数可以由振荡频率计算公式 求得 f=1.43/(R1+2R2)*C)图4-2-7 555 多谐振荡电路 （2 ）分频电路 由于本设计中需要1s、0.1s、10ms、1ms四个闸门时间，555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号，需经分频才能得到其他三个周期的闸门信号，可采用74LS90分别经过一级、二级、三级10分频得到。分频电路主要由74LS90组成因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为 0.1 s 所以一级分频后tw=0.001s,T1=0.01s.依次类推0.1s的脉冲宽度需要三次分频,1s的脉冲宽度需要四 次分频，分频器的分频原理：就是将音频输入信号经过高、低通滤波器和带通滤波器分离出低音、中音和高（或超高音）信号，分别送入各频带的功率放大器，其输出信号分别带动低音、中音和高音扬声器，从而提高了还音的质量水平，其作用如下： 合理地分割各单元的工作频段；合理地进行各单元功率分配； 使各单元之间具有恰当的相位关系以减少各单元在工作中出现的声干涉失真；利用分频电路的特性以弥补单元在某频段里的声缺陷； 将各频段圆滑平顺地对接起来 (3 )逻辑控制电路逻辑控制电路主要实现逻辑状态的控制。这些逻辑状态可综合表达为“真”与“非”两种基本逻辑状态，这两种基本逻辑状态通过空间和时间上的并联与串联构成不同的复合逻辑组态，在应用中形成各种用途的逻辑控制电路在时基信号II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V。脉冲信号和V可由两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。触发脉冲从B端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一正脉冲, Q非端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足和V的要求。手动复位开关S按下时，计数器清“ 0 ”。参考电路如图4-2-8图4-2-8 数字频率计逻辑控制电路 (4 )锁存器 锁存器的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 值,闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。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，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn 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,1脚是输出使能,11脚是锁存使能D是输入,Q是输出,是高电平，L是低电平。/OE是1脚 ，/OE 接低电平，使芯片内部数据保持器输出端与芯片8位输出端之间连通。LE是11脚，LE 端的作用是通过高低电平控制8位输入与内部数据保持器输入端的连通与断开。当 LE = 0 时，P0端口的8位数据线与74HC573内部数据保持器的输入端断开。当 LE = 1 时，P0端口的8位数据线与74HC573内部数据保持器的输入端连通。 吕思忠. 数字电路实验和课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社 25-28页 3.2 数字频率计的基本原理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，但闸门时间越长则没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，由组成框图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，被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N/THz。可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。 樊昌信，曹丽娜编通信原理（第 6 版) 国防工业出版社，2008年 232-235页3.3数字频率计的主要技术指标(1) 频率准确度：一般用相对误差来表示，即 式中， 为量化误差（即1个字误差），是数字仪器所特有的误差，当闸门时间T选定后，越低，量化误差越大：为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的准确度决定，。(2)频率测量范围在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。(3)数字显示位数频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。(4)测量时间频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。董平. 电子测试技术. 北京：电子工业出版社, 2004 38-40页 4 数字频率计的电路设计4.1 数字频率计设计任务及要求（1）利用555芯片和74LS系列芯片以及相关的电容，电阻设计出能测定多种波形的数字频率计（2）主要技术指标：频率测量范围1HZ10HZ. 10HZ100HZ 100HZ1MHZ;频率准确度和被测信号幅度，频率准确度fx/fx 10-3。（3）显示及工作方式：4位十进制数显示，小数点自动定位，单位指示灯自动显示（4）要求了解数字频率计测频的基本原理，熟练掌握数字频率计的设计与调试方法并且能够准确的测出正弦波、方波、三角波的频率，被测信号幅度Umax=0.5V4.2数字频率计的几种实现方案测量频率的方法有多种,其中数字频率计是频率测量的重要手段之一。它主要有两种测频方式：（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即f=n/T其中n为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间；（二）是间接测频法，如周期测频法。主要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，就可以得到所测频率。直接测频法是通过测量标准闸门时间内待测信号的脉冲数而计算出待测信号频率的,由于闸门时间通常不是待测信号周期的整数倍,因此存在最大1的待测信号脉冲误差,只能在信号频率较高时采用 测周法是通过测量待测信号的周期并求其倒数而求得其频率的,在待测信号的一个周期内也存在最大1的标准信号脉冲误差,只能在信号频率较低时采用.这两种频率测量方法都存在局限性,并难以实现宽频带、高精度测量。 4.3数字频率计的扩展电路设计图4-3 频率范围扩展电路扩展电路的设计按照上述方法所设计的数字频率计电路,测量的最高频率只能为9.999kHz,完成一次测量的时间约1.25s.若被测信号频率增加到数百千赫兹或数兆赫兹时,则需要增加频率范围扩展电路.频率范围扩展电路频率范围扩展电路如上图所示，该电路可实现频率量程的自动转换.其工作原理是:当被测信号频率升高,千位计数器已满,需要升量程时,计数器的最高位产生进位脉冲Q3,送到由74LS92与两个D触发器共同构成的进位脉冲采集电路.第一个D触发器的1D端接高电平,当Q3的下跳沿来到时,74LS92的Q0端输出高电平,则第一个D触发器的1Q端产生进位脉冲并保持到清0脉冲到来.该进位脉冲使多路数据选择器74LS151的地址计数器74LS90加1,多路数据选择器将选通下一路输入信号,即比上一次频率低10倍的分频信号,由于此时个位计数器的输入脉冲的频率比被测频率低10倍、故要将显示器的数乘以10才能得到被测频率值,这可以通过移动显示器上小数点的位置来实现.如图3所示、若被测信号不经过分频(100输出)、显示器上的最大值为9.999kHz,若经过101分频后,显示器上的最大值为99.99 kHz,即小数点每向右移动一位、频率的测量范围扩大10倍. 进位脉冲采集电路的作用是使电路工作稳定,避免当千位计数器到8或9时,产生小数点的跳动.第二个D触发器用来控制清0,即有进位脉冲时电路不清0,而无进位时则清0.当被测频率降低需要转换到低量程时,可用千位(最高位)是否为零来判断.在此利用千位译码器74LS48的灭零输出端RBO,当RBO端为零时,输出为零,这时就需要降量程.因此,取其非作为地址计数器74LS90的清0脉冲.为了能把高位多余的零熄灭、只需把高位的灭零输入端RBI,同时把高位的RBO与低位的RBI相连即可.由此可见、只有当检测到最高位为0,并且在该1秒钟内没有进位脉冲时,地址计数器才清0复位、即转换到最低量程,然后再按升量程的原理自动换档,直到找到合适的量程.若将地址译码器74LS138的输出端取非,变成高电平以驱动显示器的小数点h,则可显示扩展的频率范围. 方建忠电子线路综合试验21世纪信息科学与电子工程系列精品教材， 59-62页 2007年9月第一版5 数字频率计电路调试5.1数字频率计的调试要点（1）通电准备打开电源之前，先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况，并取下电路板上的集成块，然后接通电源，用万用表检查板上的各点电源电压值，之后再关掉电源，插上集成块。（2）.单元电路检测 接通电源后，用双踪示波器 ( 输人耦合方式置 DC 档 ) 观察时基电路的输出波形，看其是否满足设计要 求，若不符合，则调整R1和R2。然后改变示波器的扫描速率旋钮，观察 74LSl23 的第13 脚和第10 脚的波形是否为锁存脉冲和清零脉冲 V 的波形。将 4 片计数器 74LS90 的第 2 脚全部接低电平，锁存器 74LS273 的第 11 脚都接时钟脉冲，在个位 计数器的第 14 脚加入计数脉冲，检查 4 位锁存、译码、显示器的工作是否正常（3.）系统连调 在放大电路输入端加入Vpp=1v ，f=1kHz 的正弦信号，用示波器观察放大电路和整形电路的输出波形，应为与被测信号同频率的脉冲波，显示器上的读数应为1000Hz 。 图（a） 图（b） 图5-1 调试框图 6 总结报告1.总结数字频率计设计思路、安装方案与调试过程，分模块检查电路的通电情况及数码管的显示。2.分析安装与调试中发现的问题及故障排除的方法。3.分析减小测量误差的方法。7 结束语在信息技术高度发展的今天，电子系统数字化已成为有目共睹的趋势。数字频率计在信号测量中显得越来越重要，数字频率计是用于测量信号（方波，正弦波或其他脉冲信号）的频率，并用十进制数字显示，具有精度高，测量迅速，读数方便等优点，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，频率的测量就显得更为重要，于是借助这次毕业设计来强化自己的动手能力和开阔眼界。本次实验是在指导老师的指导下完成的，在实验研究的过程中，梅老师给予了殷情的指导，并提供了很多与数字频率计相关的重要信息，还有一些很重要的资料，让我有更多的时间去了解数字频率计的原理，同时也了解了各个模块间的相互协调机制，对后期焊接电路板有相当大的帮助。同时我也得感谢我的室友们，在四年的时间里面我们一直维系着寝室那份家的融洽，让我倍感欣慰，无论在生活还是在学习上，你们都给了我莫大的帮助和鼓励，现在临近毕业了，我们都要为自己的事业各奔东西，再也不能像以前那样聚在一起吃饭庆祝元旦了，真心的希望寝室的每个人都能找到一份称心的工作并且能够学以致用，将来有一番大作为。 通过此次论文和毕业设计作品的制作，我对数字频率计工作原理有一定的理解，同时对数字电路的的制作方法有了进一步的了解，基本独立完成的实验作品使我对自己的电路操作和动手能力有了更深的认识；大量收集、整理、分析使我对大学学到的电子线路知识更加巩固，深入理解。本次设计让我体味到设计电路，连接电路，调试电路过程中的苦与乐。设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我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电对电路的设计对电路的调试再到最后电路电路的成型，都对我