数字频率计课程设计

辽宁工程技术大学电子技术课程设计 1 课程设计任务书课程设计任务书 一 设计题目一 设计题目 数字频率计设计 二 设计任务二 设计任务 频率计又称为频率计数器 是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器 其最基本的工作原理为 当被测信号在特定时间段 T 内的周期个数为 N 时 则被测信号 的频率 f N T 用中小规模数字集成电路和半导体显示器件实现以下技术指标 频率测量范围 10 9999Hz 输入电压幅度 300mV 3V 输入信号波形 任意周期信号 显示位数 4 位 电源 220V50Hz 三 设计计划三 设计计划 电子技术课程设计共 1 周 第 1 天 针对选题查阅资料 确定设计方案 第 2 天 电路原理设计 进行元器件及参数选择 第 3 4 天 电路仿真 画电路原理图 第 5 天 编写整理设计说明书 四 设计要求四 设计要求 1 系统工作原理说明 2 画出系统电路原理图 3 对所设计的电路全部或部分进行仿真 使之达到设计任务要求 4 写出设计说明书 指 导 教师 时 间 年 月 日 李正建 数字频率计 2 目录 0 综述 1 1 方案论证 2 2 原理及技术指标 3 3 单元电路设计及参数计算 5 3 1 时基电路 5 3 2 放大整形电路 6 3 3 逻辑控制电路 6 3 4 计数器 7 3 5 锁存器 8 3 6 译码电路 9 4 仿真 11 5 设计小结 12 5 1 设计任务完成情况 12 5 2 问题及改进 12 5 3 心得体会 12 6 参考书目 13 辽宁工程技术大学电子技术课程设计 3 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 方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量 在进行模拟 数字电路的设计 安装 调试过程中 由于其使用十进制数显示 测量迅速 显示直观 所以经常要用到数字频率计 频率测量中直接测量的数字频率计主要由四个部分构成 时基 T 电路 输入 电路 计数显示电路以及控制电路 在一个测量周期过程中 被测周期信号在输入电路 中经过放大 整形 微分操作之后形成方波信号 加到与非门的另一个输入端上 该与非 门起到主阀门的作用 在与非门第二个人输入端上加阀门控制信号 控制信号为低电平时阀 门关闭 无信号进入计数器 控制信号为高电频时 阀门开启整形后的信号进入计数器 若阀 门控制信号取 1s 则在阀门时间 1s 内计数器得到的脉冲数 N 就是被测信号的频率 在普通的电子测量仪器中 示波器在进行频率测量时测量精度较低 误差较大 频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱 但测量速度较慢 无法实时快速的 跟踪捕捉到被测信号频率的变化 正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率 的变化 因此 频率计拥有非常广泛的应用范围 本课程次设计是基于 TTL 系列芯片的简易数字频率计 数字频率计应用所学的数 字电路和模拟电路的知识进行设计 在设计过程中 所有电路仿真均基于 Mulstisim 仿真 软件 关键词 周期 频率 时基电路关键词 周期 频率 时基电路 锁存器锁存器 计数器计数器 数码管数码管 李正建 数字频率计 4 0 综述 数字频率计主要应用于计算机 通讯设备 音频视频等科研领域 它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 方波信号以及其他各种单位时间内变 化的物理量 在进行模拟 数字电路的设计 安装 调试过程中 由于其使用十进制数显示 测量迅 速 精度高 显示直观 所以经常要用到数字频率计 辽宁工程技术大学电子技术课程设计 5 1 方案论证 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 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 为计数器所累计的脉冲个数 T 为产生 N 个脉冲所需的时间 计 数器所记录的结果 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三种 直接测量法 直接和间接测量相结合的方法和多周期同步测量 直接测 量法最简单 但测量误差较大 后两种方法测量精度虽高 但电路复杂 为简便起见 采用直接测量法 李正建 数字频率计 6 2 原理及技术指标 交流电信号或脉冲信号的频率是指单位时间内产生的电振动的次数或脉冲个数 用数学模型可表 示为 f Error No bookmark name given 式中 f 为频率 N 为电振动次数或脉冲数 T 为产生 N t N 次电振动或脉冲所需要的时间 第一步把各种被测信号通过放大整形电路 使其成为规矩的数字信号实现频率测量的另一必备环 节是时基电路 时基电路就是产生时间标准信号的电路装置 通常要求精确稳定 所以采用 1MHz 或 5MHz 石英晶体振荡器做成标准时间信号发生器 一般计数器则采用十位计数器 N 进制的计数器也 就是 N 分频器 其 N 进位信号也可作为 N 分频信号 如图 2 1 所示为数字频率计系统原理总框图 被测量信号经过放大与整形电路传入十进制计数器 变成矩形波信号 此时数字频率计与被测信号的频率相同 时基电路提供标准时间基准信号 此时利 用所获得的基准信号来触发控制电路 进而得到一定宽度的闸门信号 计数时 1S 内 闸门开通 被 测量的脉冲信号通过闸门 其计数器开始计数 当 1s 至 1 25S 闸门关闭 停止计数 所得的数字 N 就 是其频率 逻辑 控制 电路 数码显示器 译码器 锁存器 计数器 闸门电路 放大与整形电路时基电路V X 图 2 1 数字频率计系统原理方框图 逻辑控制电路的一个重要的作用是在每次采样后还要封锁主控门和时基信号输入 使 辽宁工程技术大学电子技术课程设计 7 图 2 2 逻辑控制电路 计数器显示的数字停留一段时间 以便观测和读取数据 简而言之 控制电路就是通过循环打开主控 门计数 关上主控门显示 然后清零 这个过程来完成频率的计数 控制电路如图 2 1 b 所示 李正建 数字频率计 8 3 单元电路设计及参数计算 3 1 时基电路 用于获得稳定的时间基准信号 以此来控制主控门的开启时间 电路见图 3 1 O v 图 3 1 时基电路 本设计中采取用 555 定时器组成的多谐振荡器如图 3 1 所示 接通电源后 电容被充电 当 上升到时 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 C v 3 2 CC V O v 2 R C v 降 当下降到时 翻转为高电平 电容器 C 放电所需的时间为当 C v 3 CC V O vCRCRtpL 22 7 02ln 放电结束时 T 截止 将通过 向电容 C 充电 由上升到所需的时间为 CC V 1 R 2 R C v 3 CC V 3 2 CC V 当上升到时 电路又翻转为低电平 如此周而复始 CRRCRRtpH 7 02ln 2121 C v 3 2 CC V 于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波 其振荡频率为 CRRtt f pHpL 2 43 1 1 21 辽宁工程技术大学电子技术课程设计 9 3 2 放大整形电路 由于输入的信号可以是正弦波 方波 三角波 而后面的闸门或计数电路要求被测信号为方波 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方波 对 信号的放大功能由三极管构成放大电路来实现 对信号整形的功能由施密特触发器来实现 施密特触 发器电路是一种特殊的数字器件 一般的数字电路器件当输入起过一定的阈值 其输出一种状态 当 输入小于这个阈值时 转变为另一个状态 而施密特触发器不是单一的阈值 而是两个阈值 一个是 高电平的阈值 输入从低电平向高电平变化时 仅当大于这个阈值时才为高电平 而从高电平向低电 平变化时即使小于这个阈值 其仍看成为高电平 输出状态不这 低电平阈值具有相同的特点 为保证测量精度 在整形电路的输入端加一前置放大器 对幅值较低的被测信号经放大后再送入 整形器整形 如图 3 2 2 为放大整形电路原理图 此电路采用晶体管 3DG100 与 74LS00 等组成 其中 3DG100 为放大器 可对周期信号进行放大 再传入整形器中对信号进行整形 3 2 放大整形电路 3 3 逻辑控制电路 控制电路需要控制几个模块 包括计数电路 锁存电路 和译码显示电路 通过产生控制信号控 制所要控制的模块 同时会产生清零信号和锁存信号 使显示器显示的测量结果稳定 辑控制电路的作 用主要是控制主控门的开启和关闭 同时也控制整机逻辑关系 李正建 数字频率计 10 本次设计采用 74LS123N 组成逻辑控制电路 先启动脉冲置成 1 其余触发器置成 0 此时时基电 路传入脉冲 控制电路开始工作 被测信号通过闸门进入计数电路 于是计数器译码器开始计数 记 下所测信号频率值 当控制电路转为其他状态时 闸门关闭 计数器停止工作 数码管继续显示所测频率值 直到有 一次循环 计数器清零 数码管显示消失 到此为止 频率计完成一次测量 脉冲信号可由两个单稳态触发器 74LS123N 产生 它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定 由 74LS123N 的功能得出 当 1 触发脉冲从 1A 端输入时 在触发脉冲的负跳变作用下 11 BRD 输出端可获得一负脉冲 其波形关系正好满足图 2 2 所示的波形 和 的要求 手动复位开关 S 按Q1 下时 计数器清零 逻辑控制电路如图 3 2 所示 逻辑控制电路图 3 3 3 4 计数器 为了提高计数速度 可采用同步计数器 采用 4 个 74LS90D 二 五 十进制计数器 该芯片无需额 外的元器件就可实现十进制计数 所以首选 计数器依次从个位开始计数 向上为发出进位信号而是 高位开始计数 其特点是计数脉冲作为时钟信号同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端 在每次时钟 辽宁工程技术大学电子技术课程设计 11 脉冲沿到来之前 根据当前计数器状态 利用逻辑控制电路 准备好适当的条件 当计数脉冲沿到来 时 所有应翻转的触发器同时翻转 同时也使用所有应保持原状的触发器不该变状态 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 基信号由石英晶体多谐振荡器电路产生 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 由于频率计的测量范围 1 9999Hz 因此采用十进制计数器 74LS90D 它不仅可用 于对脉冲进行计数 还可用于分频 此电路则需分频 N 位进制计数器就是 N 分频器 被测信号由闸门开通送入计数器 记录所测信号频率值传入译码显示电路中 显示器显示测得频 率值 待闸门关闭 计数器停止工作 电路则继续工作进行下次循环 计数器清零 显示器数值消失 频率计完成一次测量 数字频率计测周期基本原理如图 3 3 所示 3 4 数字频率计测周期基本原理图 当被测信号的频率较低时 采用直接测频方法由量程误差一起的测量误差太大 为了提高测低频 时的准确度 应先测周期 然后计算 X T X x T f 1 李正建 数字频率计 12 被测信号经过放大整形电路变成方波 加到门控电路产生闸门信号 如 则闸门打开msTX10 的时间也为 10ms 在此期间内 周期为的标准脉冲通过闸门进入计数器计数 若 则计 S TsTX 1 数器记得的脉冲数 10000 个 若以毫秒为单位 则显示器上的读数为 10 000 S X T T N 以上分析可见 频率计测周期的基本原理正好与测频相反 即被测信号用来控制闸门电路的开通 与关闭 标准时基信号作为计数脉冲 3 5 锁存器 锁存器是构成各种时序电路的存储单元电路 其具有 0 和 1 两种稳定状态 一旦状态被确定 就 能自行保持 锁存器是一种脉冲电平敏感的存储单元电路 它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变 状态 在确定的时间内 1s 计数器的计数结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值 锁存器的作用通 过触发脉冲控制 将测得的数据寄存起来 送显示译码器 锁存器可以采用 8 位并行输入寄存器 为使数据 稳定 采用边沿触发方式的器件 在确定的时间内计数器的技术结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值 锁存器的作用是通过触 发脉冲控制 将测量的数据寄存起来 送入译码显示器 锁存器可以采用一般的 8 位并行输入寄存器 此电路采用 74LS273N 锁存器 其作用是将计数器在 1s 结束时锁记得的数进行锁存 使显示 器上能稳定地显示此时计数器的值 当 1s 计数结束时 通过逻辑电路产生信号送入锁存器 将此时计 数的值送入译码显示器 选用两个 8 位锁存器 74LS273N 可以完成上计数功能 当时钟脉冲 CP 的正跳变来到时 锁存器 的输入等于输入 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的 Q 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 辽宁工程技术大学电子技术课程设计 13 图 3 4 锁存器芯片 3 6 译码电路 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 采用七段共阳数码管显示 译码显示器的 作用是把计数器产生的十进制数转化成能驱动数码管正常显示的段信号 从而获得数字显示 图 3 5 3 5 数码管显示及其控制电路 4 仿真 所有单元电路调制所需值 本此设计采用 mulstisim1 0 仿真运行 测信号经由三极管组成的放大器放 大后 送到由 555 构成的施密特触发器的输入端进行整形 使之成为计数器所要求的脉冲信号 由于 李正建 数字频率计 14 放大电路的电源值为 5V 所以输入信号比较大时 会出现线性失真 放大后的信号不会太大 超过 5V 当时基脉冲处于高电平时 闸门电路打开 计数器对输入的脉冲进行计数 当输入信号频率为 345 时所测得信号频率值如下图显示 344 在误差范围之内 本次设计成功 5 设计小结 5 1 设计任务完成情况 通过为期一周的课程设计 我对于数字频率计的组成与功用有了了解与掌握 并且对于数字频率 辽宁工程技术大学电子技术课程设计 15 计的个部分电路有了各设计的方案进行了论证与设计 在设计频率计的电路过程中对于逻辑控制电路 有了更深一步的认识 了解并掌握了芯片 74LS123N 的功能与连接 并且对于译码显示器 计数器与 锁存器的工作有了认识与了解 5 2 问题及改进 在仿真的过程中 连接好电路以后 发现没反应 然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输 出信号 看看是不是和理论的一样 找出不符合理论的那部分 对照电路图进行检查修改 最后发现