简易数字频率计课程设计.doc

电子技术 课程设计报告报告题目： 作者所在系部： 作者所在专业： 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 内 容 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，其功能是测量正弦信号，方波信号，尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，因此已经成为电路设计的常用原器件之一，有它不可取代的地位。 本课题要设计的是简易数字频率计，使其频率值以十进制的数在数码管上显示出来。从而可以直接的看出频率值，相对比较直观，而且误差相对较小（误差约为1）。设计的数字频率计的测量范围是1HZ9999HZ，显示的数值N是00019999。 该数字频率计将在频率测量方面显示出它独特的优越性。关键字：整形 锁存 清零 数显 频率 一、概述通过信号整形电路使被测频率Fx产生一个CP脉冲（闸门信号），通过时基电路产生高电平时间长度为1s低电平时间长度为0.25s方波信号。通过计数器来测CP脉冲在一秒钟内的个数。通过74LS273锁存其数据，通过译码器翻译，使七段数码管显示其数值N。用四只LED数码管构成数字显示器。数码管用来显示四位，均用十进制数表示，即数字显示器可显示出的最大数字和最小数字分别为9999和0。响应时间Tx不超过12s，即接上FX后，在12s之内，显示器所显示数字N，Fx的测量范围为0hz9999hz。二、方案设计与论证 频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。它可以测量正弦波、方波、三角波的频率。利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。 常用的频率测量方法有以下四种。 1测频法 测频法的基本思想是：对频率为f的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为Tg）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其信号频率为f=N/TG 测频法的测量误差与信号频率有关：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，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。2测周法首先把被测信号进行二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期的方波信号，然后用一个已知周期TS的高频方波信号作为记数脉冲，在一个周期信号的时间内对fS信号进行记数，如图7.12所示。若在T时间内的计数为N，则有 T=N*TS即 f=1/T=1/(N*TS)=fs /N 测周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准技术信号的频率成反比。当fs为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也越高。 由于测周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，而二进制数据的求倒数运算用中小规模数字集成电路却不较难实现，因此测周法不适合本设计要求。3测周法/频率法周期/频率测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频标准计数信号fs进行计数。在确定的检验时间内，若对被测信号f的计数值为N1，对高频信号fs的计数值为N2，（对信号fs的计数，必须是信号f在第一个计数器停止计数后的一个完整的f信号周期）。则所测的信号频率为 f=1/T=N1/(N2*Ts)=N1*fs/N2可见，周期/频率法需要进行除法运算才能得到信号频率，这用中小规模数字集成电路却较难实现，因此，该方法不适合本设计要求。 4.F/V与A/D法这种频率测量法是先通过F/V变换，把频率信号转换成电压信号；然后再通过A/D转换把电压信号转换成数字信号，在对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。根据性能与技术指示的要求，首先需要确定能满足这些指标的测量方法。根据上述频率测量原理与方法的讨论，本设计采用测频法。由于测频法的测量误差与信号频率成反比：信号频率越低，测量误差越大；信号频率越高，其误差越小。用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1S时，不需要进行任何计算，计数器所记数据就是信号频率。另外，在信号频率较低时，如1到100HZ，可以通过增大闸门时间来提高测量数据。三、单元电路设计与分析 用测频法构成的数字计的原理框图如图所示。放大整形&计数器锁存器译码器 数码管时基电路控制电路锁存信号清零信号闸门控制信号fx（1） 放大整形电路放大整形系统包括运算放大器和555构成的施密特触发电路，如图1所示。 图 1 它将正弦波输入信号整形成同频率的方波。幅值过大的被测信号经分压器分压送到后级放大器，以避免波形失真。由运算放大器构成的跟随器使输入信号幅值扩展，其放大倍数为（Rf+R1）/R1。系统的整形电路由施密特触发器构成，整形后的方波送到闸门以便计数（2）闸门电路闸门电路由与非门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输入端的一端接门控信号，另一端接整形后的方波信号。闸门是否开通受门控信号的控制，当门控信号为“1”时，闸门开启；而门控信号为“0”时，闸门关闭。只有在闸门开启时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器。（3） 时基电路（4） 时基电路由555定时器构成的多谐震荡器实现，如图2所示。其作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号（1s正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数；当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。计算： T=（R1+2R4）Cln2 f=1/T=1/（R1+2R4）Cln2通过改变R1的阻值（即通过开关K选择不同的电阻）来改变T以改变频率的量程。 图2（4）控制电路控制电路由555构成的单稳态电路构成，如图3所示。逻辑控制电路利用标准时间信号结束后产生琐存信号，同时琐存信号经反相器又产生清零信号，锁存信号的脉冲宽度由单稳态电路本身的时间常数决定。其脉冲宽度为：tw=RCln3 图3（5）计数，锁存，译码，显示电路 计数电路由4个同步十进制加法计数器74LS160构成，译码器采用共阴极译码器7448，锁存器选用74LS273，其作用是将计数器在1S结束时的计数值进行锁存,使显示器上获得稳定的测量值.当时钟脉冲CP的正跳变到来时,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,输出将不再改变.四、总原理图及元器件清单1总原理图 图 4元件序号Quantity Description Reference_ID Package=1 RESISTOR, 1kohm R1 RES0.54 RESISTOR, 10kohm R2 R4 R7 R8 RES0.52 RESISTOR, 100kohm R3 R6 RES0.51 RESISTOR, 9.2kohm R5 RES0.51 RESISTOR, 106kohm R9 RES0.51 RESISTOR, 10.6kohm R10 RES0.51 RESISTOR, 1.06kohm R11 RES0.51 RESISTOR, 106ohm R12 RES0.51 RESISTOR, 36kohm R13 RES0.51 RESISTOR, 3.6kohm R14 RES0.51 RESISTOR, 360ohm R16 RES0.51 RESISTOR, 36ohm R17 RES0.51 RESISTOR, 1Mohm R15 RES0.5 4 74LS, 74LS160D U8 U10 U11 U12 DO16 2 74LS, 74LS273N U9 U17 N020 1 OPAMP, 3554AM