简易数字频计器课程方案设计书报告

1、目录第一章技术指标1.1 整体功能要求1.2 系统结构要求1.3 电气指标1.4 扩展指标1.5 设计条件第二章整体方案设计2.1 算法设计2.2 整体方框图及原理第三章单元电路设计3.1 时基电路设计3.2 闸门电路控制电路设计3.4 计数电路和显示电路设计3.5 小数点电路设计3.6 超量程指示灯设计3.7 整体电路原理图3.8 整机原件清单第四章测试与调整4.1 时基电路的调测4.2 显示电路和计数电路的调测4.3 控制电路的调测4.4 整体指标测试第五章设计小结5.1 设计任务完成情况5.2 问题及改进5.3 心得体会附录第一章技术指标1. 整体功能要求频率计主要用于测量正弦波、矩形波

2、、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。2. 系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。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工程-频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。数字频率计整体方案结构方框图3. 电气指标3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。3.2测量频率范围：分三档：1Hz999Hz0.01kHz9.99kHz0.1kHz99.9kHz3.3测量周期范围：1ms1s。3.4 测量脉宽范围：1ms1s。3.5测量精度：显示 3位有效数字（要求分析 1Hz、1kHz和999kHz的测量误差）。3.6

3、当被测信号的频率超出测量范围时，报警.4. 扩展指标要求测量频率值时，1Hz99.9kHz的精度均为+1。5. 设计条件5.1电源条件：+5Vo5.2可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能7400四2输入与非门741518选1数据选择器74153双4选1数据选择器7404六反向器4518十进制同步加/减计数器74132四2输入与非门（有施密特触发器）4029十进制冋步计数器C392数码管4017十进制计数器/脉冲分配器45114线-七段所存译码器/驱动器CD4093四2输入与非门（有施密特触发器）10K电位器电阻电容拨盘开关门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。第二章整体方案设计2

4、.1算法设计2-1所示的频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图 算法。图2-2是根据算法构建的方框图。被测信号闸门信号購输出频率测量算法示意图图2-2频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测

5、信号的周期量误差在103量级，则要求闸门信号的精度为10量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1,符合5*10 3的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10 3范围内。但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信号为0.5Hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍未 1s显然是不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸 门脉冲宽度加至10s,则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5

6、是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.2.2整体方框图及原理图27测虽频率的原理框图图2-趙圖星周期的原理框图图2-5测量脉宽的原理框图输入电路：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：测量

7、频率的原理框图如图 2-3. 测量频率共有 3 个档位。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 CD4093 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。周期测量：测量周期的原理框图 2-4. 测量周期的方法与测量频率的方法相反，即 将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被 测信号的 1 个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数 器记录

8、标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信 号的周期。用时间 Tx 来表示： Tx=NTs 式中： Tx 为被测信号的周期； N 为计数器脉冲 计数值； Ts 为时基信号周期。脉宽测量：测量周期的原理框图 2-5. 测量脉宽的方法与测量频率的方法相反， 即被测方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的 1 个周期。将方波的脉宽作为闸门导 通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个 数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间T来表示：T=NTs式中：T为被测信号的脉宽；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。时基电路：时基信号由CD4

9、093、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） C T2=0.7RbC重复周期为T=T1+T2。由于被测信号范围为1Hz1MHz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给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档： 1Hz999Hz 档采用 1s 闸门脉宽； 0.01kHz9.99kHz 档采用 0.1s 闸门脉宽；0.1kHz99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。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1ms 0.1ms。闸门时间要求非常准确

10、，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。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率，使得能够产生10kHz的信号，再经 CD4518J进行分频分别得到 1KHz,100Hz,10HZ和1Hz的信 号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。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并锁存。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，利用CD4017脉冲分配器产生的 Q, Q2的脉冲信号分别作为清零信

11、号和锁存信号。设此时的门闸时间是T,则在第一个 T时间里对计数器进行清零，第二个 T时间里是计数器进行计数的时 间，第三个T时间里允许显示电路输出并显示数值（只有在第三个T时间里CD4511可以输出，其余时间均锁存）。闸门电路：利用 CD4017的Q1，被测信号或被测信号的二分频信号作为闸门，设闸门的时间是T,则截取并选通一段 T时间的计数的脉冲，进入计数电路。开关和小数点控制电路：用一片 74153的两个输出分别控制两个小数点，根据档 位的不同也就是开关的状态的不同来控制小数点。开关要用三个，分别编号A,B,C,其中C是高位。档位（CBA功能档位(CBA)功能000不测量100周期1ms1s

12、0011Hz999Hz101脉宽1ms1s0100.01kHz9.99kHz110脉宽 0.1ms99.9ms0110.1kHz99.9kHz111周期 0.1ms99.9ms第三章单元电路设计3.1电路基本原理计数器七译码器12biIV*J时基电路心逻辑控制电路心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

13、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V；经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I,其频率与被测信号的频率f；相同。时基电路提供标准时间基准信号n,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

14、N,则被测信号频率feN/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W,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。3.2 时基电路设计时基电路它由两部分组成图3-2分频电路原理图如图3-1所示，第一部分为 CD4093 10K的电位器和30000pF的电容（实际电路中使 用三个103的电容并联）组成的振荡器（即脉冲产生电路

15、）,要求其产生10KHZ的脉冲.通过10K的电位器调节使得振荡电路能够产生非常接近10KHZ的频率的脉冲。第二部分为分频电路,主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为振荡器产生的是10KHz的脉冲，也就是其周期是 0.1ms,而时基信号要求为 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，通过将连接至下一计数器的 EN输入端可实现级联，同时后者

16、的CP输入保持低电平。如图3-2所示，利用两片 CD4518级联进行分频，可分别得到要求的频率为1Hz,10Hz,100Hz（测量频率）和周期为1ms的信号。1KHz(1ms)100Hz10Hz1Hz图3-3 分频后的波形图3.3闸门电路和控制电路设计如图3-4所示，通过第一片 74151数据选择器来选择所要的100分频、1000分频和10000分频信号。74151的CBA接拨盘开关来对档位进行控制。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。当CBA输入为

17、100-111时均输出被测信号；这里我 们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017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3-4，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（10ms），原信号经过4017后输出的信号脉宽是原信号的两倍，频率是原信号的0.1倍。也就是4017的输出信号高电平持续的时间为 10ms

18、,那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。图3-5，是4017的输入输出的波形图。减 -.tOHz.100Hz *彼测信号.3*-74HC151Lie： a74HCM. TFXT1XD1X1 1X2 1X3B 1E 2E1LL_12d74K1MU5：AMHCQD QE.mp p,pGv 一 I同i-二 II *ss= 8KDAggAirr1:、La FAA3.8整机原件清单型号名称及功能数量7400四2输入与非门3片741518选1数据选择器2片74153双4选1数据选择器2片4518十进制同步加/减计数器用于分频电路2片4029十进制冋步计数器4片C392数码管3片4017十进制计数器/脉冲

19、分配器用于控制电路1片45114线-七段所存译码器/驱动 器3片CD4093四2输入与非门（有施密特 触发器）用于振荡电路1片10K电位器用于调节振荡电路产生信号 的频率。1片发光二极管电源指示灯，超量程指示灯2个120欧姆电阻用于保护数码管和发光二极 管7个1k电阻接开关电路3个103 电容（10000pF）用于RC谐振电路3个拨盘开关用于测量档位的调节1个在实际电路中，常用 7400的与非门代替7404的非门，以减少摆放芯片的数量。故在 实际电路中没有使用 7404芯片。第四章测试与调整4.1时基电路的调测对于由4093，电容和电位器组成的振荡器，产生的 10k脉冲信号不是很稳定。但相对来

20、 说，分频电路的工作较稳定。所以在调测时基电路时，调测时分另U将振荡电路的输出和10分频的信号接入双宗示波器，并利用示波器测量频率。通过调节10k的电位器，来调节输出脉冲的频率到10k左右，误差在100Hz以内。再利用示波器，分别观察100分频、1000分频和10000分频信号。4.2显示电路和计数电路的调测显示电路和计数电路是最先在面包板上组装的。放在一起测式：先将4511的锁存信号控制端LE接低电平，允许 4511输出数据到数码管显示；然后，从函数发生器输出 1Hz的 时钟信号（振幅5V）,接入4029的CP端；再将4029的置数控制端接高电平使得4029计数器清零，观察数码管是否显示正常

21、（显示3个“ 0。若显示不正常，先用万用表测量4029的数据输出端是否全为零，是则显示电路有问题。一般，显示电路不易出问题，只要 注意数码管的管脚正确对应。在确保显示电路正确的前提下，将4029的置数端PT接低电平，计数器开始计数。观察第一位数码管从0-9是否显示正常。同时还要注意第二片数码管是否在第一个数码管显示0时，开始进位。4.3控制电路的调测先将时基电路和控制电路并接，再将计数脉冲接入示波器，通电后调换档位观察示波器 是否能够得到入图 3-6中的计数脉冲的波形。另外小数点电路的测试，也可以通过开关的 不同档位，观察数码管的小数点显示。4.4整体指标测试频率测量：档位被测信号频率测量值

22、档位被测信号频率测量值000不计数 001666HZ665010 6.5KHz 6.4901178.6KHZ78.5周期测量：100 20Hz （周期 50ms） 049110200Hz（5ms）05.1脉宽测量：101 20Hz（脉宽 25ms）025111200Hz（2.5ms） 02.5第五章设计实验小结5.1 设计任务完成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，并且扩展的增加了测量周期 和脉宽的 0.1ms-99.9ms 的范围。刚开始设计的时候，控制电路这部分的设计有错误，在经 过老师的指导，才完善了控制电路的设计。振荡电路最初使用 555 设计的，后因没有 555 芯

23、片，而改用 4093 完成。5.2 问题及改进由 4093 构成多谐振荡器输出的脉冲信号，由于电路里面使用的电容元件，在实验的 时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个 原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，把产生的脉冲 信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使输出的信号非常接近10KHZ,这样的话在后面的测量中会减小误差。在调测计数显示电路的时候，在连接4511 元件的时候忘记了将 4511 的 5 端接地，导致数码管无法计数，在实验的过程中，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

24、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，最后发现有的芯片的使能端没有接 地，导致元件的功能没有实现。所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。不 然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。在最终测量频率很低的时候，那么本次电 路测量频率的算法就有了一定的缺点。例如，当被测信号为0.5Hz时，其周期为2s，这时闸门的脉冲仍为 1s 显然是不行的。故应该加宽闸门脉冲的宽度假设闸门脉冲宽度加至 10S,则闸门导通期间可计数 5次，由于计数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将 计数值除以 10.加宽闸门信号也会带来一些问题：计数结果要进行除以 10 的运算，

25、每次测 量的时间最少要 10s,时间过长不符合人们的测量习惯，由于闸门期间计数值过少，测量 的精度也会下降。为了克服测量低频信号时的不足，可以使用另一种算法。将被测信号送 入被测信号闸门产生电路，该电路输出一个脉冲信号，脉宽与被测信号的周期相等。再用 闸门产生电路输出的闸门信号控制闸门电路的导通与开断。设置一个频率精度较高的周期 信号（例如 10KHZ）作为时基信号，当闸门导通时，时基信号通过闸门到达计数电路计 数。由于闸门导通时间与被测信号周期相同，则可根据计数器计数值和时基信号的周期算 出被测信号的周期 T。T=时基信号周期*计数器计数值。再根据频率和周期互为倒数的关系，算出被测信号的频率

26、 f。5.3心得体会此次课程设计让我经历设计电路、连接电路、调测电路的整个系统的过程。对我们今 后的学习和工作都是有帮组的。电路设计是我们将来必需的技能，这次课程设计恰恰给我 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，再到最后面包板的连接，都对我所学的知识和动手能力进行了检验。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，不能有丝毫的急躁和马虎，往往有接错导线的现象发生。这是电路连接完 成后得主要对电路的调试要

27、一步一步来，不能急躁。而且在课程设计的两周时间里，需要 我们要灵活安排时间。因为连接电路需要花大量的时间，在面包板上连线时不产生跳线， 是需要提前做好芯片的摆放和布局。附录CD4093 四双输入与非门Cd4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密特触发 功能的2输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压（V p）T和下降电压（V町之差定义为滞后电压（ V t）。CD4017:十进制计数器/脉冲分配器CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP CR INH输入端。时钟输 入CR为高电平时，计数器清零。端的斯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，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效