数字频率计——陈铮

1、沈阳理工大学课程设计课程设计任务书学院理学院专业光电信息科学与工程学生姓名陈铮班级学号1309060318课程设计题目数字频率计设计实践教学要求与任务一、设计要求1 .掌握时序逻辑电路的设计方法，灵活运用理论知识。2 .进一步了解如何将数字电路设计应用到自动控制系统中，从而提高解决实 际问题的能力。3 .写出详细的设计报告。4 .画出仿真电路。二.设计任务1 .掌握proteus软件，并使用它能进行简单地电路设计。2 .熟悉使用软件，设计过程三.工作进度与计划安排第一周：熟悉使用软件，找到简单的电路在软件中连接，并在网上查找课题。第二周：在软件中进行电路连接并熟悉课题的设计原理，并在电脑上操作

2、、测试完成课程设计论文。指导教师:专业负责人:学院教学副院长:201 年 月日201 年 月日201 年 月日成绩评定表学生姓名陈铮班级学号1309060318专业光电信息科学与工程课程设计题目数字频率计设计评语组长签字：成绩日期20 年 月日目录摘要4.前言5.数字频率计设计 .6一、数字频率计设计原理6.1 .基本原理62 .频率计的基本组成框图6.3 .逻辑控制电路7.4 .锁存器95 .脉冲形成电路 9.6 .闸门电路、1.q7 .扩展电路11.二、设计内容与要求12三、电路设计与测试 13四、测试数据与误差分析14总结.15.体会心得.15.参考文献.16.附录17.简易数字频率计摘

3、要数字频率设计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。 它是一种十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。他的基本功能是测量正弦信 号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。而且还可以测量他们的周期。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。因为数字频率计 在测量方面有广泛的应用。关键字：数字频率计，proteus ,课程设计，逻辑电路，译码器8、? 、刖百随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究 和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范

4、围也越来越宽。数字频率计是主要 用来显示被测频率的大小的装置，其广泛应用于许多设计复杂、功能多样的电子设备 中，虽然其功能复杂，但是使用起来既简单又方便。本课程设计是为了达到学以致用 的能力，把所学的电子技术应用到实际生活中去，巩固学生所学知识等而进行的。课 程设计既要理论联系实际，又要通过学生自己的设计对理论知识牢固而灵活的掌握， 着重培养了学生的实际动手能力。数字频率计设计一、数字频率计设计原理1 .基本原理数字频率计是直接用十进制数字来显示被测量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。 测频的基本原理是，若t为时间问隔，n

5、为t内测得的周期信号重复变化次数，则其频n率可表小为f=一。t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。本文。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。因此

6、，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。2 .频率计的基本组成框图简易数字频率计的组成框图和波形图如下所示译码显示器tx逻辑控制电路iv时基电路能 锁存器计数器闸门电路器放大整形电vx计数iniv锁存图表ia主要功能:4位十进制数显示、小数点自动定位;主要技术指标频率测量范围 1hz 10khz 10khz- 100khz 100k hz1mhzfx2 10频率准确度仪-3;被测信号幅度vxm=0.2v-5v (正弦波、方波、三角波)3 .逻辑控制电路根据图1 (b)所示时序波形，在标准信号r结束时所产生的负跳变用来产生锁存信号v,锁存信号v的负跳变又用来产生清“0”信号，他们的脉冲宽度由本身电路

7、的参数所决定。因此这两个脉冲信号iv和v可以由两个单稳态触发器产生，其电路图如图2所示，其中74ls123是集成电路可重复触发的单稳定触发器，其内部有两个完全 独立的单稳态触发器。74ls123的功能表如表3所示。图表3输入输出说明clra5qg0xx01稳态xxo01x1x01iqttl it触会tq1_tl it1j1,tl廿74 bl23功能表设锁存信号v和清“ 0”信号iv的脉冲宽度tw相同，如果tw=0.02s,可由式 tw=0.45rextcext来计算时间常数 rextcext=0.02s时的值。因为 tw=0.45rextcext=0.02s若取 rext=10k?,则cext

8、=tw/0.45rext=4.4 仙 f取标准值4.7卜f。当clr=1触发脉冲从a输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端 q可获得沈阳理工大学课程设计沈阳理i大学课程设计 正脉冲，q非端可获取一负脉冲，其脉宽tw由rext决定。4 .锁存器锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行所存，使显示器上获得的稳定 的测量值。因为计数器在1s内要计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。 1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出 锁存信号iv,将计数器此时的值送译码显示器，因此显示器的数字是稳定的。选用锁存器741s273可以完成上述锁存功能。如图4所

9、示，采用2片741s273构 成的16位二进制的输出锁存器的连接电路。当时钟脉冲信号cp的正跳变来到时，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、百位及千位的 输出值送到锁存器的输出端。由锁存器 741s273的功能可知，正脉冲结束后，无论输 入端d为何值，输出端q的状态仍保持原来的状态qn不变。所以在计数时间内，计数 器的输出不会送到译码显示器。1x75m寸r-chs一文o&昌苫右吕菖昌其占oz 一寸ggz 当生 onouinoo口 o图表45 .脉冲形成电路脉冲形成电路的作用是将输入的周期性信号如正弦波、三角波或者其他周期性变 化的波形变换成脉冲波，其周期不变。将其

10、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。构成施密特触发器的器件有运算放大器、集成 逻辑门、集成触发器、集成定时器 555等。我采用的是集成定时器555构成的施密特 触发器，其电路图如图5所示。vccgndori-:c8 0q1u text5寸11okok555图表5图中r10与r11的作用是将被测信号进行移动。因为集成定时器555构成的施密特触发器的上触发电平 vt+=2vcc/3,下触发电平vt =vcc/3.回差电vt为 vt=vt+- vt-即 vt=1/3vcc6 .闸门电路、闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准信号

11、（1s正脉冲）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（为低电平时）， 闸门关闭，计数器无时种脉冲输入。可见闸门电路的逻辑功能可以由一个与非门来完成，如图6所示。标准时间为1s的脉冲是由定时器555构成的多振荡器电路产生的（当 标准时间的精 度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得），取振荡器的频率其中 ti= (r+r2 )cln2 加 0.7f0 = %1 +t 2) =0.67hz,则振荡器的输出波形如图所示,(r1+r2 ) c可以计算电阻r1、r2及电容c的值，即t1=0.7 (r1+r2 ) c t 2 =0.7r2 c若取电容c=10f,则t2

12、r6=07c =35.7kr7=107.2k j图表67 .扩展电路扩展电路的功能是使数字频率计对频率范围和电压范围更宽的信号都能进行测量。(1)扩展电路的频率范围。扩展测量频率范围电路可以实现测量范围的自动切换。其工作原理是：当计数器计满时，最高位产生进位单位脉冲 qcc,使多路数据 选择器的地址计数器加1,多路数据选择器将选通下一路数据输入信号，即为上 一次频率的1/10的分频信号，因此只要将显示器的数乘以 10就得到被测频率 值，这可以通过移动显示器上的小数点位置来实现。(2)扩展被测信号的幅度范围。采用如图 7所示电路，可以扩展被测信号的幅度范 围。当输入信号vx的幅度较大时，可以先经

13、过电阻网络衰减，在经过相同运算 放大到施密特整形电路所需的信号幅度。当输入信号的幅度太小，如数毫伏时， 则可直接进行线性放大，再经过施密特触发器整形。47 k ., f?3 .47k tei 1rmr2-10k -r：1 ：35k， ttxtsqi2m171 - wr4 10.r5 1k图表7 02 平1q3产=w t-, i i dxs. i .二、设计内容与要求(1)被测信号的频率范围为 1hz-999kh马 分为4个档位：1hz,10hz,100hz,1khz。(2)被测信号幅度vxm=0.5(正弦波、三角波、方波)。(3)用3为数码管显示测量数据，测量误差小于 10%(4)设计频率计相

14、应的单元电路。(5)设计频率计的整机电路并画出框图和总电路图。三、电路设计与测试(1)计数、显示电路如图8所示。- - -图表8(2根据各电路原理及功能，设计出总电路图如图 8所示13四、测试数据与误差分析实验数据如下表所示:实际数据测量数据误差误差百分比5hz5 hz00150hz149hz1hz0.67%400hz396hz4hz1%515hz510hz5hz0.9%1000hz996hz4hz0.4%1.5khz1.5khz0014沈阳理工大学课程设计3khz3khz004.5khz4.5khz005khz5khz009khz9khz0012khz11.9khz100hz0.8%20kh

15、z20khz0050khz50khz0095khz94.9khz100hz0.1%120khz121khz100hz0.08%200khz200khz00500khz500khz00950khz949khz1000.1%图表10总结数字频率计是数字电路中一个典型的应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线 比较复杂，而且会产生较大的延时。随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，将使整个 系统大大简化，提高整体性能。通过本次课程设计，对仿真软件更好的掌握了，了解 了数字频率计测频率与测周期的基本原理，熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及 减小测量误差的方法，锻炼了我们的动手思考能力和创新思想，为以后的学

16、习更深的 知识和工作打好了坚实基础。体会心得感谢老师对我相关知识的传授和课程设计的指导，感谢同学在课程设计中对我的问 题的解答和帮助，有了老师和同学的帮助，才是我这次课程设计得以完成。通过本次 课程设计，我对proteus软件的应用更好的掌握了，用这个软件完成对电路的设计。 在设计中我们队很多方面的设计总是不理想，但通过向同学的请教、自己的查找资料， 以及与一些老师的交流，设计出了合适的电路。当把所设计的所有分块电路组合起来 却出现了一些问题，这些问题可能是在设计之初没有考虑到全局的各各方面导致的。 但是凭借对软件的掌握，对电子技术课程的透彻理解，让我改进了电路，基本上完成 了指标。让我感到了

17、成功的喜悦。通过该课程设计，我对于数字电子技术的理论知识 也有了更深厚的理解，并且体会到了在努力学习知识重要性。谢谢！参考文献【1】数字电路逻辑设计王毓银主编【2】电子技术基础康华光主编【3】电力技术头验指导王愉节窦勤耘编【4】/电子发烧友论坛18附录(1)计算机程序proteus软件是英国labcenter electronics 公司出版的edax具软件(该软件 中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其它eda工具软件的仿 真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件 的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单

18、片机爱好者、从事单片机教学 的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus是世界上著名的edax具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真， 一键切换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯 一将电路仿真软件、pc破计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，具处 理器模型支持 8051、hc11 pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr arm 8086 和msp43将，2010年即将增加cortex和dsp系列处理器，并持续增加其他系 列处理器模型。在编译方面，它也支持iar、keil和mpla旁多种编译器。(2)完整电路图c1(+)5kx：7 4ls1ttrrclkmru29 -u17713bqb-hu31cqcdqdqe15ltqfbiqgd0le/stb4hc4511d2d3d1q1d4d2q：d5aqad3q3qcuptcuqddntcdqeplqfmrqg4l