数字频率计设计

1、绪 论 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、尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，因此它的用途十分广泛：数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。 数字频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。这种方法免去了实测以前的预测，同时节省了划分频段的时间，克服了原来高频段采用测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。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

2、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。 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。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。 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

3、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。1 概述1.1 引言数字电路课程设计是数字电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习数字电子技术的综合性的训练，这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试完成的。通过数字电路课程设计要求学生能综合运用电子技术课程中所学到的理论知识，独立完成一个设计问题;通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力；了解常用电子器件的类型和特性，并

4、掌握合理选用的原则；学会电子电路的安装与调试技能，掌握电子电路的测试方法；掌握电子仪器的使用方法；学会撰写课程设计总结报告；培养学生严肃认真的工作做风和严谨的科学态度。1.2 设计任务和要求设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下： （1）频率测量范围：109999Hz。 （2）输入电压幅度 >300mV。 （3）输入信号波形：任意周期信号。 （4）显示位数：4位。（5）电源：220V、50Hz所需仪器仪表是示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。1.3数字频率计介绍 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

5、的信号。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。1.4 数字频率计的原理1.4.1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。本文。数字频率计是用数字显示被测信号

6、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，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

7、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1.4.2 数字频率计的基本原理框图数字频率计测频率时的原理框图如下图示：图1.4.2数字频率计测频率时的原理框图电源部分：为识字频率计的各部分提供+5V直流电源。标准频率源部分：由一个4MHz晶体振荡器和14级二进制分频器CD4060、双十进制分频器CD4518和八进制分频器CD4022构成。输入门：由两个集成运放和两个施密特触发器组成，实现了对输入信号的放大与整形。控制门：由四个与非门组成，实现控制功能。计数、译码显示：由五片HCP4026组成。1.5数字频率计的特点 在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主

8、要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，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，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。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，三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量他们的周期。数字频率计在测量其他物理量如转速、振荡频率等方面获得广泛应用。2.系统硬件的组成2.1总体结构图由数字频率计的基本原理可知数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器

9、电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。图2.1 总体结构图2.2 放大整形电路 本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz ，即在1的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。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。待放大信号接到Ui端，通过电容C1耦合到三极管的基极，放大后的信号经C2耦合输出到负载RL，C1和C2起到耦合交流的作用，通常称为耦合电容，为使信号顺利通过，要求在输入信号的频率下，容抗很小，因此

10、要取容量较大的有极性电解电容，这样对于交流信号，C1和C2可视为短路。 图2.2放大整形电路图2.3计数、译码显示系统本系统由五片七段显示十进制计数器HCP4026组成。HCP4026不仅受输入信号的控制，而且受分频输出信号的控制，只有两者同时高电平时，五个计数器才开始工作，进行频率计数。显示译码器的作用是把用BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。 选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。2.4锁存器 在确定的时间（1s）内计数器的计数结果（被测信号频率）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，将测得的数据寄存起来，送显示译码

11、器。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。 2.5 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2.4：图2.4数字频率计逻辑控制电路3 .数字频率计的电路图 根据系统框图，设计出的电路如图所示。图中，稳压电源采用7805来实现，电路简单

12、可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求.数字频率计的电路图如图2-5所示: 图2-5数字频率计的电路图4. 系统的调试运行用数字集成电路检测仪对所要用的IC进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对LED数码管进行检测，检测方法由自己确定。 在自制电路板上将 IC 插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC。 将与变压器连接的电源插头插入220V电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为5V。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形

13、。 关闭电源后，插上全部IC。依次用示波器检测由U1(74HC4024)与 U3A 组成的基准时间计数器与由U2A组成的触发器的输出波形，并与波形图对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对U1、U3、U2各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。结束语在整个课程设计完后，总的感觉是：有收获。以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西。在这个过程中遇到了很多问题，比如如何画图，如何组织那种专业语言，上网、到图书馆查找相关的资料。虽然很费劲，但是其乐无穷。通过此次的设计，我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非

14、常高，我相信在今后的学习和工作中它也占据着非常重要的地位。课堂中的学习是远远不够的，我们还需要自己吸收和再学习，不断的探索和研究。这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。不但如此，我想要完成一个任务，不能只局限于自己所学的知识中，要各个方面都有涉猎，提高自己的综合能力，这样才能取得长足的进步。通过此次的设计，我也领略到了团队精神的可贵。我的专业知识学习的不扎实，在设计的过程中，会遇到各种问题。这时我就会向同组同学请教，共同完成这个设计。所以在此感谢帮助过我的魏中乾同学。尽管如此，设计中仍会有我们未发现的问题，感谢老师的悉心指正。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计将成为我学习旅途中一个美好的回忆！参考