简易数字频率计课程设计报告

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闸门电路设计3.3控制电路设计3.4 小数点显示电路设计3.5整体电路图3.6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 显示电路的调测4-3 计数电路的调测4.4 控制电路的调测4.5 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心得体会附录参考文献第一章 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、三角波和尖脉冲等周期信号的频

2、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项目-频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。测量电路被测信号 显示电路档位转换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、3.6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：+5V。5.2 可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能数量4093施密特触发器1片741518选1数据选择器1片74153双4选1数据选择器2片7404六反向器1片4518十进制同步加/减计数器2片C392数码管3片4017十进制计数器/脉冲分配器1片45114线七段所存译码器/驱动器3片7400四2输入与非门1片10K电位器1片电阻10K7片电容1041片发光二极管1片拨盘开关1个其他原件自定。第二章 整体方案设计2.1 算法设计频率是周期信号每秒钟内

4、所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。计数电路闸门输入电路闸门产生显示电路被测信号 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内被测信号的周期量误差在10 &#

5、179;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

6、值5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（

7、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555定时器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

8、：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。时基电路：时基信号由555定时器、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

9、提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms、0.01ms。闸门时间要求非常准确，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1kHz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。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。控制电路工作波形的示意图如图2-5.第三章 单元电路设计3.1 时基电路设计图3-

10、1 时基电路与分频电路它由两部分组成: 如图3-1所示，第一部分为4093组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生10K Hz的脉冲.调节电位器，使输出信号为10K Hz。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10K Hz的脉冲,也就是其周期是0.0001s,而时基信号要求为0.001s、0.01s和0.1s。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

11、器在脉动模式可级联，通过将Q³连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。 如图3-2所示，555产生的10K Hz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为1KHz、100Hz和10Hz的方波。图3-2 10K Hz的方波分频后波形图3.2闸门电路设计 如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。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；这里

12、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3-3，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，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。图3-3 闸门电路图3-4 3.3控制电路设计通过分析我们知道控制电路这

13、部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，4511的锁存信号。图3-5控制电路。计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形是被测信号

14、的波形图、第二个是PT端输入信号的波形图、第三个是计数器的清零信号。第四个是锁存信号。PT是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据4511（4511的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时4511的LE端

15、的输入信号也刚好到达下降沿。图3-6 计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图3.4 小数点显示电路设计在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。比如CBA接011测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.1KHz99.9KHz，那么在显示的时候三个数码管的第二个数码管的小数点要显示。CBA接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01KHz9.99KHz，那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据选择器来

16、实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图3-7所示。图 3-7 小数点显示电路3.5整体电路图图3-8 整体电路图3.6整机原件清单元件数量元件数量40391片74041片10K电位器1个45182片741511片拨盘开关1个741532片40171片45113片数码管3个LED灯1个保护电阻7个104电容1个5V直流电源1个导线若干第四章 测试与调整4.1 时基电路的调测首先调测时基信号，调节10K的电位器，把示波器的CH1频道的黑色端接地，红色端夹上插线，把插线接在4039的4端口，先按AUTO键，再按MEASURE键，观察示波器CH1的频率，在转动电位器的过程中，频率未接近10KHz时，

17、转动的幅度较大，接近10K Hz时细微转动，同时看示波器，使频率最接近 10K Hz。此处调准比较难，尽量使误差在±200Hz内。调节完毕后，有时候信号会小幅度变化，不太稳定，需要的话可以重新调节，大多数情况下信号还是稳定的。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信号。测出来的信号频率和理论值很接近。这样，时基电路这部分就测试完毕，没有问题了。4.2 显示电路的调测由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。首先是对数码管（数码

18、管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。图4-1 显示电路调测连接图如图4-1所示接好显示电路。测试的时候：将4511的5端接地。然后给4511的6217端分别接高低电平，数码管就会显示对应的数字。比如6217分别接1000，那么数码管就对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。接好后的测试方法同上。这样，显示电路就接好了。4-3 计数电路的调测图4-2 计数电路调测连接图计数电路按照图4-2所示连接好，将4029的10端接高电平，3个4029级联，构成异步十进制计数器。同时4511的5端要接0，在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面数码管一直不显示数字。接好后，给最低位的4

19、029一个CP信号。让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。这样，计数器就开始计数了。数码管从000999显示。计数电路就接好了。4.4 控制电路的调测控制电路的连接图如图4-3所示，其中两个74153的BA端分别接了01，4017的输入的CP的频率是100Hz，此时的功能是测量范围是0.1KHz99.9KHz。图 4-4 控制电路调测波形图由调试波形可以知道电路设计是正确的。这部分是测量频率的功能。同时控制电路还要实现测量周期和脉宽的功能，在前面已经说明的如何测量周期的算法，它的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为闸门信号。图 4-5 测量周

20、期调测图测量周期的时候只需将74153的CBA置100就可以实现了。当74153的CBA为100的时候，74153的1Y输出的信号为被测信号，在图中接的是函数信号发生器，它产生的是频率为20.1Hz的方波。这个信号作为4017的CP信号。根据图4-5可以知道74151的输出的信号是被测信号fx，经过4017后的输出信号信号Q1、Q2的脉宽刚好为fx的周期，这个原理在前面测量频率部分已经介绍过，这里就不再重复了。其中Q1信号非一下，就可以作为4029的CLR端的清零信号，Q2的信号接4029的PT端作为的闸门信号，在PT一直为高电平的时候计数器计数。PT的高电平持续的时间刚好为fx的周期。在闸门

21、导通的时间，即PT一直为高电平的时候，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为时钟信号周期。根据Ts=1ms，N=50.可以知道被测信号的周期为50ms，在电路中我们给出被测信号的频率为20Hz。那么测量的结果和理论值是一样的。以上是对被测信号周期测量的部分。调测过程中电路的输入输出波形图见图4-7，其中的控制计数器计数的原理和测量频率所用的方法一样。图 4-7 测量频率电路的调测波形图图 4-8 测量脉宽电路的调测波形图最后是测量脉宽部分的调测。测量脉冲宽度的

22、原理与测量周期的原理十分相似。所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间。在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期，并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。如图4-8所示，与图4-7对比一下，会发现PE信号，CLR端信号，锁存信号的脉宽为4-7图中对应的波形脉宽的一半。那么最终数码管显示的数字应该是25.实际的测量值也与理论值非常接近。那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。到这里，会发现控制电路这个模块在这个课程设计中占的分量。也是整个设计过程的精华所在。把控制电路这部分搞定，那么本次的课程设计也就基本完成了。4.5 整体指标测试被测信号频率周期脉宽的测量档位

23、 测量范围 被测信号频率 测量值001 1Hz999Hz 207 Hz 210Hz 011 0.1kHz99.9kHz 27.1KHz 27.2KHz 010 0.01KHz9.99KHz 3.25KHz 3.26KHz100 测量周期 20.1Hz 49ms101 测量脉宽 20.1Hz 24ms第五章 设计小结5.1 设计任务完成情况在为期两周的课程设计之后，完成了本次设计的技术指标，上周一周二进行了芯片资料的收集，并记录在设计图纸的背面，以便设计电路和接线的时候快速查阅。并经行了电路的初步设计。其中显示电路部分是比较简单的，控制电路则比较难，花费了较多时间。周三在老师的带领下，我们完成了

24、显示电路部分的接线。并经行了测试，达到了计数的功能。期间我还改变了一次显示电路部分的布局，因为原先用的布局在后续的接线中会有跳线。剩下的时间里完成了控制电路部分的接线。在这期间最然遇到了一些困难，但还是经过讨论解决了，譬如如何让避免跳线。接近尾声的时候，完成了整个板子的接线，并经行了测试，实现了测量被测信号的频率，周期和脉宽的功能。在调测的过程中发现测量频率时，档位在0.1kHz99.9kHz，最终得到的结果的误差稍微小了点，其他的测量结果非常接近测量值。5.2 问题及改进 在设计多谐振荡器输出方波信号时，由于电容会随着实验室的室温变化而变化，所以输出信号的频率也会随之变化。所以在验收之前要先

25、用示波器校准一下输出信号是否十分接近10K Hz。在接显示电路的时候，发现有些数码管是坏的，找到了一个比较方便的方法：把4511的5端口接地，小数点单独接高电平，显示8.，则数码管完好。还有就是测量计数的时候忘了将5端接地，导致无法计数。然后给个位的4029的15端单独加一个5Hz的信号，并根据4029，4511相应的管脚是否输出了正确的波形。逐一检查是那个地方出了问题。一开始还以为芯片坏了。这提醒了下次出问题的时候先从最简单的错误开始查起。有两个要注意的地方：一是十位的小数点要把开关的A、B先用7400与非一下，再用7404非一下，才能送到小数点，不能直接接74153的7端。二是拨盘开关要加

26、三个大一点的电阻。三是数码管的三端要接保护电阻，不然会被烧掉。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，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

27、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f。这里面就提供一个思想。没有通过实践去验证。不可避免，这个算法也有它自己的缺陷。5.3心得体会此次课程设计很能考验我们的仔细程度、耐心以及心里承受能力。当我给显示电路部分重新布局的时候就深深体会到了这

28、一点，感觉之前的努力都白费了。但是换过布局以后，又感觉好了很多，而且信心倍增。在电路图设计出来以后是不能直接接线的，因为还只是初步设计，还需要通过仿真来进一步验证电路的正确性。因此在接线的前期阶段，我初步学会了Proteus软件的使用，并在网上查看使用教程，期间也犯了不少错误，譬如要给每个原件命名，不然仿真的时候会跳出错误信息，我当时跳出了28个错误，也就是28个原件没有命名，还有原件调用要选对原件不然会没有信号或者错误信号（这体现在调制10K Hz信号的时候）。经过不断改进，最终仿真成功。所以这次课程设计学到的东西个人感觉还是蛮多的，当然也少不了老师的细心解答。下面是用Proteus设计后电

29、路导出的PDF文档截图（设计图纸中会有打印版）：附录CC 4518十进制同步加/减计数器简要说明 CC4518 为双 BCD 加计数器，该器件由两个相同的同步 4 级计数器组成。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。在单个单元运算中，EN 输入保持高电平，且在 CP 上升沿进位。CR 线为高电平时，计数器清零。计数器在脉动模式可级联，通过将 Q3 连接至下一计数器的 EN 输入端可实现级联。同时后者的 CP输入保持低电平。4518 管脚图4518功能表及波形图CC4017-十进制计数器/脉冲分配器简要说明：CC4017 是 5 位 Johnson 计数器，具有 10 个译码输出，CP，CR，INH 输入端。时钟输入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。CR为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器提供了快速操作，2 输入译码选通和无毛刺译码输出，防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。4017管脚图4017功能表及波形图CC4511 4线七段所存译码器/驱动器简要说明 CC45