第二章电路的总体设计方案
2.1方案论证与选择
2.1.1方案的提出
方案一
电路整体框架如图一所示。被测信号经过放大，整形电路将其转换成同频率的脉动信号，送入计数器进行计数，闸门的一个输入信号是秒脉冲发出的标准脉冲信号，秒脉冲信号源含有个高稳定的石英振荡器和一个多级分频器共同决定，其时间是相当精确的，计数器显示电路采用七段共阴极LED数码管。
图2-1 方案一框架图
方案二：
本方案采用单片机程序处理输入信号并且将结果直接送往LED显示，为了提高系统的稳定性，输入信号前进行放大整形，在通过A/D转换器输入单片机系统，采用这种方法可大大提高测试频率的精度和灵活性，并且能极大的减少外部干扰，采用VDHL编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种方案相对设计复杂度将会大大提高并且采用单片机系统成本也会大大提高。
图2-2 方案二框架图
方案三:
采用频率计专用模块,即大规模集成电路将计数器、锁存器、译码、位和段驱动，量程及小数点选择等电路集成在一块芯片中，该方案在技术上是可行的，可以简化电路的设计，当对于设计要求中的某些指标，采用专用模块来完成比较困难，即扩展极为不便。
图2-3 方案三框架图
2.1.2方案的的比较
方案一：具有设计复杂度小、电路简洁、功能实用且成本低廉等特点，其稳
定性较好基本能满足设计要求。
方案二：采用单片机处理能较高要求，但成本提高且设计复杂，虽然可以达到很高的精度要求，但是，VHDL编程语言是我们在学习过程中没有接触过的，短期内也很难掌握并且熟练运用。
方案三：用专用频率计设计模块固然设计简单且稳定但系统可扩展性能较差。
2.1.3方案的选择
综合三种方案比较：我感觉方案一和我以前学的专业知识更接加近些，电路原理容易理解，所设计的数字频率计稳定性好，基本上能够满足设计要求，所以我采用第一种设计方案。
图2—5 数字频率计组成框图
在我的毕业设计中，数字频率计由信号输入电路、分频电路、放大整形电路、闸门电路、时基电路、逻辑控制电路、计数电路、锁存电路、译码显示电路，小
数点移位电路，量程选择开关等组成。
所谓频率，就是周期性信号的在单位时间（1s ）内变化的次数，若在一定时间间隔T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为N ，则其频率可表示为：
T N f （2—1）
上图是数字频率计的结构框图。被测信号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fx 相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，其高电平持续的时间t 1=1s ,当1s 信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s 信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s 内计数器计得的脉冲个数为N ，则被测信号频率fx=N Hz 。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲 ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。频率计中各信号波形如图2—6所示：
图2—6 频率计中各信号波形
说明：
1、脉冲信号Ⅰ为被测信号经放大整形电路后变成的计数器所要求的脉冲信号，其频率与被测信号的频率fx 相同，或与被测信号的频率呈一定的比例关系。
2、信号Ⅱ为时基电路提供的标准时间基准信号，其高电平持续时间为1S ，当此信号来到，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，使计数器开始计数；此信号
结束，则闸门关闭，计数器停止计数。Ⅱ脉冲信号又可称为闸门时间脉冲，用T 表示。
3、脉冲信号Ⅲ为闸门时间脉冲控制下闸门所输出的脉冲，因为要将它送入计数器进行计数，所以又将闸门所输出的Ⅲ信号称为计数脉冲信号。若在闸门时间1S内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N Hz 。
4、脉冲信号Ⅳ即为锁存信号，是逻辑控制电路产生的，控制锁存器锁存计数结果的控制信号，它由时基信号Ⅱ结束时产生的负跳变来产生。
5、脉冲信号Ⅴ是计数器的清零信号，也是逻辑控制电路所产生，用于控制计数器进行清零，使计数器每次测量从零开始计数。它是由锁存信号Ⅳ结束产生的负跳变来产生。
在这个总的电路设计中包含有几个不同功能的分电路，每个电路在本设计中都有着自己特有的功能，也只有这几个分电路组合在一起才使得整个的电路实现其所要达到的功能。所以还是先介绍一下每一个分电路的功能特点。
第三章硬件电路设计
3.1时基电路和闸门电路
3.1.1时基电路
时基电路的作用是产生一个标准时间信号，其高电平持续时间为1s，由555定时器构成的多谐荡器产生。
a．555定时器内部结构
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部逻辑电路结构如图3—1(a)所示及管脚图如图3—1(b)所示：
图3—1（a ）555定时器内部逻辑电路结构
图3—1（b ）555定时器管脚图
它由分压器、比较器、基本R--S 触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5K 的等值电阻串联而成。分压器为比较器1A 、2A 提供参考电压，比较
器1A 的参考电压为2
3
c c
V
，加在同相输入端，比较器2A 的参考电压为c c
V
，加在
反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放1A 、2A 组成。高电平触发信号加在1A 的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S 触发器_D
R
端的输入信号；低电平触发信号加在2A 的同相输入端，与反相输入端
的参考电压比较后，其结果作为基本R —S 触发器_D
S 端的输入信号。基本R--S
触发器的输出状态受比较器1A 、2A 的输出端控制。
b ．多谐振荡器工作原理
由555定时器组成的多谐振荡器如图3—2(a)所示，其中R1、R2和电容C
为外接元件。其工作波如图3—2(b) 所示：
图3—2(a) 由555定时器构成的多谐谢振荡器
图3—2(b) 由555定时器构成的多谐谢振荡器工作波形
设电容的初始电压c
U ＝０，t ＝０时接通电源，由于电容电压不能突变，所
以高、低触发端T H V ＝T L
V
＝０<ＶＣＣ，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低
电平，即_
1D R =，_
0D S =（1表示高电位，0表示低电位），R S -触发器置１，定时器输出01u =此时_
0Q =，定时器内部放电三极管截止，电源c c
V
经1R ，2R 向
电容Ｃ充电，u 逐渐升高。当u 上升到13
c c
V
时，2A 输出由０翻转为１，这时
_
_
1D D R S ==，R S -触发顺保持状态不变。所以0 1t t =时刻，u 上升到2 3 c c V ，比较器1A 的输出由１变为０，这时_ 0D R =， _ 1D S =，R S -触发器复０，定时器输出00u =。 12t t t <<期间，_ 1Q =，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过2R 放电。u 按指数规律下降，当c u < 23 c c V 时比较器1A 输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的 _ D R =_ 1D S =，Ｑ的状态不变，0u 的状态仍为低电平。 2t t =时刻，u 下降到c c V ，比较器2A 输出由1变为0，R---S 触发器的 _ D R =1，_D S =0，触发器处于1，定时器输出01u =。此时电源再次向电容C 放电， 重复上述过程。 表3—1 555集成定时器的功能表 本设计需要的时基信号波形如图3-3所示 图3-3本设计要求的时基波形 振荡器的输出波形如图3-3所示,其中s t s t 25.0,121= =。由公式()C R R t 2117.0+=和C R t 2 27.0=,可计算出电阻21R R ，及电容C 的值.若取电容 闸门电路部分的与非门选用74LS00，74LS00是四2输入与非门。其管脚图如图3-6所示。 图3-6 74LS00管脚图 表3-2 74LS00真值表 3.2放大和整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。 3.2.1放大电设计 低频放大电路采用由3DG100构成带电流串联负反馈的分压式单管共射放大电路比较合适，工作点稳定，工作频率范围较宽，放大器输入阻抗比较大。电路结构如图3-7所示： 图3-7 低频信号放大电路 C 3 10pF C 1 10pF C 2 10pF R ? RES 2 被测信号2 up c1651 +5 23 C ? 10pF R 1 10K R 2 39K R p 47K +5 3DG100 100uF 47K 10K 1K C e 被测信号2 Vi 10uF 1K 100k OP37 NOT - + +5V 7404 图3-11 放大与整形原理图 3.3逻辑控制电路 控制电路是通用电子计数器完成逻辑控制的指挥系统，控制着主闸门的开启和关闭。在控制电路的协调指挥下，全机各部分电路协调动作，完成各项测量工作。通用电子计数器的测量程序是计数—显示—复零。也就是说，在主门开启的时间内进行计数，然后由显示电路将计数结果显示出来，接着发出复零信号使仪器又恢复到测量前的初始工作状态。 逻辑控制电路用来产生两种控制信号，一种是控制锁存器锁存的脉冲信号，另一种是产生计数器的清零信号，这两种信号都需要由信号负跳变触发，其中控制锁存的信号是由时基信号负跳变触发，清零信号则是由锁存信号的负跳变触发产生，这里就需要用到单稳态触发器，两种信号各由一单稳态触发器负责产生。经选择采用双单稳态触发器74LS123，手动复位开关S 按下时，计数器清“0”。其电路如图3-12所示： A 1 B 2 C L R 3 Q 4 Q 13 C e x t 14 R C e x t 15 U?A 74LS 123 A 1B 2C L R 3 Q 4 Q 13 C e x t 14 R C e x t 15 U?A 74LS 123 +5 +5V 1 2 3G6A 74ALS 00 R ? 3.3k +5 S? SW-PB R ? 10k R ? 10k C ? 4.7u F C ? 4.7u F +5 +5 信号输入 清零信号输出 锁存信号输出 图3-12 逻辑控制电路图 图3-13 74LS123管脚图 表3-4 74LS123功能表 设锁存信号和清零信号的脉冲宽度ωt 相同，如果要求 ωt =0.02s,则得 s C R t ext ext 02.045.0==ω 若取 ext R =10K 则f R t C ext ext μω4.445.0== 取标称值f μ7.4 3.4锁存器 3.4.1电路的选择 锁存器是构成各种时序电路的存储单元，具有0和1两种状态，一旦状态确定就能自行保持，即长期保持一位二进制码，直到有外部信号作用时才有可能改变。锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。 锁存器的作用是将计数器在1s 结束时所计得的数进行锁存，使显示器上获 3.4.2 8位数据/地址锁存器74LS273 74LS273是带清除端的八D触发器，只有清除端为高电平时才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，在上升沿锁存。 74LS273的1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0,即全部复位; 当1脚为高电平时，11(CLK)脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。 74LS273的逻辑功能是，当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，既Q=D。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn不变。74LS237的引脚图如图3-15所示 图3-15 74LS273管脚图 当脉冲CLK的正跳变到达，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将从而将六个十进制计数器即个位、十位、百位、千位、万位、十万位的输出值送到锁存器的输出端，正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变，所以在计数期间计数器的输出不会送到译码显示器。 3.5译码显示电路设计 3.5.1七段数字显示器 在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。 因此，数字显示电路是许多的数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器，驱动器和显示器等几个部分组成，如图3-16所示： 图3-16 数字显示框图 下面对显示器和译码器驱动器分别进行介绍。 电子显示技术的应用与研究涉及的范围很广，包括各种发光材料的发光机理的研究、实验；各种显示方式的基本原理及其结构形式，显示用的材料与器件的选择和制作工艺；显示信息的输入、变换、处理和控制，等等。随着科学技术的发展，随着经济、军事、社会与人们生活的发展，信息的种类和数量不断增加。人们生活在信息计会中，每时每刻都在获得某种信息。 数码显示器是用来显示数字，文字或符号的器件，现在已有很多种不同类型的产品，广泛应用与各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型，低功耗，平面化方向发展。 数码显示方式一般有三中：第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示字符，只需要使相应的电极发光即可，如辉光放电管，边光显示管等。第二种是分端式，数码是由分布在同一平面上若干端发光的笔划组成，如荧光数码管等。第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵组成，利用光点的不同的组合便以显示不同的数码，如场发光记分牌。 近年来，由于半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善，发光二极管（LED：Light Emitting Diode）已日趋在固体显示中占主导地位。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化而易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。由组成半导体的材料不同而可以得到能发出不同色彩的LED晶点。近几年，随着微电子技术、自动化技术、计算机技术的迅速发展，半导体制作工艺日趋成熟， 导致LED显示点尺寸越来越小，解析度越来越高，而可将显示光的三基色（红、绿、蓝）复原成全彩色效果，使得发光二极管（LED）作为显示器件的应用范围日益扩大。 为了使数码管能将数码所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段 计数显示电路采用十进制计数/七段译码器和七段LED数码管组成8位十进制计数显示器。内部包含十进制计数和七段译码器两部分，译码输出可以直接驱动LED数码管。R为清零端，当R=1时计数器全部清零。INH端接闸门控制信号，当INH=0时，计数器计数；当INH=1时，停止计数，但显示的数字被保留。 电路中的RBI与RBO端多级级联，作用是自动消隐无效零。例如，计数状态为“000680”，电路自动消隐左边三位无效零，显示为“680”，以符合习惯。 LED显示 LED（Light-Emitting Diode,发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。 LED数码显示管显示原理和结构 单个LED是由7段发光二极管构成的显示单元，有10个引脚，对应于7个段、一个小数点和两个公共端。LED数码管结构简单，价格便宜。图2.7.1是八段LED数码管的结构和原理图：图3—16（a）为八段共阴数码管结构图。八段数码管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和dp，分别与同名管脚相连。 图3-17 八段LED数码管原理和结构 八段LED数码显示管原理很简单，是通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮从而显示不同字形的。例如，若在共阴LED管的dp、g、 f、e、d、c、b、a管脚上分别家上7FH控制电平（即dp上为0伏，不亮；其余为TTL高电平，全亮），则LED显示管显示字形“8”。7FH是按dp、 g、f、e、d、c、b、a顺序排列后的十六进制编码（0为TTL低电平，1为TTL高电平），常称为字形码。因此，LED上所显示的字形不同，相应的字形码也不一样。八段共阴能显示的字形及相应字形码如表1所列。该表常放在内存中，SGTB为表的起始地址，个地址偏移量为相应字形码对表起始地址的项数。由于“B”和“8”、“D”和“0”字形相同，故“B”和“D”均以小写字母“b”和“d”显示。 图3—16（b）为共阳八段LED管的原理图。图中，所有发光二极管阴极共连后接到引脚G，G脚为控制端，用于控制LED是否点亮。若G脚接地、则LED 被点亮；若G脚接TTL高电平，则它被熄灭。 图3—16（c）为共阳八段LED数码显示管原理图。图中，所有发光二极管阳极共连后接到G脚。正常显示时G脚接+5V，各发光二极管是否点亮取决于a～dp各引脚上是否低电平0伏。因此，共阴和共阳所需字形码恰好相反，如表3—6所列。 表3-6八段LED数码显示管字形码表 3.5.2 译码显示电路 译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n 译码和8421BCD 码译码两类。显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED 和驱动LCD 两类。 在数字系统中常见的数码显示器通常有：发光二极管数码管(LED 数码管)和液晶显示数码管(LCD 数码管)两种。发光二极管数码管是用发光二极管构成显示数码的笔划来显示数字，由于发二极管会发光，故LED 数码管适用于各种场合。液晶显示数码管是利用液晶材料在交变电压的作用下晶体材料会吸收光线，而没有交变电场作用下有笔划不会听吸光，这样就可以来显示数码，但由于液晶材料须有光时才能使用，故不能用于无外界光的场合（现在便携式电脑的液晶显示器是用背光灯的作用下可以在夜间使用），但液晶显示器有一个最大的优点就是耗电相当节省，所以广泛使用于小型计算器等小型设备的数码显示。 显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD 七段译码器。其输出是驱动七段字形的七个信号。常见产品型号有74LS48、74LS47等。在本次设计中我采用了74LS48。 74LS48逻辑功能及说明 逻辑功能： 灯测试输入：当0LT =且1BL =时，无论03~A A 状态如何，输出Ya~Yg 全部为高电平，都可使被驱动数码管的七段同时点亮，以检查该数码管各段能否正常发光。利用这个功能可以判断显示器的好坏；消隐输入：也称灭灯输入。BI 为消隐输入，当0BL =时，无论,LT RBI 及输入03~A A 为何值，所有各段输出Ya~Yg 均为低电平，显示器处于熄灭状态。R B O 为灭零输出；灭零输入：R B I 可以按数据显示需要，将显示器所显示的0予以熄灭，而在显示1~9时不受影响。它在实际应用中是用来熄灭多位数字前后不必要的零位。将灭零输入端与灭零输出端配合使用，很容易实现多位数码显示系统的灭零控制。 宁波工程学院 电子信息工程学院 课程设计报告 课程设计题目：简易数字频率计 起讫时间：2011年05月23日至2011年06月03日 目录第一章技术指标 1.1整体功能要求 1.2电气指标 1.3扩展指标 1.4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 2.3 计数原理 第三章单元电路设计 3.1 波形变换电路 3.2 闸门电路设计 3.3小数点显示电路设计 第四章测试与调整 4.1 硬件测试与调整 4.2 软件测试与调整 4.3 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 1.1整体功能要求 设计并制作一台数字显示的简易频率计，主要用于测量正弦波、方波等周期 信号的频率值。 1.2 电气指标 1.2.1 信号波形：方波； 1.2.2 信号幅度;TTL电平； 1.2.3 信号频率：100Hz～9999Hz； 1.2.4 测量误差：≤1%； 1.2.5 测量时间：≤1s／次，连续测量； 1.2.6 显示：4位有效数字，可用数码管，LED或LCD显示。 1.3扩展指标 1.3.1 可以测量正弦波信号的频率，电压峰－峰值VPP=0.1～5V； 1.3.2 方波测量时频率测量上限为3MHz，测量误差≤1%； 1.3.3 正弦（Vopp=0.1V~5V）测量时频率测量上限为3MHz，测量误差≤1%； 1.3.4量程自动切换，且自动切换为四位有效数字输出； 1.4设计条件 1.4.1 电源条件：+5V。 1.4.2开发平台：本系统以高速SOC单片机C8051F360和FPGAEP2C8T144为 核心，主要包括9个模块，其主要配置见表1-1。 表1-1数字电子系统设计实验平台模块一览 型号名称主要配置 MCU模块SOC单片机8051F360,CPLD芯片EMP3064TC44 74151 FPGA模块EMP3064TC44,串行配置芯片，JTAG和AS配置 接口 74153 LCD和键盘模块12864中文液晶，16个按键 7404 8位高速A/D模块30MHz8位A/D转换器ADS930,信号调理电路4518 10位高速D/A模块双路100MHz10位D/A转换器THS5651,差分放 大电路，反相器 简易数字频率计设计报告 设计内容： 1、测量信号：方波、正弦波、三角波； 2、测量频率范围: 1Hz~9999Hz； 3、显示方式：4位十进制数显示； 4、时基电路由由555构成的多谐振荡器产生（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）； 5、当被测信号的频率超出测量范围时，报警。 设计报告书写格式： 1、选题介绍和设计系统实现的功能； 2、系统设计结构框图及原理； 3、采用芯片简介； 4、设计的完整电路以及仿真结果； 5、Protel绘制的电路原理图； 6、制作的PCB； 7、课程设计过程心得体会（负责了哪些内容、学到了什么、遇到的难题及解决方法等）。 电子课程设计过程： 系统设计→在Multisim2001下仿真→应用Protel 99SE绘制电路原理图→制作PCB →撰写设计报告 简易数字频率计课程设计报告 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。 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： 1Hz~999Hz 0.01kHz~9.99kHz 0.1kHz~99.9kHz 3.3 测量周期范围：1ms~1s。 3.4 测量脉宽范围：1ms~1s。 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，1Hz~99.9kHz的精度均为+1。 长安大学 电子技术课程设计 数字频率计的设计 专业： 班级： 姓名 指导教师： 日期： 目录 引言 第一章系统概述 一、设计方案的选择 1、计数法 2、计时法 二、整体框图及原理 第二章单元电路设计 一、放大电路设计 二、闸门电路设计 三、时基电路设计 四、控制电路设计 五、报警电路设计 六、整体电路图 七、整机元件清单 第三章设计小结 一、设计任务完成情况 二、问题及改进 三、心得体会 鸣谢 附录 引言 题目：数字频率计的设计 初始条件： 本设计可以使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路构建简易频率计，用数码管显示频率计数值。 要求完成的主要任务： ①设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，并用发光二极管表示单位。 ②测量频率的范围：100hz—100khz。 ③测量信号类型：正弦波和方波。 ④具有超量程报警功能。 摘要： 本次课程设是基于TTL系列芯片的简易数字频率计,数字频率计应用所学的数字电路和模拟电路的知识进行设计。在设计过程中，所有电路仿真均基于Multisim仿真软件。本课程设计介绍了简易频率计的设计方案及其基本原理，并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。三是是对本次课程设计的总结。 关键字：频率计、TTL芯片、时基电路、逻辑控制、分频、计数、报警 第一章系统概述 一、设计方案的选择 信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称测频法和测周期法。 1、计数法 计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。如图（1-1-1） 计数值N1 被测信号 标准闸门 T 图 1-1-1 测频法测量原理 设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：δf1=(f1-f)/f=1/f 从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。 4.2.3简易数字频率计电路设计 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，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。 一、设计目的 1. 了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理； 2. 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。 二、设计任务与要求 要求设计一个简易的数字频率计，测量给定信号的频率，并用十进制数字显示，具体指标为： 1.测量范围：1HZ—9.999KHZ，闸门时间1s； 10 HZ—99.99KHZ，闸门时间0.1s； 100 HZ—999.9KHZ，闸门时间10ms； 1 KHZ—9999KHZ，闸门时间1ms； 2.显示方式：四位十进制数 3. 当被测信号的频率超出测量范围时,报警. 三、数字频率计基本原理及电路设计 所谓频率，就是周期性信号在单位时间 (1s) 内变化的次数．若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 fx=N/T 。因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。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，总体结构如图4-2-6： 图4-2-6数字频率计原理图 从原理图可知，被测信号Vx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fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，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N，则被测信号频率fx=N/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Ⅳ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。 1.放大整形电路 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。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。 2.时基电路 时基电路的作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。 （1）555多谐振荡电路产生时基脉冲 采用555产生1000HZ振荡脉冲的参考电路如图4-2-7所示。电阻参数可以由振荡频率计算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)求得。 （2）分频电路 由于本设计中需要1s、0.1s、10ms、1ms四个闸门时间，555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号，需经分频才能得到其他三个周期的闸门信号，可采用74LS90分别经过一级、二级、三级10分频得到。 图4-2-7 555多谐振荡电路 3. 逻辑控制电路 在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ，锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号V。脉冲信号Ⅳ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Ⅳ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4-2-8 图4-2-8数字频率计逻辑控制电路 4.锁存器 锁存器的作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值．闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D锁存器74LS273可以完成上述功能．当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将计数器 . . . . 哈尔滨工业大学 简易频率计的仿真设计 目录 1．设计要求 2. 总电路图及工作原理 3.电路组成介绍 3.1脉冲形成电路 3.2闸门电路 3.3时基电路 3.4计数译码显示电路 4. 电路的测试 5. 分析与评价 附录：元器件清单 1．设计要求 本次设计任务是要求设计一个简易的数字频率计，即用数字显示被测信号频率的仪 2 器，数字频率计的设计指标有： 1. 测量信号：正弦信号、方波信号等周期变化的物理信号； 2. 测量频率范围：0Hz~9999Hz； 3. 显示方式：4位十进制数显示。 2.电路工作原理 频率计总电路图如下所示： 2 频率计的基本原理：通过将被测周期信号整形为同频率的方波信号后，利用555定时器组成的振荡电路所产生的频率为1Hz的标准方波，作为基准时钟，与被整形后的方波信号一起经过闸门电路处理输入计数电路，再利用74LS90N的十进制计数功能进行级联计数，计数后输入8位数据/地址锁存器74LS273N以实现锁存和清零功能，最后输入到译码显示电路中，用BCD7段译码器显示出来，这样就实现了对被测周期信号的频率测量并显示的功能。 频率计的工作原理流程图如下所示： 3.电路组成介绍 3.1脉冲形成电路 脉冲形成电路由信号发生器与整形电路组成，输入信号先经过限幅器，再经过施密特触发器整形，当输入信号幅度较小时，限幅器的二极管均截止，不起限副作用。由555组成的施密特触发器对经过限幅器的信号进行整形得到标准的方波信号。线路图如下所示： 2 3.2闸门电路 闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲，在电路中用一个与非门来实现（如下图所标注）。当标准信号（正脉冲）来到时闸门开通，被侧信号的脉冲通过闸门进入计时器计数；正脉冲结束时闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。 闸门电路 2 简易数字频率计设计报告 目录 一.设计任务和要求 (2) 二.设计的方案的选择与论证 (2) 三.电路设计计算与分析 (4) 四.总结与心得..................................... 错误！未定义书签。2 五.附录........................................... 错误！未定义书签。3 六.参考文献....................................... 错误！未定义书签。8 一、 设计任务与要求 1.1位数：计4位十进制数。 1.2.量程 第一档 最小量程档，最大读数是9.999KHZ ，闸门信号的采样时间为1S. 第二档 最大读数是99.99KHZ ，闸门信号采样时间为0.1S. 第三档 最大读数是999.9KHZ ，闸门信号采样时间为10mS. 第四档 最大读数是9999KHZ ，闸门信号采样时间为1mS. 1.3 显示方式 （1）用七段LED 数码管显示读数，做到能显示稳定，不跳变。 （2）小数点的位置随量程的变更而自动移动 （3）为了便于读数，要求数据显示时间在0.5-5s 内连续可调 1.4具有自检功能。 1.5被测信号为方=方波信号 二、设计方案的选择与论证 2.1 算法设计 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 2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。 被测信号 图2-2 频率测量算法对应的方框图 输入电路 闸门 计数电路 显示电路 闸门产生 整体方框图及原理 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（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：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 简易数字频率计电路设计 摘要 请对内容进行简短的陈述，一般不超过300字 关键字：周期；频率；数码管，锁存器，计数器，中规模电路，定时器 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。 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，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。 本章要求设计一个简易的数字频率计，测量给定信号的频率，并用十进制数字显示。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、数码管、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。 目录 前言 (1) 1.数字频率计的原理 (2) 2.系统框图 (3) 3.系统各功能单元电路设计 (3) 3.1 时基电路设计 (3) 3.2 放大整形电路 (4) 3.3 逻辑控制电路 (5) 3.4 锁存单元 (6) 3.5 分频电路 (7) 3.6 显示器 (7) 3.7 报警电路 (8) 4.系统总电路图 (10) 结束语 (11) 参考文献 (12) 前言 数字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。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。 在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。 在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。 频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。 哈尔滨工业大学 简易频率计的仿真设计 目录 1设计要求 2?总电路图及工作原理 3?电路组成介绍 3.1脉冲形成电路 3.2闸门电路 3.3时基电路 3.4计数译码显示电路 4.电路的测试 5.分析与评价 附录：元器件清单 1 ?设计要求 本次设计任务是要求设计一个简易的数字频率计，即用数字显示被测信号频率的仪 器，数字频率计的设计指标有： 1. 测量信号：正弦信号、方波信号等周期变化的物理信号; 2. 测量频率范围：0Hz~9999Hz 3. 显示方式：4位十进制数显示。 2. 电路工作原理 频率计总电路图如下所示: 2単汙汕驚工 ---------- k 频率计的基本原理：通过将被测周期信号整形为同频率的方波信号后，利用555定时器组成的振荡电路所产生的频率为1Hz的标准方波，作为基准时钟，与被整形后的方波信号一起经过闸门电路处理输入计数电路，再利用74LS90N的十进制计数功能进行级联计数，计数后输入8位数据/地址锁存器74LS273N以实现锁存和清零功能，最后输入到译码显示电路中，用BCD7段译码器显示出来，这样就实现了对被测周期信号的频率测量并显示的功能。 频率计的工作原理流程图如下所示： 3. 电路组成介绍 3.1脉冲形成电路 脉冲形成电路由信号发生器与整形电路组成，输入信号先经过限幅器，再经过施密特 触发器整形，当输入信号幅度较小时，限幅器的二极管均截止，不起限副作用。由555组成的施密特触发器对经过限幅器的信号进行整形得到标准的方波信号。线路图如下所示： L 1 1 r 1 r 闸门电路 3.2闸门电路 闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲，在电路中用一个与非门来实现（如下图所 标注）。当标准信号（正脉冲）来到时闸门开通，被侧信号的脉冲通过闸门进入计时器计 数；正脉冲结束时闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入 72 R2 VA - IS. THZ R 71 C5 lOnF ZFG ■ 丄 D1 X1 N?07 75 D2 jtl NdOOT 电子线路课程设计报告 姓名： 学号： 专业：电子信息 日期：2014.4.13 南京理工大学紫金学院电光系 2014-4-13 引言 《电子线路课程设计》是一门理论和实践相结合的课程。它融入了现代电子设计的新思想和新方法，架起一座利用单元模块实现电子系统的桥梁，帮助学生进一步提高电子设计能力。对于推动信息电子类学科面向21世纪课程体系和课程内容改革，引导、培养大学生创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，加强学生工程实践能力的训练和培养，促进广大学生踊跃参加课外科技活动和提高毕业生的就业率都会起到了良好作用。 该课程主要内容： （1）了解和掌握一个完整的电子线路设计方法和概念； （2）通过电子线路设计、仿真、安装和调试，了解和掌握电子系统研发产品的一个基本流程。 （3）了解和掌握一些常见的单元电路设计方法和在电子系统中的应用：包括放大器、滤波器、比较器、光电耦合器、单稳、逻辑控制、计数和显示电路等。 （4）通过编写设计文档与报告，进一步提高学生撰写科技文档的能力。 （5）电子线路课程设计课题： 设计并制作一个基于模电和数电的简易数字频率计。 目录 第一章设计要求................................................. 1.1 基本要求........................................... 1.2 提高部分........................................... 1.3 设计报告........................................... 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 模电部分设计....................................... 3.1.1 放大电路........................................ 3.1.2 滤波电路........................................ 3.1.3 比较电路........................................ 3.1.4 模电总体电路.................................... 3.2 数电部分设计....................................... 3.2.1 时基电路........................................ 3.2.2 单稳态电路...................................... 3.2.3 计数、译码、显示电路............................ 3.2.4 数电总体电路.................................... 第四章测试与调整............................................... 4.1 时基电路的调测..................................... 4.2 计数电路的调测..................................... 4.3 显示电路的调测..................................... 第五章设计小结................................................. 5.1 设计任务完成情况................................... 5.2心得体会........................................... 某某某某大学 某某某某学院 电子课程设计 姓名张三学号 年级XX级专业电子信息工程 题目简易数字频率计的设计（含电源) 指导老师李四 上交时间XXＸX-6-1１ ?【课题名称】:数字频率计 设计目的 ①掌握数字频率计的设计、组装与调试方法。 ②了解频率测量与周期测量的基本原理及减小误差的方法。 1.设计内容与要求 ①简易数字频率计的主要技术指标: 测量频率范围000０Hz~999９Hz;数字显示位数4位数字显示;频率测量准确度Δfｘ/fｘ≤±15%;测量时间t≤1.５s;被测信号幅度Uzm=5V(正弦波,方波,三角波）。 ②设计频率计相应的单元电路： 可控制的计数、锁存、译码显示系统;设计频率计的整机电路并画出框图和总电路图。 ③组装、调试单元电路和整机系统。 ④测试系统的性能指标。 ⑤总结报告。 2.数字频率计的基本原理 ⑴数字频率计测频的基本原理 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,三角波和类似脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。数字频率计在测量其他物理量如转速，振动频率等方面获得广泛应用。众所周知，所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（１s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为 f=N/T 因此,数字频率计测频率时的原理框图如下。其中脉冲形成电路的作用是：将被测信号变成脉冲信号,其重复频率等于被测频率fｘ。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号,若其周期为1s,则门控电路的输出信号持续时间也准确的等于1s。闸门电路由标准的秒信号进行控制,当秒信号来到时，闸门开通被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭,计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N为在1s时间内的累计数，所以被测信号的频率fx =ＮHz。 第二章电路的总体设计方案 2.1方案论证与选择 2.1.1方案的提出 方案一 电路整体框架如图一所示。被测信号经过放大，整形电路将其转换成同频率的脉动信号，送入计数器进行计数，闸门的一个输入信号是秒脉冲发出的标准脉冲信号，秒脉冲信号源含有个高稳定的石英振荡器和一个多级分频器共同决定，其时间是相当精确的，计数器显示电路采用七段共阴极LED数码管。 图2-1 方案一框架图 方案二： 本方案采用单片机程序处理输入信号并且将结果直接送往LED显示，为了提高系统的稳定性，输入信号前进行放大整形，在通过A/D转换器输入单片机系统，采用这种方法可大大提高测试频率的精度和灵活性，并且能极大的减少外部干扰，采用VDHL编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种方案相对设计复杂度将会大大提高并且采用单片机系统成本也会大大提高。 图2-2 方案二框架图 方案三: 采用频率计专用模块,即大规模集成电路将计数器、锁存器、译码、位和段驱动，量程及小数点选择等电路集成在一块芯片中，该方案在技术上是可行的，可以简化电路的设计，当对于设计要求中的某些指标，采用专用模块来完成比较困难，即扩展极为不便。 图2-3 方案三框架图 2.1.2方案的的比较 方案一：具有设计复杂度小、电路简洁、功能实用且成本低廉等特点，其稳 定性较好基本能满足设计要求。 方案二：采用单片机处理能较高要求，但成本提高且设计复杂，虽然可以达到很高的精度要求，但是，VHDL编程语言是我们在学习过程中没有接触过的，短期内也很难掌握并且熟练运用。 方案三：用专用频率计设计模块固然设计简单且稳定但系统可扩展性能较差。 2.1.3方案的选择 综合三种方案比较：我感觉方案一和我以前学的专业知识更接加近些，电路原理容易理解，所设计的数字频率计稳定性好，基本上能够满足设计要求，所以我采用第一种设计方案。 图2—5 数字频率计组成框图 在我的毕业设计中，数字频率计由信号输入电路、分频电路、放大整形电路、闸门电路、时基电路、逻辑控制电路、计数电路、锁存电路、译码显示电路，小 简易数字显示频率计的设计 摘要：本文应用NE555构成时钟电路，7809构成稳压电源电路，CD4017构成控制电路，CD40110和数码管组成计数锁存译码显示电路，实现可测量1HZ-99HZ这个频段的数字频率计数器。 关键词：脉冲；频率；计数；控制 1 引言 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，因此频率的测量显得很重要。测量频率的方法有很多,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。 2 电子计数器测频方法 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。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，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。 3 简易数字频率计电路组成框图 本设计主要运用数字电路的知识，由NE555构成时钟电路，7809构成稳压电源电路，CD4017构成控制电路，CD40110和数码管组成计数锁存译码显示电路。从单元电路的功能进行划分，该频率计由四大模块组成，分别是电源电路、时钟电路（闸门）、计数译码显示电路、控制电路（被测信号输入电路、锁存及清零）。电路结构如图1所示。 图1 简易数字频率计电路组成框图 4 单元模块电路设计 4.1电源电路 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率的稳压电源的组成如图2所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。 图2 电源电路 220V市电经220V/12V变压器T降压，二极管桥式整流电路整流，1000uF电容滤波后送人7809的输入端（1脚）。7809的第二脚接地，第三脚输出稳压的直流电压，C7、C8是为了进一步改变输出电压的纹波。红色发光管LED指示电源的工作状态，R9为LED的限流电阻，取值为5.1K。 4.2 时钟电路 电路如图3所示，由NE555构成的多谐振电路，3脚输出振荡脉冲，其中LED为黄色发光二极管，R1为5.1K，R2为1K，R3为10K，C1,C5为100UF,C4为0.01UF，C2为1000PF,R PE 选取10K。 图3 时钟电路 4.3计数、显示电路 简单数字频率计的设计与制作 1结构设计与方案选择 1.1设计要求 （1）要求用直接测量法测量输入信号的频率 （2）输入信号的频率为1～9999HZ 1.2设计原理及方案 数字频率计是直接用十进制的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，而且还可以测量它们的周期。 所谓频率就是在单位时间（1s）内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为f=N/T（1-1）据此，设计方案框图如图1所示： 图1 数字频率计组成框图 图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率f 。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为Ｘ 1s，则们控电路的输出信号持续时间亦准确的等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，技计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计 = N Hz。 数，所以被测频率f Ｘ 被测信号f 经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号○1，其频率与被测信Ｘ 号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号○2，其高电平持续时间t1=1 秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个 数为N，则被测信号频率f=NHz,如图2（a）所示，即为数字频率计的组成框图。 图2（a）数字频率计的组成框图 图2（b）数字频率计的工作时序波形 逻辑控制单元的作用有两个： 其一，产生清零脉冲④，使计数器每次从零开始计数； 其二，产生所存信号⑤，是显示器上的数字稳定不变。这些信号之间的时序关系如图2（b）所示数字频率计由脉冲形成电路、时基电路、闸门电路、计数锁存和清零电路、译码显示电路组成。 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 设计条件1.5第二章整体方案设计 2.1 算法设计 整体方框图及原理2.2 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 整体指标测试4.5 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 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。 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： 1Hz~999Hz 0.01kHz~9.99kHz 0.1kHz~99.9kHz 3.3 测量周期范围：1ms~1s。 3.4 测量脉宽范围：1ms~1s。 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）。. 报警,当被测信号的频率超出测量范围时3.6． 4.扩展指标 要求测量频率值时，1Hz~99.9kHz的精度均为+1。 5.设计条件 5.1 电源条件：+5V。 分类号UDC 单位代码10644 密级公开学号2008050248 学士学位论文 简易频率计的设计 The design of simple frequency counter 论文作者：聂德军 指导教师：伍世云 系 别：物理与工程技术系 专业：电子科学与技术 提交论文日期：年月日 论文答辩日期：年月日 学位授予单位：四川文理学院 中国 达州 2012 年月 摘要 频率是电子技术领域中最基本的参数之一，在许多测量方案以及测量结果中都会涉及到频率测量的相关问题，频率精确测量的重要性显而易见。 在本设计中就介绍了频率测量的原理以及一种简易频率计的制作方法。由于待测信号未知，它有可能是正弦波，有可能是三角波，也有可能是方波。通过施密特触发器把待测信号转换为可以计数的脉冲信号，再由单片机计数输出到合适的电子显示元件以十进制显示出来。 本文重点介绍了以AT89C52单片机为对系统各个部件的控制来实现整个电路的信号频率采集、测量、转换数据、以及显示最终结果的功能，结合外围电子电路得以频率和周期的测量，并用十进制数字来显示被测信号的频率和周期。本数字频率计的硬件部分是采用PROTEUS ISIS绘制的，PROTEUS和KEIL联合做系统仿真，软件部分的单片机控制程序的编写使用的是C语言本。本系统的最大优点就是它结构简单易懂，制作起来也并不算麻烦，其缺点就是容易受自身电路元件以及周围环境的影响，从而导致测量结果与实际值的偏差。 关键词：单片机AT89C52 电路原理频率测量周期测量 I ABSTRACT Frequency is one of the basic parameters in the field of electronic technology, many measurement programs, as well as measurement results are related to the frequency measurement, and frequency of accurate measurement of obvious importance. In this design on a frequency measurement principle and method of making a simple frequency meter. The test signal is unknown, it may be a sine wave, there is a triangle wave, there may be a square wave. Converted to a test signal through the Schmitt trigger pulse signal can count, count by the microcontroller output to the appropriate electronic display elements displayed in decimal. This paper focuses on AT89C52 microcontroller for control of the system in various parts of to achieve the entire circuit signal frequency acquisition, measurement and conversion data, and display the final results feature, combined with the external electronic circuit can be frequency and period of measurement, and use decimal numbers to display of the measured signal frequency and period. The digital hardware part of the frequency meter using the PROTEUS the ISIS draw, the PROTEUS, and KEIL do system simulation software part of the microprocessor control program written using C language in this. The biggest advantage of this system is its structure is simple, the production is not too troublesome, the drawback is vulnerable to its own circuit elements, as well as the surrounding environment, resulting in the deviation of measurement results and the actual value. Keywords: SCM AT89C52 circuit schematic frequency measurement cycle measurement II 数电课程设计报告：频率计 目录 一、设计指标 二、系统概述 1.设计思想 2.可行性论证 3.工作过程 三、单元电路设计与分析 1.器件选择 2.设计及工作原理分析 四、电路的组构与调试 1.遇到的问题 2.现象记录及原因分析 3.解决与结果 4.功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据 五、总结 1.体会 2.电路总图 六、参考文献 一、设计指标 设计指标：要求设计一个测量TTL方波信号频率的数字系统。测试值采用4个LED七段数码管显示，并以发光二极管只是测量对象（频率）的单位：Hz、kHz。 频率的测量范围有四档量程。 1）测量结果显示四位有效数字，测量精度为万分之一。 2）频率测量范围：100.1Hz——999.9kHz，分为： 第一档： 100.0Hz——999.9Hz 第二档： 1.000kHz——9.999kHz 第三档： 10.00kHz——99.99kHz 第四档： 100.0kHz——999.9kHz 3）量程切换可以采用两个按键SWB、SWA手动切换。 扩展要求： 一、当被测频率大于999.9kHz，超出最大值时，设置亮一个警灯，并同时发出报警声音。 二、自动切换量程 提示： 1.计数器计到9999时，产生溢出信号CO，启动量程加档。 2.显示不足4位有效数字时量程减档。 三、各量程输出信号的频率最高位有效数字为1、2、3、4、5、6、7、8、9。 二、系统概述 1.设计思想 周期性信号频率可通过记录信号在1s内的周期数来确定其频率。 累计标准时间Ts中被测信号的脉冲个数Nx，被测信号频率：fx≈Nx/Ts 测量时间Ts选择：由于测量时间Ts需要根据被测信号的频率切换，所以通常对振荡时钟进行分频以获得不同的定时时间。 采样定时、显示锁存、计数器清零的控制时序波形图 2.可行性论证 用计数器实现记录周期数的功能；用时基信号产生计数时间作为采样时间；用四位动态扫描通过数码管显示结果；因为如果计数器直接把数据输入到数码管显示，那么数码管的数据就会不断变化，累计增加的情况，所以采用锁存器，在每个时间信号内，通过一个高电平使能有效，将计数器的数值锁存到寄存器或者锁存器；为了不要让每次锁存的数据会比上次简易数字频率计
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