频率计设计
Freqｕｅncy ｃoｕｎt deｓｉgn
１实验目的
1.会运用电子技术课程所学到的理论知识，独立完成设计课题。
2.学会将单元电路组成系统电路的方法。
3.熟悉中规模集成电路和半导体显示器件的使用方法。
4.通过查阅手册和文献资料,培养独立分析和解决实际问题的能力。培养严肃
认真工作作风和严谨的科学发展。
2.实验原理
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1所示的算法。图2是根据算法构建的方框图。
图1算法
被测信号输入电路阀门计数电路
阀门电路显示电路
图2算法方框图
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。该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为10 3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,这时闸门脉冲仍是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整体方框及原理
图3测量频率原理图
图4测量周期原理图
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:测量频率的原理框图如图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。时基信号由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，这样就达了测量频率的目的。
周期测量：测量周期的原理框图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1Hz～1ＭHｚ，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:1Hz～9９9Ｈｚ档采用1s闸门脉宽；0.０1kHｚ~9.99kＨz档采用０．1s 闸门脉宽;0.1kHz~９9.9kHz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、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5。
图5控制电路工作波形图
2.3Pｒotuｅs原理图
2.3.1时钟电路
图6时钟电路
它由两部分组成: 如图３-１所示,第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生１0０0Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f＝1.43/((R１+2*R2）*C)，因此,我们可以计算出参数通过计算确定了R1取4３0欧姆,R3取５0０欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在Ｒ１和Ｒ３之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得55５能够产生非常接近１KHz 的频率。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１000Hz的脉冲，也就是其周期是0．０0１ｓ，而时基信号要求为0.01ｓ、０.１s和1s。74HC123单稳态触发器。它有两种输入，A为低电平有效,Ｂ为高电平有效。有两种输出,正好相反。用外接的电阻电容作定时元件,时间自己定,比7４LS电路易用。单稳态触发器7４ＨＣ123及外围电路来实现该功能。7４ＨC123为双可重复触发的单稳态,其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻R与定时电容C，脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即:WP=Ｒ′C,在实际设计中Ｒ=５kW,C＝80ｐF,输出脉宽为４00ｎｓ、幅度约5V。脉冲快沿放大与射极跟随输出电路,主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和放大,以便得到有较高幅度和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管
2SC3３0６。
2.３.2阀门电路
图7阀门电路
它由一个开关和一个与非门组成。
4.3.3计数电路
图8计数电路
7490是二－五-十进制异步计数器，你要做八进制的就先把7490接成十进制的（ＣP１与Ｑ0接,以CＰ０做输入，Ｑ3做输出就是十进制的),然后用异步置数跳过一个状态达到八进制计数.以从０0０计到111为例．先接成加法计数状态,在输出为１０00时（既Q4为高电平时）把Ｑ4输出接到R01和Ｒ０２脚上（即异步置0),此时当计数到1000时则立刻置0,从新从0开始计数．10０0的状态为瞬态.状态转化图中是0００0到０１１1是有效状态,1０00是瞬态，跳转从这个状态跳回到00０0状态．
2．3．4显示电路
图９显示电路
显示部分由4个数码管组成,可显示0-9999，CD4511 是一片 CＭOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器,用于驱动共阴极ＬED (数码管)显示器的 BCD 码—七段码译码器。具有BＣD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴LED数码管。
2.３.5总电路图
图1０总电路图
2.4运行效果
图1１运行效果
在其输入端输入一个频率为２00Hｚ的交流电，最终检测到199,其误差为0.５%，达到实验要求。
3.实验结论
通过改变被测频率,能准确检测出其频率，本次实验总体取得成功。