简易数字频率计

毕业设计任务书课题名称:简易频率计设计学生姓名吴成星专业应用电子技术班级 0901班时间2011.10～2012.5月指导教师周福平电子与电气工程系2012年5月目录1. 前言 (4)1.1 背景 (5)1.2 主要技术指标及技术要求 (5)1.2.1 主要技术指标 (5)1.2.2 基本设计要求 (5)2. 总体设计方案 (6)2.1 需要解决的问题 (6)2.2 电路组成框图 (6)3. 单元电路设计 (7)3.1 时基电路 (7)3.2 放大整形电路 (8)3.3 闸门电路 (8)3.4 计数电路 (8)3.5 锁存显示电路 (9)4. 整机电路设计 (10)4.1 整机电路原理图 (10)4.2 整机工作原理 (11)5. 调试及误差分析 (12)6. 结论 (14)附录元件清单 (17)参考文献 (18)摘要：数字频率计是一种基本的测量仪器。

它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。

它的基本测量原理是，首先让被测信号与标准信号一起通过一个闸门，然后用计数器计数信号脉冲的个数，把标准时间内的计数的结果，用锁存器锁存起来，最后用显示译码器，把锁存的结果用LED数码显示管显示出来。

根据数字频率计的基本原理，本文设计方案的基本思想是分为五个模块来实现其功能，即整个数字频率计系统分为闸门模块、时基电路、计数模块、锁存器模块和显示模块等几个单元，用数字电路实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路、位选电路、段选电路、显示电路等。

而且，本设计方案还要求，能够用十进制数码显示被测信号的频率，不仅能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量。

具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。

关键词：数字频率计；计数；数码显示；数字电路；测量1.前言课程设计是针对某一理论课程的要求，对学生进行综合性实践训练的实践教学环节，可以培养学生运用课程中所学的理论知识与时间紧密结合，独立地解决实际问题的能力。

本课题着重介绍数字逻辑电路的设计方法和测试。

设计都以电路的基本理论为基础，介绍电路的设计、装调及性能参数的测试方法。

本课题具有体系结构新颖，知识综合运用性强，理论紧密联系实践的特点。

课题设计应达到如下基本要求：（1）综合运用电子技术课程中所学的理论知识完成一个课题的设计；（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养学生分析和解决实际问题的能力；（3）熟悉掌用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；（4）学会电子电路的安装和调试技能；（5）数子电子仪器的使用方法；（6）学会撰写课程设计论文；（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

课题内容的选择既有利于理论联系实际，又能系统地培养学生知识综合运用能力，进一步提高实际动手能力和工程设计能力，适应当前电子技术迅速发展与广泛应用的需要。

在本课题的研究过程中，得到周老师的指导与帮助，才使我们的设计非常圆满的完成，在此表示感谢。

1.1 课题背景在电子系统非常广泛应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。

供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。

由于数字电路的飞速发展，所以，数字频率计的发展也很快。

通常能对频率和时间两种以上的功能数字化测量仪器，称为数字式频率计(通用计数器或数字式计数器)在电子测量技术中，频率是一个最基本的参量，对适应晶体振荡器、各种信号发生器、倍频和分频电路的输出信号的频率测量，广泛用于广播、电视、电讯、微电子技术等现代科学领域。

1.2 主要技术指标及技术要求1.2.1 主要技术指标1、4位数字显示，测量范围1Hz – 10kHz2、可测量正弦波和脉冲信号3、两个操作按键：按键清零计数器、按键启动测量4、测量灵敏度1V1.2.2 基本设计要求1、设计一个频率计，可对1Hz-10kHz范围内的正弦波及脉冲波进行频率测量2、用PROTEL完成电原理图的绘制3、完成电路参数的计算、元器件的选型4、拟制电路调试方案5、电路仿真及PCB设计6、5人一个设计小组，明确组长及各组员的分工7、组员根据任务要求查找相关资料，选定合适单元电路方案8、小组讨论确定电路整体方案9、每人按规定格式并独立完成毕业设计说明书2.总体设计方案频率计定时时间1s可以直接通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1Hz 的脉冲，再通过T触发器把脉冲正常高电平为1s；放大整形电路可以直接用一个具有放大功能的施密特触发器对输入的信号进行整形放大，闸门电路用一个与门，只有在定时脉冲为高电平时输入信号才能通过与门进入计数电路计数；计数电路可以通过4个十进制的计数器组成，计数器再将计的脉冲个数通过锁存器进行稳定最后通过4个LED数码显像管显示出来。

2.1 需要解决的问题2.1.1 怎样利用555定时器产生1Hz的脉冲？2.1.2 怎样对输入信号进行放大，然后输入计数器进行计数？2.1.3 怎样加按键进行开始计数及清零？2.2 电路组成框图3. 单元电路设计3.1 时基电路用555_VIRTUAL定时器和电容、电阻组成多谐振荡器产生1Hz的脉冲，根据书中的振荡周期： T=（R1+R）C1×ln2 （R=R2+R3+R4+R5）取C1=10uF，R1=2KΩ，T=1s，计算得：R=69.9KΩ，再通过T触发器T_FF把脉冲正常高电平为1s的脉冲，元件的连接如下：经示波器仿真，产生的脉冲的高电平约为1S。

3.2 放大整形电路用一个74HC14D_4V的含放大功能的施密特触发器对输入脉冲进行放大整形，把输入信号放大整形成4V的矩形脉冲，其放大整形效果如下图：74HC14D－4V符号及放大整形效果图3.3 闸门电路用一个与门74LS08作为脉冲能否通过的闸门，当定时信号Q为高电平时，闸门打开，输入信号进入计数电路进行计数，否则，其不能通过闸门。

74LS08N符号3.4 计数电路计数电路用4片74192N计数器组成10000进制的计数电路，74192N是上升沿有效的，来一个脉冲上升沿，电路记一次数，所以计数的范围为0~9999。

但计数1S后要对计数器进行清零或置零，在这里用清零端，高电平有效，当计数1S后，Q为低电平，Q’为高电平，所以用Q’作为清零信号，接线图如下：3.5 锁存显示电路当计数电路计数结束时，要把计得脉冲数锁存通过数码显示管稳定显示出来。

锁存器用2片74LS273N，时钟也是上升沿有效，当Q为下降沿时，Q’恰好是上升沿，所以用Q’作为锁存器的时钟，恰能在计数结束时把脉冲数锁存显示，电路的接线图如下4.整机电路设计4.1 整机电路原理图4.2 整机工作原理555组成的多谐振荡器产生1Hz的脉冲，经过T触发器整形成高电平时间为1S的脉冲，高电平脉冲打开闸门74LS08N，让经施密特触发器74HC14D放大整形的被测脉冲通过，进入计数器进行1S的计数。

当计数结束时，T触发器的Q为下降沿，Q’刚好为上升沿，触发锁存器工作，让计数器输出的信号通过锁存器锁存显示，同时，高电平的Q’信号对计数电路进行清零，此后，电路将循环上述过程，但对于同一个被测信号，在误差的允许范围内，LED上所显示的数字是稳定的。

1、这种数字频率计的工作原理主要分六个单元。

2、时基单元。

包括振荡器和时基电路，用来产生周期为1秒的脉冲信号叫时基信号。

振荡器可以用晶体振荡器或者用集成电路电阻电容搭成的多谐振荡器。

3、闸门单元。

这个单元有两个作用，一是得到宽度为1秒的方波，叫闸门信号；用这个信号的宽度来控制闸门的时间——取样时间，在取样时间里，闸门允许被测信号通过（见图3.1）。

二是每次取样后封锁闸门和时基信号输入门，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据，所以简单的说，闸门单元的总任务就是打开闸门计数关上闸门显示，然后清零。

这个过程不断重复进行。

4、计数单元。

计数单元把通过闸门的被测频率脉冲输入计数器、然后送到锁存器、后经显示器显示，由显示器取样时间里接收的脉冲数，也就是被测频率。

5、锁存显示单元。

取样时间结束后，计数器里的数据送到锁存器里并要维持一段时间，这段时间叫显示时间。

锁存器里的电路决定显示时间的长短，显示时间结束产生一个正向清零脉冲，引入计数器复位端R，使计数器复位，显示数字变为零。

所以整个测频过程的时间过程是：测量频率→显示数字跳动→显示延时→显示数据保持不变→清零→显示变为零。

6、输入单元，其作用是将接收到的各种信号变换为电脉冲信号并加以放大、整形；然后再变换成与CMOS集成电路相容的信号，也即是起一个接口作用。

图3.1表明测试原理的波形图5、频率计的检测与调试（1）用数字集成电路检测仪对所用的IC进行检测，已确定每个器件完好。

（2）基准时间检测关闭电源后，插上全部IC 。

依次用示波器检测基准时间计数器和T-FF触发器的输出波形。

（3）输出检测信号从被测信号数输入端输入幅值在1V 左右、频率为1KHz左右的正弦信号，如果电路正常，则数码管可以显示被测信号的的频率。

如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。

（4）输入放大与整形电路检测用示波器观测整形电路(74HC14)的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为5V左右的矩形波，如果观测不到输出波形，或观测不到波形形状和幅值不对，则监测这一部分电路，消除故障。

如果部分电路正常，或消除频率计人不能正常工作，则检查闸门。

（5）检查闸门检查闸门U3A的输出波形，正常时，每间隔1s时间，可以观测到被测信号的矩形波。

如观测不到波形，则应观测控制们的两个输入端的信号是否正常，并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障，如该电路正常或消除故障后频率计人不能正常工作则检测计数器电路。

（6）计数器的检测依次检测4个计数器74192N的输出波形，正常时，相邻计数器时钟端的形波频率依次相差1倍，如果频率关系不一致或波形不一致，则应对计数器和反馈们的各引脚电平及波形进行检测，通过分析找出原因消除故障，如该部分电路正常，或消除故障后频率计任不能正常工作则检测锁存器电路。

（7）锁存器电路的检测依次检测74HC273锁存器各引脚的电平与波形。

正常情况时，各电平值应与电路中给出的状态一致，其中，第11脚的电平每隔一秒跳变一次，如不正常则检查电路，消除故障。

如该部分电路正常，或消除故障后频率计任不能正常工作，则监测显示译码电路。

（8）显示译码电路与数码管电路的检测检测显示数码器各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平通过检测分析找出故障。

6、结论本文通过对课题设计任务的研究与分析，以数字电路实现既定设计功能，该数字频率计是一种基本的测量仪器。

它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。