简易频率计报告

目录1 设计内容 (1)1.1原理、理论分析 (1)1.1.1 电路原理 (1)1.1.2 各部分电路分析 (2)1.2 原理图、仿真电路、仿真分析 (5)1.2.1 电路分析 (5)1.2.2 10和9999HZ的范围输入 (6)1.2.3 方波三角波正弦波波形 (7)1.2.4 555分析 (8)1.3设计电路运行结果分析和总结 (10)1.4proteus软件简介 (11)2所用的器材 (13)2.1 电路元件清单 (13)2.2 实物制作记录 (13)3心得体会 (14)4参考文献 (15)1设计内容1.1原理理论分析1.1.1 电路原理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，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 =N Hz。

下面介绍结构较为简单的两位数字式频率计，电路组成如图所示。

它是由两位计数器、控制闸门、秒时基发生电路和被测信号输入电路组成。

四位数字式计数器由四只十进制加、减可逆计数集成电路CD40110和四只数码显示管以及输入电路组成。

CD40110是一只集计数、译码、锁存、驱动为一身的四合一的电路，它即可以作加法计数，又可以作减法计数。

它有一个电源正端VDD，一个电源负端VSS，七个数码笔段输出a～g，一个加计数脉冲输入端CP+，一个减计数输入端CP-，一个清零端R，一个进位输出端CO，一个退位输出端BO，一个锁存控制端LE，低电平时正常显示，高电平时显示被锁定。

它还有一个禁止控制端TE，高电平时禁止计数。

四只计数器IC1、IC2串联组成一个两位数的十进制计数器，与非门D1、D2组成计数脉冲输入电路。

当被测信号从D2的输入端⑥输入后，经D2、D1两级反相和整形后加至计数器IC2的加法计数输入端CP+，通过计数器内部的运算转换，将输入的脉冲数转换为相应数码的显示笔段，通过数码显示管显示出来，它的显示范围为1～9。

当输入端输入第十个脉冲时，IC2的数码显示管显示为0，它的进位输出端CO输出一个进位脉冲加至十位计数器IC1的加计数脉冲输入端CP+，十位计数器开始计数，范围为1～9。

这就是说该计数器的计数范围为9999。

计数脉冲输入电路中的与非门D2，是一个能够控制信号是否能够输入计数电路的控制闸门。

当它的一个输入端⑤为高电平时，控制闸门被打开，信号可以输入；否则，信号不能被输入。

1.1.2 各部分电路分析时基电路555与R1、RP、R2、及100uF电容组成一个低频多谐振荡器，产生1Hz的秒时基脉冲，作为闸门控制信号。

其振荡频率可按公式：f=1.443/[(R1+RP+2R2)C1]来确定。

D3与IC5组成门控电路，在测量时，它的输出端②输出时间为1秒的高电平加至控制闸门D2的输入端⑤，将其打开，使被测信号输入。

当妙时基发生电路IC4输出第一个时基脉冲并通过D3的CP端后，IC3的②脚输出高电平加至D2的⑤脚将控制闸门打开，使电路进入测量过程。

1s后，当IC4输出第二个时基脉冲时，IC5的②脚变为低电平。

数码显示管所显示的数字即为被测信号的频率。

在秒时基发生电路IC4输出第三个脉冲时，电路保持间歇1s，让测量人员看清显示数。

当第四个脉冲输出后，IC5的⑦脚输出高电平并通过VD2加至计数器的复位端R，使显示器的显示变为0000，为下一次侧量作准备。

如图是被测信号输入后的处理图1被测信号和闸门信号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 ³量级，则要求闸门信号的精度为10 ⁴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 ⁴，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.如图是设计的思路方框图图2设计方框图输入电路：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.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,我们可以计算出各个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。

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。

我们知道控制电路这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。

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。