简易数字频率计的设计

沈阳航空航天大学北方科技学院

课程设计说明书

课设题目简易数字频率计的设计

专业电子信息工程

班级 B141201

学号 B04120119

学生姓名刘胤麟

指导教师赵婷婷

日期 2014.12.5

沈航北方科技学院

课程设计任务书

教学系部信息工程系专业电子信息工程

课程设计题目简易数字频率计的设计

班级B141201 学号B04120119 姓名刘胤麟

课程设计时间: 14 年11 月4 日至14 年12月5 日

课程设计的内容及要求：

（一）主要内容

根据题目及基本要求（技术指标）查阅相关资料和书籍，设计（计算）

电路，确定元器件参数（五天）。

待电路设计完成后，上机进行电路仿真（使用Multisim）。仿真过程中

用到的仪器、调试方法、排故过程及电路技术指标的测量要做记录，最终

写到报告中（十天）。

报告正文按目录要求撰写，其他内容见格式说明（五天）。

（二）基本要求

1.电路供电电源为单相交流市电。

2.每次频率检测时间为1s。

3.用四位LED数码显示0-9999Hz。

（三）主要参考书

《低频电子线路》张肃文高等教育出版社

《电子线路集》人民邮电出版社

《电子技术基础数字部分》康华光高等教育出版社

（四）评语

（五）成绩

指导教师年月日

负责教师年月日

简易数字频率计的设计

I 摘要

本次课设是针对简易数字频率计的设计。数字频率计主要由四个部分组成：时基电路，

整形电路，控制电路和显示电路组成。在一个测量周期过程中，由时基电路产生一标准时间信号控制阀门，调节时基电路中的电阻可产生需要的标准时间信号。信号输入整形电路

中，经过整形，输出一方波，通过阀门后，计时器对其计数。当计数完毕，时基电路输出

一个上升沿，使锁存器打开，计数器计数结果输入译码器，从而让显示器显示，达到测量

频率的目的。关键词：频率计；译码器；锁存器；计数器；

简易数字频率计的设计

II 目录

1、绪论--------------------------------------------------------------------- 1

2、方案设计与论证----------------------------------------------------------- 2 2.1计数法--------------------------------------------------------------- 2

2.2计时法--------------------------------------------------------------- 2 2.3方案的确定----------------------------------------------------------- 3

3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算------------------------------------- 3 3.1工作原理及框图------------------------------------------------------- 3

3.2时基电路的设计与仿真------------------------------------------------- 4

3.3 直流稳压电路设计与仿真---------------------------------------------- 6 3.4控制电路设计--------------------------------------------------------- 7

3.5 计数器电路---------------------------------------------------------- 9 3.6锁存器电路---------------------------------------------------------- 11

3.7译码显示电路-------------------------------------------------------- 13 3.8系统的工作原理分析-------------------------------------------------- 14

4、总体电路的仿真分析------------------------------------------------------ 17 5、实验心得体会------------------------------------------------------------ 20

参考文献------------------------------------------------------------------- 20

附录Ⅰ：元器件清单--------------------------------------------------------- 21 附录Ⅱ：总体电路图--------------------------------------------------------- 22

简易数字频率计的设计

1 1、绪论

随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的设计技

术。目前数字频率计的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上至下的逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。上

述设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计过程几乎都可以用计算机来自动地完成，也就是说做到了电子设计自动化（EDA）。这样做可以大大地

缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求，提高产品

的竞争能力。电子设计自动化（EDA）的关键技术之一是要求用形式化方法来描述数字系

统的硬件电路，即要用所谓硬件描述语言来描述硬件电路。所以硬件描述语言及相关的仿真、综合等技术的研究是当今电子设计自动化领域的一个重要课题。

硬件描述语言的发展至今已有几十年的历史，并已成功地应用到系统的仿真、验证和设计综合等方面。到本世纪80年代后期，已出现了上百种的硬件描

述语言，它们对设计自动化起到了促进和推动作用。但是，它们大多各自针对特定设计领域，没有统一的标准，从而使一般用户难以使用。广大用户所期盼的是

一种面向设计的多层次、多领域且得到一致认同的标准的硬件描述语言。80年

代后期由美国国防部开发的VHDL（VHSIC Hardware Description Language）语言恰好满足了上述这样的要求，并在1987年12月由IEEE标准化（定

为 IEEE std 1076--1987标准，1993年进一步修订，被定为

ANSI/IEEE std 1076--1993标准）。它的出现为电子设计自动化（EDA）的普及

和推广奠定了坚实的基础。据1991年有关统计表明，VHDL语言业已被广大设计者所接受。另外，众多的CAD厂商也纷纷使自己新开发的电子设计软件与VHDL

语言兼容。由此可见，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。

简易数字频率计的设计

2 2、方案设计与论证

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N个脉冲所产生的时间。计数器所记录的结果就是被测信号的频率。

测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称为测频法与测周法。

2.1计数法

计数法又称测频法，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。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。

2.2计时法

计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标

准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到

所测频率值。

简易数字频率计的设计

3 2.3方案的确定

根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。有上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测

量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期

数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成

电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。测频法的测量误差与信号频率

成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器

所计数据就是信号频率。因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。

3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算

3.1工作原理及框图

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1s）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1s时间内对信号波形计数，数值

保持及自动清零，并将计数结果在显示器上显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均

能被数字电路识别的脉冲信号。然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个

数，将其转换后显示出来。被测信号V x经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号1，其频率与被

测信号的频率f x相同。时基电路提供标准时间基准信号2，具有固定宽度T的方波时基信号2作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号1从闸

门另一端输入，被测信号频率为f x，闸门宽度为T，若在闸门时间内计数器计

得的脉冲个数为N，则被测信号频率为TNfXHz。可见，闸门时间T决定量程，

通过闸门时基选择开关的选择，选择T大一些，测量精准度就高些，T小一些，则测量精准度就低。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。