簡易數字頻率計長安大學

1、電工與電子技術基礎課程設計報告題 目 簡易數字頻率計 學 院 汽車學院 專 業(yè) 車輛工程 班 級 2012220102 學生姓名 任田園 學 號 201222010218 6 月 24 日至 6 月 28 日 共 1 周 指導教師（簽字） 0一、課題名稱：簡易數字頻率計二、技術要求: （1） 被測信號的頻率范圍100Hz10kHz；（2） 輸入信號為正弦信號或方波信號；（3） 用四位數碼管顯示所測頻率值，并用紅、綠色發(fā)光二極管表示單位；（4） 具有超量程報警功能。三、摘要：本設計報告主要包括對數字頻率計設計的設計要求、整體方案設計、單元電路設計、電路的測試與調整、設計小結。設計要求包括了數字頻

2、率計整體功能要求、系統結構要求及測試指標；整體方案設計包括算法設計和整體方框圖及原理；單元電路的設計包括時基電路設計、閘門電路設計、控制電路設計、報警電路設計、整體電路圖、整機元件清單；電路的測試與調整包括時基電路的調測、顯示電路的調測、計數電路的調測、控制電路的調測、整體指標的調測。四、設計方案第一章 系統概述1.1綜述數字頻率計也稱電子計數器，它是數字電路中的一個典型應用，實際的硬件設計用到的器件較多，連線比較復雜，而且會產生延時現象，造成測量誤差、可靠性差。隨著可編程邏輯器件的廣泛應用，運用VHDL語言，將使整個系統大大簡化，提高整體的性能和可靠性。數字頻率計實際上就是脈沖計數器，即在單

3、位時間里（如1s，不同檔位的時間不同）所統計的脈沖個數。它不僅可以測量正弦波、方波、三角波、尖脈沖信號和其他具有周期特性的信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。數字頻率計的系統主要由輸入整形電路、石英晶體多諧振蕩器（555多諧振蕩器）、分頻器及量程選擇開關、門控電路、邏輯控制電路、閘門、計數譯碼顯示電路等組成。首先，把被測信號（以正弦波為例）通過放大整形電路將其轉換成同頻率的脈沖信號，然后將它加到閘門的一個輸入端。閘門的另一個輸入信號是門控電路發(fā)出的標準脈沖，只有閘門被打開時被測量的脈沖通過閘門進入到計數器進行計數。門控電路開通和關閉的時間是準確的。邏輯控制電路是控制計數器工作順序的，使計數器

4、按照一定的工作程序進行有條理的工作（例如準備計數顯示（鎖存）清零準備下一次測量）。為了把此次課程設計做的盡善盡美，我們小組去圖書館查閱了大量有關資料，并有效利用網絡資源，對數字頻率計有了深入的了解。在設計過程中，我們首先對數字頻率計的原理及工作過程有了準確的理解，然后小組開始討論并得出此次設計基本路線，接下來每個人積極完成各自所要負責的部分，遇到不懂的互相探討協作。最后對各部分進行綜合，得出基本設計方案，在答疑時進行最后改進與完善，設計出一份完整的報告。1.2基本算法及方案討論信號的頻率就是信號在單位時間內所產生的脈沖個數，其表達式為f=N/T，其中f為被測信號的頻率，N為技術其所累計的脈沖個

5、數，T為產生N個脈沖所需的時間。技術其所記錄的結果，就是被測信號的頻率。如在1s內記錄1000個脈沖，則被測信號的頻率為1000HZ。 測量頻率的基本方法有兩種：計數法和計時法，或稱測頻法和測周期法。計數值N1T被測信號標準閘門圖1-1測頻法測量原理計數法是將被測信號通過一個定時閘門加到計數器進行計數的方法，如果閘門打開的時間為T，計數器得到的計數值為N1，則被測頻率為f=N1/T。改變時間T，則可改變測量頻率圍。如圖1-1所示。 設在T期間，計數器的精確計數值應為N,根據計數器的計數特性可知，N1的絕對誤差是N1=N+1,N1的相對誤差為N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相對誤差可知，

6、N的數值愈大，相對誤差愈小，成反比關系。因此，在f已確定的條件下，為減少N的相對誤差，可通過增大T的方法來降低測量誤差。當T為某確定值時（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對誤差：f1=(f1-f)/f=1/f 從上式可知f1的相對誤差與f成反比關系，即信號頻率越高，誤差越?。欢盘栴l率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。 計時法又稱為測周期法，測周期法使用被測信號來控制閘門的開閉，而將標準時基脈沖通過閘門加到計數器，閘門在外信號的一個周期內打開，這樣計數器得到的計數值就是標準時基脈沖外信號的周期值，然后求周期值的倒數，就得到所

7、測頻率值。 首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間是一個信號周期T的方波信號；然后用一個一直周期T1的高頻方波信號作為計數脈沖，在一個信號周期T的時間內對T1信號進行計數，如圖1-2所示。圖2-2計時法測量原理若在T時間內的計數值為N2,則有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的絕對誤差為N2=N+1。N2的相對誤差為N2=(N2-N)/N=1/NT2的相對誤差為T2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1從T2的相對誤差可以看出，周期測量的誤差與信號頻率成正比，而與高頻標準計數信號的頻率成反比。當f1為常數時，被測信號頻率越低，誤差越小，

8、測量精度也就越高。 根據本設計要求的性能與技術指標，首先需要確定能滿足這些指標的頻率測量方法。有上述頻率測量原理與方法的討論可知，計時法適合于對低頻信號的測量，而計數法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用計時法所獲得的信號周期數據，還需要求倒數運算才能得到信號頻率，而求倒數運算用中小規(guī)模數字集成電路較難實現，因此，計時法不適合本實驗要求。測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越大，信號頻率越高，其誤差就越小。但用測頻法所獲得的測量數據，在閘門時間為一秒時，不需要進行任何換算，計數器所計數據就是信號頻率。因此，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。1.3總體設計方案框圖及分析該設

9、計方案框圖共有8部分組成，分別為輸入通道、時基電路、閘門電路、分頻電路、計數器、鎖存器、譯碼顯示電路及邏輯控制電路。如圖1-3所示。報警器計數電路譯碼顯示電路放大整形閘門電路被測信號邏輯控制電路基時電路門控電路 檔位開關振蕩器 圖1-3 總體設計方框圖 輸入通道是由放大器、整形電路構成，將輸入為任意波形的交流信號，轉變?yōu)橥l率且符合后級輸入要求的信號。閘門電路即由一個與門構成，時基信號與整形后的信號經過它輸入給下一級。計數器有四片74LS160組成，由上一級的進位輸出作為時鐘脈沖cp，當cp為高電平時開始計數，直到高電平時間結束。分頻電路由7片74LS160組成，將輸入信號的頻率縮小到100K

10、HZ，10KHZ，1KHZ，100HZ，10HZ，1HZ，0.1HZ再根據檔位需要選擇頻率送入計數器計數，用于量程擴展。計數鎖存器由4個鎖存器74LS175組成，在計數時間結束后由邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號，將當時的計數值鎖存并送往譯碼顯示器顯示結果。時基電路由石英晶體多諧振蕩器構成，發(fā)出不同時間的高電平的矩形脈沖作為計數時間。兩片555定時器各自接成單穩(wěn)態(tài)電路和兩片JK觸發(fā)器構成邏輯控制電路，產生復位與鎖存信號。1.4各功能塊的劃分與組成本電路包括8個部分，分別為輸入通道、時基電路、計數器、閘門電路、分頻電路、譯碼顯示電路、邏輯控制電路及鎖存器。各個部分組成及功能如下：1.4.1輸入通道由放大

11、器、整形電路構成。（1）放大器：放大器是將輸入幅值較低的微弱信號放大到一定倍數，以符合后級電路的輸入要求的信號。本電路采用741系列運算放大器，可利用其深度負反饋，自由選擇反饋電阻，因此電壓放大倍數可調，使用靈活。（2）整形電路：整形電路是將輸入信號為任意波形的信號，整形成同頻率的矩形脈沖信號，送入下一級的計數器進行計數。施密特觸發(fā)器常利用觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，將邊沿變化緩慢的周期信號變?yōu)檫呇睾芏盖偷木匦蚊}沖信號。由于在數字系統中矩形脈沖經傳輸后往往也會發(fā)生畸變。如：當傳輸線上電容較大時，波形的上升沿和下降沿將明顯變壞；當傳輸線較長，且接收的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升

12、沿和下降沿將產生震蕩現象；當其他的脈沖信號通過導線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號上時，信號將出現噪聲。無論出現上述的哪一種情況，都可以通過用施密特觸發(fā)器整形而獲得比較理想的矩形脈沖波形。鑒于施密特觸發(fā)器整形電路的諸多優(yōu)點，本電路將起采用，且利用555定時器搭建，簡單方便。1.4.2時基電路：時基電路的作用是產生一個標準的時間信號，即高電平持續(xù)時間，該時間可人為設定（根據不同量程選取0.01s、0.1s、1s、10s)。由于精度要求高，而用555定時器搭建的多諧振蕩器產生頻率不夠穩(wěn)定，并且計算參數較多，比較復雜，因此本次采用的方法是在多諧振蕩器電路中接入石英晶體，組成石英晶體多諧振蕩

13、器。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0 ，而與外接電阻、電容無關，本次設計采用固有諧振頻率1MHz的石英晶體。石英晶體的振蕩頻率由石英晶體的結晶方向和外形尺寸所決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性。 1.4.3計數電路：計數電路是將上級輸入的時基閘門時間內計數脈沖的個數數出并輸出給鎖存器鎖存。用于計數的芯片很多，如：74LS90、74LS190、74LS290、74LS160、74LS161、等等。本電路采用的是將四片74LS160芯片級連構成四位十進制加法計數器。 1.4.4閘門：閘門實際上就是一個簡單的與門。將整形電路的輸入信號與門控信號做與運算，以便輸出矩形脈沖作為計數脈

14、沖。當門控信號為高電平1時，閘門開啟，而門控信號為低電平0時，閘門關閉。顯然，只有在閘門開啟的時間內，被測信號才能通過閘門進入計數器，計數器計數時間就是閘門開啟時間。可見門控信號的寬度一定時閘門的輸出正比于被測信號的頻率，通過計數顯示系統把閘門的輸出結果顯示出來，就可以得到被測信號的頻率。1.4.5分頻電路：分頻電路用于將石英晶體多諧振蕩器產生的基時信號縮小10的n次方倍后再再通過檔位選擇開關選擇合適的頻率送往計數器計數，利用它可擴展量程。本電路利用7片74LS160級連成分頻器，產生不同頻率的基時信號，其中要用到的基時頻率有100Hz，10Hz，1Hz，0.1Hz。1.4.6譯碼顯示電路：譯

15、碼顯示電路是將鎖存器輸出的數值進行譯碼并在數碼管上顯示出來。本電路由4片7447七段顯示譯碼器-七段數碼管構成。1.4.7邏輯控制電路：邏輯控制電路是由兩片555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及兩片JK觸發(fā)器74LS107構成。利用時基信號通過第一片JK觸發(fā)器產生計數門控脈沖做為第一片的觸發(fā)信號，輸出鎖存信號，將計數結果鎖存，使顯示數值穩(wěn)定；而第二片利用第一片的輸出信號作為觸發(fā)信號并輸出復位信號將計數器清零。清零信號同時使第二片JK觸發(fā)器開啟以便使的一片JK觸發(fā)器重新開啟，進行下一次計數。1.4.8鎖存電路：鎖存電路是將計數器輸入的數值鎖存并送到譯碼顯示器顯示。如果在系統中不接鎖存器，則顯示器上的顯

16、示數值就會隨計數器的狀態(tài)不停地變化，只有在計數器停止計數時，顯示器上的顯示數字才能穩(wěn)定，所以計數器后必須接入鎖存器。鎖存器的工作狀態(tài)是受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制的，本設計用四片74LS175寄存器來鎖存信號。 第二章 單元電路設計與分析 2.1輸入通道 由于待測信號一般較小因此不用限幅，故輸入通道由放大器、整形電路構成。（1）放大器：放大器是將輸入幅值較低的微弱信號放大到一定倍數，以符合后級電路的輸入要求的信號。本電路采用741系列運算放大器，可利用其深度負反饋，自由選擇反饋電阻，因此電壓放大倍數可調，使用靈活。（2）整形電路：整形電路是將輸入信號為任意波形的信號，整形成同頻率的矩形脈沖信號，送入下一

17、級的計數器進行計數。施密特觸發(fā)器常利用觸發(fā)器狀態(tài)轉換過程中的正反饋作用，將邊沿變化緩慢的周期信號變?yōu)檫呇睾芏盖偷木匦蚊}沖信號。由于在數字系統中矩形脈沖經傳輸后往往也會發(fā)生畸變。如：當傳輸線上電容較大時，波形的上升沿和下降沿將明顯變壞；當傳輸線較長，且接收的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產生震蕩現象；當其他的脈沖信號通過導線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號上時，信號將出現噪聲。無論出現上述的哪一種情況，都可以通過用施密特觸發(fā)器整形而獲得比較理想的矩形脈沖波形。鑒于施密特觸發(fā)器整形電路的諸多優(yōu)點，本電路將起采用，且利用555定時器搭建，簡單方便。如圖2-1所示，A1

18、為運算放大器，將輸入信號放大100倍后送入下一級，即由555定時器接成的施密特觸發(fā)器，將輸入信號整形為矩形脈沖信號經一個非門緩沖輸入給下一級。其中R0=1K，Rf=100K，C=0.01F。圖2-1 放大整形電路圖 2.2基時電路時基電路：時基電路的作用是產生一個標準的時間信號，即高電平持續(xù)時間，該時間可人為設定（根據不同量程選取0.01s、0.1s、1s、10s)。由于精度要求高，而用555定時器搭建的多諧振蕩器產生頻率不夠穩(wěn)定，并且計算參數較多，比較復雜，因此本次采用的方法是在多諧振蕩器電路中接入石英晶體，組成石英晶體多諧振蕩器。石英晶體多諧振蕩器的振蕩頻率取決于石英晶體的固有諧振頻率f0

19、 ，而與外接電阻、電容無關，本次設計采用固有諧振頻率1MHz的石英晶體。石英晶體的振蕩頻率由石英晶體的結晶方向和外形尺寸所決定，具有極高的頻率穩(wěn)定性。如圖2-2所示R1R2是兩個1K的電阻，Y1是固有頻率為1MHz的石英晶體，C1 C2是兩個30pF的電容，U1A是一個非門，他們構成的石英晶體多諧振蕩器產生1MHz的基時頻率，輸出給分頻電路。圖2-2基時電路圖 2.3分頻電路 分頻電路用于將石英晶體多諧振蕩器產生的基時信號縮小10的n次方后再再通過檔位選擇開關選擇合適的頻率送往計數器計數，利用它可擴展量程。本電路利用7片74LS160級連成分頻器，產生不同頻率的基時信號，其中要用到的基時頻率有

20、100Hz，10Hz，1Hz，0.1Hz。其基本電路如圖2-3所示。圖2-3 分頻電路圖2.4閘門電路閘門實際上就是一個簡單的與門。將整形電路的輸入信號與門控信號做與運算，以便輸出矩形脈沖作為計數脈沖。當門控信號為高電平1時，閘門開啟，而門控信號為低電平0時，閘門關閉。顯然，只有在閘門開啟的時間內，被測信號才能通過閘門進入計數器，計數器計數時間就是閘門開啟時間?？梢婇T控信號的寬度一定時閘門的輸出正比于被測信號的頻率，通過計數顯示系統把閘門的輸出結果顯示出來，就可以得到被測信號的頻率。這里使用的是74F00，如圖2-4所示。圖2-4閘門電路圖2.5門控及邏輯控制電路 門控及邏輯控制電路的功能是：

21、在時標脈沖的作用下，首先輸出一個時標準時間（如1s）在這段時間內計數器記錄下輸入脈沖個數；然后邏輯控制電路發(fā)出一鎖存保持信號，使記錄下的脈沖個數被顯示一段時間，以便觀察者看清并記錄下來；接下來邏輯控制電路一清零信號，使計數器清零，如圖2-5所示，第一片JK觸發(fā)器產生計數門控脈沖，第二片JK觸發(fā)器是閉鎖觸發(fā)器，他保證第一片JK觸發(fā)器形成一次門控信號后，需要間隔顯示和清零兩段時間后才能形成下一次門控信號；兩片555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第一片產生鎖存信號并輸出給74LS175，同時輸出信號也輸入第二片單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以便產生清零信號輸出給計數電路的47LS160，清零信號同時輸出給第二片JK觸發(fā)器，解

22、除其閉鎖作用，以便第一片JK觸發(fā)器產生新的門控脈沖。圖2-5門控及邏輯控制電路圖2.6計數電路計數電路是將上級輸入的時基閘門時間內計數脈沖的個數數出并輸出給鎖存器鎖存。用于計數的芯片很多，如：74LS90、74LS190、74LS290、74LS160、74LS161、等等。本電路采用的是將四片74LS160芯片級連構成四位十進制加法計數器。 被測信號從第一片74LS160的CP端輸入，上一片74LS160的進位輸出接到下一片74LS160得CP端，最后一片74LS160的進位輸出接報警器，清零信號從每一片74LS160的異步清零端輸入。每一片74LS160的輸出端Q1，Q2，Q3，Q4分別接

23、到對應位置的74LS175的端輸入1D，2D，3D，4D上去，其電路圖如圖2-6所示。圖2-6計數電路圖2.7鎖存電路鎖存電路是將計數器輸入的數值鎖存并送到譯碼顯示器顯示。如果在系統中不接鎖存器，則顯示器上的顯示數值就會隨計數器的狀態(tài)不停地變化，只有在計數器停止計數時，顯示器上的顯示數字才能穩(wěn)定，所以計數器后必須接入鎖存器。鎖存器的工作狀態(tài)是受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制的，本設計用四片74LS175寄存器來鎖存信號。鎖存信號輸入每一片74LS175異步清零端，當低電平的鎖存信號到來時才清零，這樣就保證了讀書和記錄時間。每一片74LS175輸出端1Q，2Q，3Q，4Q分別接到對應位置的7447的端輸入AB

24、CD端上去。其電路圖如圖2-7所示。圖2-7鎖存電路圖2.8譯碼顯示電路譯碼顯示電路是將鎖存器輸出的數值進行譯碼并在數碼管上顯示出來。本電路由4片7447七段顯示譯碼器和七段數碼管構成。如圖2-8所示。圖2-8譯碼顯示電路圖2.9檔位選擇電路 為了使用時方便最好使用四選一數字顯示器進行自動換擋，但是本小組經過討論無法得到如何自動控制，故用單刀六擲開關（軟件中沒找到四擲開關）手選擇檔位，檔位由分頻電路的100Hz,10Hz,1Hz,0.1Hz得到*100，*10，*1，*0.1檔。每一檔位都接一個LDE發(fā)光二極管，并標明對應檔位倍數以便讀數。如圖2-9所示。圖2-9檔位選擇電路圖2.10超量程報

25、警電路 在計數電路的最后一片74LS160的進位輸出端接一個LED發(fā)光二極管，當超出量程是發(fā)光報警。如圖2-10所示。圖2-10超量程報警電路第三章 系統綜述數字頻率計的系統主要由放大整形電路、石英晶體多諧振蕩器、分頻電路及量程選擇開關、門控電路、邏輯控制電路、閘門、計數電路、譯碼顯示電路等組成。首先，把被測信號（以正弦波為例）通過放大整形電路將其轉換成同頻率的脈沖信號，然后將它加到閘門的一個輸入端。閘門的另一個輸入信號是門控電路發(fā)出的標準脈沖，只有閘門被打開時被測量的脈沖通過閘門進入到計數器進行計數。門控電路開通和關閉的時間是準確的，它通過基電路產生的時標信號控制，而通過量程選擇開關選擇不同頻率的時標信號，使門控電路的開啟時間不同，從而使被測信號可輸入的時間不同，這樣就得到了不同的檔位。邏輯控制電路是控制計數器工作順序的，使計數器按照一定的工作程序進行有條理的工作（例如準備計數顯示（鎖存）清零準備下一次測量）?？傮w電路圖第四章 結束語4.1 心得體會在為期一周的電子課程設計過程中，我們了解了數字頻率計的工作原理，并且進一步學習了模擬電路仿真技術。同時還發(fā)現了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，認識到自己的思維還是不夠活躍，認識到理論知識與實際應用之間還有很大的差距，為我們學習理論知識的同時必須做到理論聯系實踐，這樣我們才能真正掌握這些知識。本次課程設計過程中