畢業(yè)設計(論文)：數字頻率計畢業(yè)設計2011-精品

1、 鶴壁職業(yè)技術學院 畢業(yè) 設計 題 目: 數字頻率計 指導老師： 于軍 專 業(yè)： 應用電子 院 系： 電子信息工程系 姓 名： 羅娟 班 級： 電子學 號： 0703211034摘要在電子技術中，頻率是最基本的參數之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內測量被測信號的脈沖個數；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻

2、法適用于低頻信號的頻率測量。本文闡述了基于通用集成電路設計了一個簡單的數字頻率計的過程。頻率計又稱為頻率計數器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內的周期個數為N時，則被測信號的頻率f=N/T。 頻率計主要由四個部分構成：時基（T）電路、輸入電路、計數顯示電路以及控制電路。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產生電路產生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數器進行計數，計數器的顯示電

3、路則用來顯示被測信號的頻率值，內部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現測量設置。 在傳統的電子測量儀器中，示波器在進行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率計能夠快速準確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應用范圍。在傳統的生產制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應用在產線的生產測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現有故障的晶振產品，確保產品質量。在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設備的本地振蕩器進行校準。

4、在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進行校準，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調制信號進行分析。目錄一、引言3（1.1） 引言1（1.2） 數字頻率計概述2（1.3） 數字電路概述3二、 數字頻率計的基本原理4（2.1） 數字頻率計的基本組成5（2.2） 數字頻率計的原理框圖與波形圖6（2.3） 數字頻率計的原理圖7三、 數字頻率計的基本電路設計9（3.1）放大整形電路 9（3.2）時基電路 10（3.3）邏輯控制電路 11（3.4）輸出實現器 1

5、2 (3.5) 擴展電路設計14（3.6）電路調試 16四、 結束語2（4.1）結論17（42 ）致謝18附錄：A:原理圖.19 B:參考文獻.20 C:元件清單.21、 引言1.1引言數字頻率計是一種用十進制數字顯示被測信號頻率的數字測量儀器，它的基本功能是測量正弦信號、方波信號。本課程設計介紹了頻率計的設計方案及其基本原理，并著重介紹了頻率計各單元電路的設計思路，原理，整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。整個設計配以電路圖和波形圖加以輔助說明，便于理解頻率計的工作情況。設計共有三大組成部分：一是原理電路的設計，本部分詳細講解了電路的理論實現，是關鍵部分；二是參數設置，為了分

6、析電路的參數以及參數的設置，便于理解。三是性能測試，這部分用于測試設計是否符合任務要求。整個設計淺顯易懂，結構嚴謹，是一份完整的課程設計。本次設計有有七大部分組成,其中有放大電路,閘門電路,計數器,鎖存器,譯碼器器，顯示器和邏輯控制電路。所用到的元器件組成的部分有晶體管3DG100和74LS00組成的放大整形電路，定時器555構成的多諧振蕩器，74LS273鎖存器和兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123組成的邏輯控制電路。一下會對這些器件的工作原理加以說明。 1.2、數字頻率計概述在電子技術中，頻率是最基本的參數之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率的測量就顯得更為重

7、要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內測量被測信號的脈沖個數；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量。本次設計的數字頻率計以AT89C52為核心，在軟件編程中采用的是C51語言，測量采用了多周期同步測量法，它避免了直接測量法對精度的不足，同時消除了直接與間接相結合方法，需對被測信號的頻率與中介頻率的關系進行判斷帶來的不便，能實現較高的等精度頻率和周期的測量目前，頻率和時間的

8、測量已越來越受到重視，長度、電壓等參數也可以轉化為與頻率測量有關的技術來確定。數字頻率計是一種基本的測量儀器。它被廣泛應用與航天、電子、測控等領域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標準信號一起通過一個閘門，然后用計數器計數信號脈沖的個數，把標準時間內的計數的結果，用鎖存器鎖存起來，然后用顯示譯碼器把鎖存的結果送入顯示器顯示出來。根據數字頻率計的基本原理，本設計方案的基本思想是分為五個模塊來實現其功能，即整個數字頻率計系統分為信號予處理模塊、閘門電路、計數模塊、時基門控模塊和顯示模塊等幾個單元。1.3.數字電路概述 定義：用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字

9、系統。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路?，F代的數字電路由半導體工藝制成的若干數字集成器件構造而成。邏輯門是數字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二值數據的數字電路。從整體上看，數字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。從前面的介紹，大家已經了解到數字電路是以二值數字邏輯為基礎的，其工作信號是離散的數字信號。電路中的電子晶體管工作于開關狀態(tài)，時而導通，時而截止。數字電路的發(fā)展與模擬電路一樣經歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發(fā)展比模擬電路發(fā)展的更快。從60年代開始，數字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件。隨后發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件；70年代

10、末，微處理器的出現，使數字集成電路的性能產生質的飛躍。數字集成器件所用的材料以硅材料為主，在高速電路中，也使用化合物半導體材料，例如砷化鎵等。邏輯門是數字電路中一種重要的邏輯單元電路 。TTL邏輯門電路問世較早，其工藝經過不斷改進，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發(fā)展,TTL的主導地位受到了動搖，有被CMOS器件所取代的趨勢。近年來,可編程邏輯器件PLD特別是現場可編程門陣列FPGA的飛速進步，使數字電子技術開創(chuàng)了新局面，不僅規(guī)模大，而且將硬件與軟件相結合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。 二、數字頻率計的基本原理2.1、數字頻率計的基本組成數字頻率計的基本原理是用一個頻率

11、穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號，數字頻率計是一種應用很廣泛的儀器電子系統非常廣泛的應用領域內，到處可見到處理離散信息的數字電路。數字電路制造工業(yè)的進步，使得系統設計人員能在更小的空間內實現更多的功能，從而提高系統可靠性和速度。集成電路的類型很多，從大

12、的方面可以分為模擬電路和數字集成電路2大類。數字集成電路廣泛用于計算機、控制與測量系統，以及其它電子設備中。一般說來，數字系統中運行的電信號，其大小往往并不改變，但在實踐分布上卻有著嚴格的要求，這是數字電路的一個特點。數字集成電路作為電子技術最重要的基礎產品之一，已廣泛地深入到各個行業(yè)中。所謂頻率，就是周期性信號在單位時間(1s)內變化的次數。若在一定時間間隔T秒內測得這個周期性信號的重復變化次數為N，則其頻率可表示為：f=N/T2.2、數字頻率計的組成框圖與波形圖圖1是數字頻率計的組成框圖。被測信號v x 經放大整形電路變成計數器所要求的脈沖信號I，其頻率與被測信號的頻率f x 相同。時基電

13、路提供標準時間基準信號II，其高電平持續(xù)時間t1=1 秒，當l秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數器開始計數，直到l秒信號結束時閘門關閉，停止計數。若在閘門時間1s內計數器計得的脈沖個數為N， 則被測信號頻率f x =NHz。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產生鎖存脈沖IV，使顯示器上的數字穩(wěn)定；二是產生清“0”脈沖V，使計數器每次測量從零開始計數。各信號之間的時序關系如圖1所示。數字頻率計的組成框圖和原理圖2.3、數字頻率計的原理圖設計原理頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數，此時我們稱閘門時間為

14、1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文。數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以適當的傳感器，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉速，聲音的頻率以及產品的計件等等。因此，數字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。555 定時器,分級分頻系統及門控制電路得到具有固定寬度T的方波脈沖做門控制信號,時間基準T稱為閘門時間.寬度為T的方波脈沖控制閘門的一個輸入端B.被測信號頻率為fx,周期Tx.到閘門

15、另一輸入端A.當門控制電路的信號到來后,閘門開啟,周期為Tx的信號脈沖和周期為T的門控制信號結束時過閘門,于輸出端C 產生脈沖信號到計數器,計數器開始工作,直到門控信號結束,閘門關閉.單穩(wěn)1的暫態(tài)送入鎖存器的使能端,鎖存器將計數結果鎖存,計數器停止計數并被單穩(wěn)2暫態(tài)清零. (簡單地說就是:在時基電路脈沖的上升沿到來時閘門開啟,計數器開始計數,在同一脈沖的下降沿到來時,閘門關閉,計數器停止計數.同時,鎖存器產生一個鎖存信號輸送到鎖存器的使能端將結果鎖存,并把鎖存結果輸送到譯碼器來控制七段顯示器,這樣就可以得到被測信號的數字顯示的頻率.而在鎖存信號的下降沿到來時邏輯控制電路產生一個清零信號將計數器

16、清零,為下一次測量做準備,實現了可重復使用,避免兩次測量結果相加使結果產生錯誤.) 若T=1s,計數器顯示fx=N(T時間內的通過閘門信號脈沖個數) 若T=0.1s,通過閘門脈沖個數位N時,fx=10N,(閘門時間為0.1s時通過閘門的脈沖個數).也就是說,被測信號的頻率計算公式是fx=N/T.由此可見,閘門時間決定量程,可以通過閘門時基選擇開關,選擇T大一些,測量準確度就高一些,T小一些,則測量準確度就低.根據被測頻率選擇閘門時間來控制量程.其原理圖如下：圖2 三、數字頻率計的電路組成3.1、放大整形電路圖3放大整形電路圖放大整形電路由晶體管3DG100與74LS00等組成，其中3DGl00

17、組成放大器將輸入頻率。為f x 的周期信號如正弦波、三角波等進行放大，與非門74LS00構成施密特觸發(fā)器，它對放 大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。3.2、時基電路圖4時基電路時基電路的作用是產生一個標準時間信號（高電平持續(xù)時間為 1s），由定時器555構成的多諧振蕩器產生。若振蕩器的頻率 f0 1/(t1 + t 2 )= 0.8Hz，則振蕩器的輸出波形如圖1中的波形II所示，其中t1=1s，t2=0.25s。由公式t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C，可計算出電阻R1、R2及電容C的值，則C=10Uf,R2= t2/0.7C=35.7K取標稱值36 KR1= （t1/0

18、.7C）- R2=107K取R1=47 K，RP=100 K3.3、邏輯控制電路圖5邏輯控制電路根據圖1所示波形，在計數信號II結束時產生鎖存信號IV，鎖存信號IV 結束時產生 清“0”信號 V。脈沖信號IV和V可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數決定。設所存信號IV和清“0”信號V的脈沖寬度tw相同，如果要求tw=0.02s，則得tw=0.45RextCext=0.02s 若取 Rext=10k，則 Cext=tw/0.45Rext=4.4F。由74LS123的功能（見下表1）可得，當 1R D 1B =1 觸發(fā)脈沖從1A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，

19、輸出端1Q可獲得一負脈沖，其波形關系正好滿足圖1所示的波形IV和V的要求。手動復位開關S按下時，計數器清“0”。功能表如下：表174LS123功芯片能表3.4、輸出實現器圖6頻率計算器表274LS90的不同接線方法鎖存器：鎖存器的作用是將計數器在1s結束時所計得的數進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示 此時計數器的值。如圖所示，1s計數時間結束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號IV，將此時計數器的值送譯碼顯示器，選用兩個8位鎖存器74L273可以完成上述功能。當時鎖存信號CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，從而將計數器的輸出值送到鎖存器的輸出端。高電平結束后， 無論D為何值，輸出端的狀態(tài)仍保持原來

20、的狀態(tài)不變，所以在計數期間內，計數器的輸出不會送到譯碼顯示器。表374LS273功能表表474LS43.5擴展電路設計圖2所示的是數字頻率計電路，其測量的最高頻率只能為9.999kHz,完成一次測量的時間約1.25s。若被測信號頻率增加到數百千赫茲或數兆赫茲，則需要增加頻率范圍擴展電路。頻率范圍擴展電路如圖7.3.3所示，該電路可實現頻率量程的自動轉換。其工作原理是：當被測信號頻率升高，千位計數器已滿，需要升量程時，計數器的最高位產生進位脈沖Q3，送到由74LS92與兩個D觸發(fā)器共同構成的進位脈沖采集電路。第一個D觸發(fā)器的1D端接高電平，當Q3的下跳沿來到時，74LS92的Q0端輸出主電平，則

21、第一個D觸發(fā)器的1Q端產生進脈沖并保持到清零脈沖到來。該進們脈沖使多路數據選擇器74LS151的地址計數器74LS90加1，多路數據選擇器將選通下一路輸入信號，即上一次頻率低10倍的分頻率信號，由于此時個位計數器的輸入脈沖的頻率比被測頻率fx低10倍，故要將顯示器的數乘以10才能得到被測頻率值，這可以通過移動顯示器上小數占的位置來實現。如圖7.3.3所示，若被測信號不經過分頻（100°輸出），顯示器上的最大值為9.999kHz，若經過101的一次分頻后，器上的最大值為99.99kHz，即小數點每向右移動一位，頻率的測量范圍擴大10倍。進位脈沖采集電路的作用是使電路工作穩(wěn)定，避免當千位

22、計數中位器計到8或9時，產生小數點的跳動。第二個D觸發(fā)器用來控制清零，即有進位脈沖時電路不清零，而無進位時則清零。當被測頻率降低需要轉換到低量程時，可用千位（最高位）是否為0來判斷。在此利用千位譯碼器74LS48的滅0輸出端RBO，當RBO端為0時，輸出為0，這時就需要降量程。因此，取其非作為地址計數器74LS90的清零脈沖。為了能把高位多余的0熄滅，只需把高位的滅0輸入端RBI接地，同時把高位的RBO與低位的RBI相連即可。由此可見，只有當檢測到最高位為“0”，并且在該1s內沒有進位脈沖時，地址計數器才清零復位，即轉換到最低量程，然后再按升量和的原理自動換擋，直至找到合適的量程。若將地址譯碼

23、器74LS138的輸出端取非，變成高電平以驅動顯示器的小數點h，則可顯示擴展的頻率范圍。圖7：頻率范圍擴展電路3.6電路調試接通電源后，用雙蹤示波器（輸入耦合方式置DC擋）觀察時基電路的輸出波形，應如7.3.1(b)所示的波形，其中t1=1s,t2=0.25s,否則重新調節(jié)時基電路中的R1和R2的值，使其滿足要求。然后，改變示波器的掃描速率旋鈕，觀察74LS123的腳和腳的波形，應有如圖7.3.1(b)所示的鎖存脈沖和清零脈沖的波形。將4片計數器74LS90的腳全部接氏電平，鎖存器74LS273的腳都接時鐘脈沖，在個位計數器的腳加入計數脈沖，檢查4位鎖存、譯碼、顯示器的工作是否正常。在放大電路

24、輸入端加入f=1kHz,Vp-p=1V的正弦信號，用示波器觀察放大和整形電路的輸出波形，應為與被測信號屆頻率的脈沖波，顯示器上的讀數應為1000Hz。四、結束語4.1.結論:通過這次的課程設計，在于軍老師熱心輔導和指導下順利完成啦。通過本次的課程設計，加深了我對數字電子技術模擬電子兩門課程的理解，強化了我對相關知識的記憶，提高了我對所學知識的應用。這極大擴展了我的視野，更加激發(fā)了我對這門課程的熱愛，在設計的過程中，由于綜合應用了各種學習、應用軟件，例如：word、auto CAD、protel繪圖等，不但整體上改了技能，還能從中獲得了成就感。通過這次設計，總的感覺是：有收獲。以前上課都是上一些最基本的東西而現在卻可以將以前學的東西作出有實際價值的東西。在這個過程中，我的確學得到很多在書本上學不到的東西，如：如何利用所需元件設計和用計算機來畫圖等等。但也遇到了不少的挫折，有時遇到了一個錯誤怎么找也找不到原因所在，找了老半天結果卻是元件放錯地方，有時更是忘了畫電源，設計中的題在課堂上不可能犯，在動手的過程中卻很有可能犯。特