課程設計——數字頻率計

1、貴州大學課程設計 第14頁目錄目錄1簡易數字頻率計2摘要2前言2本論2一、數字頻率計設計原理21.基本原理22. 頻率計的基本組成框圖33.邏輯控制電路44.鎖存器65.脈沖形成電路66.閘門電路、77.擴展電路8二、設計內容與要求9三、電路設計與測試9四、測試數據與誤差分析11總結12致謝12參考文獻12附錄13簡易數字頻率計摘要數字頻率設計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。它是一種十進制數字顯示被測信號頻率的數字測量儀器。他的基本功能是測量正弦信號、方波信號及其他各種單位時間內變化的物理量。而且還可以測量他們的周期。經過改裝，可以測量脈沖寬度，做成數字式脈寬測量

2、儀；可以測量電容做成數字式電容測量儀；在電路中增加傳感器，還可以做成數字脈搏儀、計價器等。因為數字頻率計在測量方面有廣泛的應用。關鍵字：數字頻率計，Proteus，課程設計，邏輯電路，譯碼器。前言隨著電子信息產業(yè)的發(fā)展，信號作為其最基礎的元素，其頻率的測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要，而且需要測頻的范圍也越來越寬。數字頻率計是主要用來顯示被測頻率的大小的裝置，其廣泛應用于許多設計復雜、功能多樣的電子設備中，雖然其功能復雜，但是使用起來既簡單又方便。本課程設計是為了達到學以致用的能力，把所學的電子技術應用到實際生活中去，鞏固學生所學知識等而進行的。課程設計既要理論聯系實際，又要通過學生自

3、己的設計對理論知識牢固而靈活的掌握，著重培養(yǎng)了學生的實際動手能力。本論一、數字頻率計設計原理1.基本原理數字頻率計是直接用十進制數字來顯示被測量信號頻率的一種測量裝置，它不僅可以測量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。測頻的基本原理是，若T為時間間隔，N為T內測得的周期信號重復變化次數，則其頻率可表示為f=。計數譯碼顯示閘門電路脈沖形成電路fx門控電路時基信號發(fā)生器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

4、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。2. 頻率計的基本組成框圖簡易數字頻率計的組成框圖和波形圖如下所示。 a 圖表 1 b譯碼顯示器鎖存器計數器閘門電路器時基電路放大整形電路邏輯控制電路x鎖存計數清“0”TxN主要功能：4位十進制數顯示、小數點自動定位；主要技術指標頻率測量范圍

5、1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ； 頻率準確度 -3；被測信號幅度Vxm=0.2V5V（正弦波、方波、三角波）3.邏輯控制電路根據圖1（b）所示時序波形，在標準信號結束時所產生的負跳變用來產生鎖存信號，鎖存信號的負跳變又用來產生清“0”信號，他們的脈沖寬度由本身電路的參數所決定。因此這兩個脈沖信號和可以由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產生，其電路圖如圖2所示，其中74LS123是集成電路可重復觸發(fā)的單穩(wěn)定觸發(fā)器，其內部有兩個完全獨立的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。74LS123的功能表如表3所示。圖表 2圖表 3設鎖存信號和清“0”信號的脈沖寬度tw相同，如果tw=0.02s,可由式tw=0

6、.45RextCext來計算時間常數RextCext=0.02s時的值。因為tw=0.45RextCext=0.02s若取Rext=10K,則Cext=tw/0.45Rext=4.4F取標準值4.7F。當CLR=1，觸發(fā)脈沖從A輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出端Q可獲得一正脈沖，Q非端可獲取一負脈沖，其脈寬tw由Rext決定。4.鎖存器鎖存器的作用是將計數器在1s結束時的計數值進行所存，使顯示器上獲得的穩(wěn)定的測量值。因為計數器在1s內要計成千上萬個輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數字將隨計數器的輸出而變化，不便于讀數。1s計數時間結束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號IV，將計數器此時的值送

7、譯碼顯示器，因此顯示器的數字是穩(wěn)定的。選用鎖存器74ls273可以完成上述鎖存功能。如圖4所示，采用2片74ls273構成的16位二進制的輸出鎖存器的連接電路。當時鐘脈沖信號CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D，從而將4個十進制計數器即個位、十位、百位及千位的輸出值送到鎖存器的輸出端。由鎖存器74ls273的功能可知，正脈沖結束后，無論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以在計數時間內，計數器的輸出不會送到譯碼顯示器。圖表 45.脈沖形成電路脈沖形成電路的作用是將輸入的周期性信號如正弦波、三角波或者其他周期性變化的波形變換成脈沖波，其周期不變。將其他波形變換成脈

8、沖波的電路有多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，其中施密特觸發(fā)器的應用較多。構成施密特觸發(fā)器的器件有運算放大器、集成邏輯門、集成觸發(fā)器、集成定時器555等。我采用的是集成定時器555構成的施密特觸發(fā)器，其電路圖如圖5所示。圖表 5圖中R10與R11的作用是將被測信號進行移動。因為集成定時器555構成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平VT+=2Vcc/3,下觸發(fā)電平VT=Vcc/3.回差電平VT為VT=VT+VT即 VT=1/3Vcc6.閘門電路、閘門電路的作用是控制計數器的輸入脈沖。當標準信號（1s正脈沖）來到時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門進入計數器計數；標準時間脈沖結束時（為低電平時

9、），閘門關閉，計數器無時種脈沖輸入。可見閘門電路的邏輯功能可以由一個與非門來完成，如圖6所示。標準時間為1s的脈沖是由定時器555構成的多振蕩器電路產生的（當標準時間的精度要求較高時，應通過晶體振蕩器分頻獲得），取振蕩器的頻率=0.67Hz，則振蕩器的輸出波形如圖所示，其中T=（R+R）Cln20.7（R+R）C可以計算電阻R1、R2及電容C的值，即 T=0.7（R+R）C T=0.7RC若取電容C=10F，則 R6= =35.7K R7=107.2K圖表 67.擴展電路擴展電路的功能是使數字頻率計對頻率范圍和電壓范圍更寬的信號都能進行測量。（1） 擴展電路的頻率范圍。擴展測量頻率范圍電路可以

10、實現測量范圍的自動切換。其工作原理是：當計數器計滿時，最高位產生進位單位脈沖Qcc,，使多路數據選擇器的地址計數器加1，多路數據選擇器將選通下一路數據輸入信號，即為上一次頻率的1/10的分頻信號，因此只要將顯示器的數乘以10就得到被測頻率值，這可以通過移動顯示器上的小數點位置來實現。（2） 擴展被測信號的幅度范圍。采用如圖7所示電路，可以擴展被測信號的幅度范圍。當輸入信號Vx的幅度較大時，可以先經過電阻網絡衰減，在經過相同運算放大到施密特整形電路所需的信號幅度。當輸入信號的幅度太小，如數毫伏時，則可直接進行線性放大，再經過施密特觸發(fā)器整形。圖表 7二、設計內容與要求(1) 被測信號的頻率范圍為

11、1Hz999KHz，分為4個檔位：1Hz,10Hz,100Hz,1KHz。(2) 被測信號幅度Vxm=0.5(正弦波、三角波、方波)。(3) 用3為數碼管顯示測量數據，測量誤差小于10%。(4) 設計頻率計相應的單元電路。(5)設計頻率計的整機電路并畫出框圖和總電路圖。三、電路設計與測試（1）計數、顯示電路如圖8所示。圖表 8（2根據各電路原理及功能，設計出總電路圖如圖8所示。圖表 9四、測試數據與誤差分析實驗數據如下表所示：實際數據測量數據誤差誤差百分比5Hz5 Hz00150Hz149Hz1Hz0.67%400Hz396Hz4Hz1%515Hz510Hz5Hz0.9%1000Hz996Hz

12、4Hz0.4%1.5kHz1.5kHz003kHz3kHz004.5kHz4.5kHz005kHz5kHz009kHz9kHz0012kHz11.9kHz100Hz0.8%20kHz20kHz0050kHz50kHz0095kHz94.9kHz100Hz0.1%120kHz121kHz100Hz0.08%200kHz200kHz00500kHz500kHz00950kHz949kHz1000.1%圖表 10總結數字頻率計是數字電路中一個典型的應用，實際的硬件設計用到的器件較多，連線比較復雜，而且會產生較大的延時。隨著復雜可編程邏輯器件的廣泛應用，將使整個系統大大簡化，提高整體性能。通過本次課程

13、設計，對仿真軟件更好的掌握了，了解了數字頻率計測頻率與測周期的基本原理，熟練掌握數字頻率計的設計與調試方法及減小測量誤差的方法，鍛煉了我們的動手思考能力和創(chuàng)新思想，為以后的學習更深的知識和工作打好了堅實基礎。致謝感謝老師對我相關知識的傳授和課程設計的指導，感謝同學在課程設計中對我的問題的解答和幫助，有了老師和同學的幫助，才是我這次課程設計得以完成。通過本次課程設計，我對Proteus軟件的應用更好的掌握了，用這個軟件完成對電路的設計。在設計中我們隊很多方面的設計總是不理想，但通過向同學的請教、自己的查找資料，以及與一些老師的交流，設計出了合適的電路。當把所設計的所有分塊電路組合起來卻出現了一些

14、問題，這些問題可能是在設計之初沒有考慮到全局的各各方面導致的。但是憑借對軟件的掌握，對電子技術課程的透徹理解，讓我改進了電路，基本上完成了指標。讓我感到了成功的喜悅。通過該課程設計，我對于數字電子技術的理論知識也有了更深厚的理解，并且體會到了在努力學習知識重要性。謝謝！參考文獻數字電路邏輯設計 王毓銀主編電子技術基礎 康華光主編子技術實驗指導 王愉節(jié) 竇勤耘 編附錄（1） 計算機程序Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與