简易频率计课程设计.docx

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1、1技术要求及系统结构I技术要求1系统结构12设计方案及工作原理2算法设计2工作原理33组成电路设计及其原理63.1时基电路设计及其工作原理6闸门电路设计73.3控制电路设计83.4小数点控制电路9103.6元件清单104设计总结11参考文献H附录112附录217简易数字频率计是一种用四位十进制数字显示被测信号频率(IHZ-100KHZ)的数字测量仪器.它的根本功能是测量正弦波，方波，三角波信号，有四个档位(XI,10,X1.OO.10O0),并能使用数码管显示被测信号数据，本课程设计讲述了数字频率计的工作原理以及其各个组成局部，记述了在整个设计过程中对各个局部的设计思路、对各局部电路设计方案的

2、选择、元胧件的筛选、以及在设计过程中的分析，以确保设计出的频率计成功测量被测信号.关键诃：简易数字频率计十进制信号频率数码管工作原理1技术要求及结构本设计可以采用中、小规模集成芯片设计制作一个具有以卜功能的数字频率测量仪。(1)要求测量频率范围IHZ-100KHz,量程分为4档，即XI、X10、X1.O0、X1.OO0。(2)要求被测量信号可以是正弦波、三角波和方波。要求测试结果用数码管表示出来，显示方式为4位十进制。1.2系统结构数字频率计的整体结构要求如图IT所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的工程频率、周期或脉宽，假设测量频率那么进一步选择档位

3、。-被测信号A浦及电路J显示电路档位转换图1-1数字频率计系统结构框图2设计方案及工作原理2.1算法设计频率是周期信号每杪钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图.闸门信号信号被测信号.11I111I1I11III1.I1.t图27频率测量算法示意图图2-2频率漓量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用了产生脉冲宽度为IS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Is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IS闸门结束时，闸门再次关闭，

4、此时计数器记录的周期个数为IS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IS内被测信号的周期限误差在107星级，那么要求闸门信号的精度为10-Ti1.：级。例如，当被测信号为IkHz时,在IS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”,闸门信号的误差不大于0Is,固由此造成的计数误差不会超过1,符合5*10t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*107葩圉内。但是这算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的碇点，例如,当被测信号为05Hz时

5、其周期是2s,这时闸门脉冲仍未Is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,那么闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是IoS的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.2.2工作原理输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的伸I门或计数电路要求被测信号为矩形波.所以需要设计个整形电路那么在测量的时候，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假设不能驱动后面的整形电路，那么调

6、节输入放大的增益，时被测信号得以放大。1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，作为计数潺的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就到达了测量频率的目的，酊2-3泅量频率的原理框图周期测量：测量周期的原理框图27.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

7、号通过闸门的IR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.图2-4测量周期的原理粒图时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个河态时间分别重纪周期为T=T1T2。由于被测信号范围为1Hz-1MHz,如果只采用种闸门脉冲信号,那么只能是IoS脉冲宽度的闸门信号，暇设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绐用户带来不便，所以可将须率范围设为几档：1.1.1.z999Hz档采用Is闸门脉宽:0.OIkHZ9.99kHz档采用0.Is闸门脉宽：0

8、.1.kHz99.9kHz档采用0.O1.s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。使得能膨产生IkHZ的信号。这对后面的测量祜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

9、号。控制电路工作波形的示意图如图2-5.3组成电路设计及其工作原理3.1时基电路设计及其工作原理图31(a多谐振荡器如图3T（八）,由555定时器和外接元件飞、上、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连.电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过用、R：向C充电，以及C通过向放电端C1放电，使电路产生振荡。电容C在：Ve和1VE之间充电和放电，其波形如图63(b)所示。输出信号的时间参数是T=t,-tt,j,t.=0.7(R+RjC,t,jjC555电路要求R与艮均应大于或等于IKQ,(HR,+Ri外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即

10、可获得较高精度的振荡缴率和具有较强的功率输出能力，cvsyvKryCOtxXR9W2130)202，2QIIe2Jv”:cr图3T(b)时基电路与分频电路本设计由两局部组成：如图3T(b)所示，第一局部为555定时器组成的振荡器(即冰冲产生电路)，要求其产生100OHz的脉冲.振荡版的频率计算公式为: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IuE这样我们得到了比拟稳定的脉冲。在R1.和R3之间接了一个IOK的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近IKHz的频率.第二局部为分频电路,主要由4518组成(

11、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100OHz的脉冲，也就是我周期是0.OO1.S,而时基信号要求为O.()1.s,0.1s和Is。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辘入保持高电平，口在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Q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。如图3-2所示,555产生的IkHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz,IOHz和IHZ的方波。图3-2时

12、基电路与分频电路波形图闸门电路设计如图3-3所示，通过74151数据选择港来选择所要的10分频、100分频和100O分频。74151的CBA接拨盘开关来时选频进行控制1,当CBA输入()01时74151输出的方波的孩率是1Hz；当CBA输入O1.O时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入O1.1.时74151输出的方波的频率是100Hz：这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图(4017的管脚图、功能表和波形图详见附录1)。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP,CR,INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和

13、下降时间无限制，INH为低电平时,计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端,如图3-3,信号通过4017后，从Q1.输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1.的输出信号高电平持续的时间为IOtns,那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。SSBT1.MB=:s.149图3T闸门电路波形3.3控制电路设计通过分析我们知道控制电路这局部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.比方频率.周期，脉宽I可时控制电路还要产生.74160的清零信号，4511的锁存信号.hF二E造器配丁:5:3:卷F温

14、温道.1.r1.1.se:?;:,:)一ip,TTi5-TvuM!svQa且r二一且“InTITrn港标据：瘪1.二-TTs三1.z:。1，RnnnnAN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CB八接OOh010,O1.1.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的时候实现的是测圻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、C1.R段消零信号波形、4511锁存端波形图，其中第个波形是被测信号的波形图、第二个是PT端输入信号的

15、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。C1.R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涔进行了清零。根据4511（4511的管脚图和功能表详见附录1）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锁为的话,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。根据图可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时4511的1.E端的输入信号也刚好到达下降沿。3.4小数点控制电路在测量频率的时候，由于分4个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。如CBA接011测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.100KHz-O.999KHz,那么在显示的时候四个数码管的第二个数码管的小数点要显示。CBA接()10测圻频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01K1.1.z-9.99KHz,那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。比照下两个输入的上下电平可以发现C