简易数字频率计课程设计报告45962861.docx

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简易数字频率计课程设计报告45962861

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中北大学

课程设计说明书

学生姓名：

关星星学号：

48

学生姓名：

王子德学号：

45

学生姓名：

崔昱学号：

50

学院：

信息商务工程学院

专业：

电子信息工程

题目：

电子综合应用实践：

数字频率计设计

指导教师：

侯慧玲张权职称:

讲师

2010年1月8日

中北大学

课程设计任务书

0910学年第一学期

学院：

信息与通信工程学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

关星星学号：

48

学生姓名：

王子德学号：

45

学生姓名：

崔昱学号：

50

课程设计题目：

电子综合应用实践：

数字频率计设计

起迄日期：

2010年1月11日～2010年1月22日

课程设计地点：

201，503，1号楼教室

指导教师：

侯慧玲张权

系主任：

桂志国

下达任务书日期:

2010年1月8日

课程设计任务书

1．设计目的：

针对电子线路课程要求，对学生进行实用型电子线路设计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养学生运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

设计内容:

设计一个数字频率计。

设计要求及技术指标：

①   频率测量范围1Hz~10kHz，10kHz~100kHz，100kHz~1MHz；

②数字显示位数：

4位数字显示；

③被测信号幅度Vxm=（0.2~5）V（正弦波、三角波、方波）。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：

1电路原理图.

2仿真结果.

3课程设计说明书.

课程设计任务书

4．主要参考文献：

1.张顺兴.数字电路与系统设计.第1版.南京：

东南大学出版社，2004

2.邹其洪.电工电子实验与计算机仿真.第1版.北京：

电子工业出版社，2003.9

3.王玉秀.电工电子基础实验.第1版.南京：

东南大学出版社，2006

4.孙肖子.模拟电子技术基础.第1版.西安：

西安电子科技大学出版社，2001.1

5.谢自美.电子线路设计•实验•测试.第2版.武昌：

华中科技大学出版社，2000.7

6.张豫滇.电子电路课程设计.第1版.南京：

河海大学出版社，2005.8

5．设计成果形式及要求：

1电路原理图

2课程设计说明书

6．工作计划及进度：

2010年

1月11日~1月13日：

查资料；

1月14日~1月17日：

在指导教师指导下设计方案；

1月18日~1月21日：

在指导教师辅导下完成实验；撰写课程设计说明书；

1月22日：

答辩

系主任审查意见：

签字：

年月日

设计说明书应包括以下主要内容：

（1）封面：

课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间

（2）设计任务书

  （3）目录

  （4）设计方案简介

  （5）设计条件及主要参数表

  （6）设计主要参数计算

  （7）设计结果

  （8）设计评述,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会

  （9）参考文献

目录

第一章设计要求7

整体功能要求7

系统结构要求7

测试指标7

4.扩展指标8

第二章整体方案设计8

2.1算法设计8

2.2整体方框图及原理9

第三章单元电路设计12

3.1时基电路设计12

3.2闸门电路设计13

3.3控制电路设计15

3.4小数点显示电路设计17

3.5整体电路图17

3.6整机原件清单19

第四章测试与调整19

4.1时基电路的调测19

4.2显示电路的调测20

4-3计数电路的调测21

4.4控制电路的调测22

4.5整体指标测试26

第五章设计小结26

5.1设计任务完成情况26

5.2问题及改进27

5.3心得体会28

附录28

第一章设计要求

1.整体功能要求

频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。

2.系统结构要求

数字频率计的整体结构要求如图所示。

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项目------频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。

数字频率计整体方案结构方框图

3.测试指标

3.1被测信号波形：

正弦波、三角波和矩形波。

3.2测量频率范围：

分三档：

1Hz~999Hz

0.01kHz~9.99kHz

0.1kHz~99.9kHz

3.3测量周期范围：

1ms~1s。

3.4测量脉宽范围：

1ms~1s。

3.5测量精度：

显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误差）。

3.6当被测信号的频率超出测量范围时,报警.

4.扩展指标

要求测量频率值时，1Hz~99.9kHz的精度均为+1。

第二章整体方案设计

2.1算法设计

频率是周期信号每秒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。

被测信号

图2-2频率测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，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。

该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1s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1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s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1s内被测信号的周期量误差在10̄³量级，则要求闸门信号的精度为10̄⁴量级。

例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10̄⁴，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合5*10̄³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*10̄³范围内。

但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信号为0.5Hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍是1s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，则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.

2.2整体方框图及原理

输入电路：

由于输入的信号可以是正弦波，三角波。

而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，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若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。

频率测量：

测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3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。

时基信号由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，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。

周期测量：

测量周期的原理框图2-4.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号通过闸门的重复周期个数。

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。

时基电路：

时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为

T1=0.7（Ra+Rb）CT2=0.7RbC

重复周期为T=T1+T2。

由于被测信号范围为1Hz~1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若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给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档：

1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz~99.9kHz档采用0.01s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。

使得能够产生1kHz的信号。

这对后面的测量精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号。

控制电路工作波形的示意图如图2-5.

第三章单元电路设计

3.1时基电路设计

图3-1时基电路与分频电路

它由两部分组成:

如图3-1所示，第一部分为555定时器组成的振荡器（即脉冲产生电路）,要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:

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1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。

在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。

第二部分为分频电路,主要由4518组成（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1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。

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输入保持高电平，且在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Q³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1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz、10Hz和1Hz的方波。

图3-21kHz的方波分频后波形图

3.2闸门电路设计

如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。

74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。

当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011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）。

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下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。

100Hz的方波作为4