数字频率计的设计作业汇总Word文件下载.docx

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1.课题来源:

老师下发

2.目的意义:

（1）会运用电子技术课程所学到的理论知识，独立完成设计课题。

（2）学会将单元电路组成系统电路的方法。

（3）熟悉中规模集成电路和半导体显示器件的使用方法。

（4）通过查阅手册和文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。

培养严肃认真工作作风和严谨的科学发展。

3.基本要求:

⊙测量信号:

方波

⊙测量频率范围:

1Hz～9999Hz;

10Hz～10KHz；

⊙显示方式:

4位十进制数显示;

⊙时基电路由555定时器及分频器组成,555振荡器产生脉冲信号,经分频器分频产生的时基信号,其脉冲宽度分别为:

1S,0.1S;

⊙当被测信号的频率超出测量范围时,报警.

课程设计评审表

指导教师评语：

成绩：

签字：

日期：

目录

1设计任务要求…………………………………………………….………

2方案比较………………………………………………………….………

3单元电路设计…………………………………………………….………

4元件选择（要求计算元件参数）………………………………….……

5整体电路（标出原元件型号和参数、画出必要波形图）………………

6说明电路工作原理…………………………………………………………

7困难问题及解决措施…………………………………………….…………

8总结与体会…………………………………………………………………

9致谢……………………………………………………………….…………

10参考文献……………………………………………………….…………

1、设计任务要求

1.1可测量方波信号频率。

1.2测量频率范围在1Hz~9999Hz;

10Hz~10KHz之间。

1.3以4位十进制数显示。

1.4时基电路由555振荡器产生脉冲信号,经分频器分频产生时基信号,其脉冲宽为1s，0.1s。

1.5当被测信号的频率超出测量范围时,报警。

1.6用protel设计硬件线路。

1.7按单元电路详细说明硬件线路设计思路，元件参数，选取根据。

1.8要求电源电路等附属电路也要自行设计。

2、方案比较

方案一：

系统采用MCS——51系列单片机8032作为控制核心，门控信号由8032内部的计数定时器产生，单位为1µ

s。

由于单片机的计数频率上限较低（12MhZ晶振时约500khz），所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，8032则完成运算、控制及显示功能。

由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。

方案二：

运用555定时器构成的多谐振荡器电路，使其产生时钟脉冲，即为有一定频率或周期的方波信号，再使用一个555定时器构成的施密特电路对待测波形进行调整，无论待测信号为方波、尖顶波还是正弦波都可以调成同一周期的方波信号，然后用一个与门将两个555产生的不同方波连接起来再与两个计数器连接。

因为时基电路输出的信号为循环信号，为了得到不重复的单稳态信号，在计数器上接D触发器，能控制计数器的正向输出。

计数器的输出连接一个锁存器，能将所需数字正确锁定，最后是译码器和七段显示器，显示出正确的频率。

如果一次循环结束，将电源断开即计数结束。

由于本课程设计要求用555定时器，所以选择方案二。

3、单元电路设计

3.1放大整形电路

放大整形电路由晶体管放大器与74LS00等组成，放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。

与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。

放大整形电路由晶体三极管3DG100与74LS00等组成。

其中3DG100组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。

与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，从而得到方波脉冲。

3.2计频显示单元

这部分电路是频率计内作重要的电路部分，由计数器、锁存器、译码器、显示器和单稳态触发器组成。

其中计数器按十进制计数，由2个异步十进制计数器74ls90构成，一次从个位开始计数，向上位发出进位信号进而使高位开始计数。

计数输出如果电路中不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化，要使计数器停止计数时，显示器上的数字显示能稳定，就必须在计数器后接入锁存器。

锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。

门控信号的下降沿使单稳态触发器1进入暂稳态，单稳1的上升沿作为锁存器的时钟脉冲。

为了使计数器稳定、准确的计数，在门控信号结束后，锁存器将计数结果锁存。

单稳1的暂态脉冲的下降沿使单稳2进入暂态，利用2的暂态对计数器清零，清零后的计数器又等待下一个门控信号到来重新计数。

锁存器的作用是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存，使显示器稳定地显示此时计数器的值。

1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送至数码显示器。

选用锁存器74LS273可以完成上述功能。

当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。

正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变。

所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。

锁存器在一个有效脉冲到来后将计数器输出信号锁存，并输出到数码管译码器，4片译码器用74LS48实现。

3.3闸门电路

测量控制电路（闸门电路）：

用于控制输入脉冲是否送给计数器计数。

由一个数字逻辑元件与非门来独立完成，其一端输入高电平持续时间为1s（0.1s）的时基信号，另一端输入经过放大整形后的未知频率的待测信号，与非门的输出端接低位计数器的信号输入端。

3.4时基电路

时基电路的作用是产生一个标准时间信号，高电平持续时间是1s，由定时器555构成的多谐震荡器产生，当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体震荡器分频获得。

若震荡器的频率，其中。

由公式和，可计算出电阻R1、R2及电容C的值。

若取电容C=10uF，则

kΩ

kΩ

所以取为36kΩ，为107kΩ。

3.5逻辑控制电路

在时基信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清“0”信号。

脉冲信号可由两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。

设锁存信号和清“0”信号的脉冲宽度相同，如果要求tw=0.02s，则有tw=0.45Rx/Cx=0.02s，若取Rx=10kΩ，则Cx=tw/0.45Rx=4.4uf，取标称值4.7uf,由74LSl23的功能表可得，当,触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一正脉冲端,一非Q端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足要求。

四、元件选择

主要元器件清单

主要元件

参数、用途

数量

DpyRed-CC

共阴极数码管

4

74LS48

4线8线译码器

74LS273

锁存器

2

74LS90

计数器

74LS123

逻辑控制电路

74LS00

与非门

8

74LS04

非门

1

74LS160

蜂鸣器

报警用

555定时器

生成脉冲

电阻

1k，3.3k,5.1k，10k,18k，39k，47k

10

电容

0．01,0.1,4.7,10,100,2200

9

可变电阻

10K，1K

3

2N3904

三级管

高压器

电源

整流桥

电源整流

L7805

稳压三极管

开关

单刀双掷、单刀单掷

三极管的选择一般要考虑两个问题：

一是放大器输入信号的幅度，放大器需要放大多少倍，其输出才能满足数字电路的触发电平。

二是放大电路的设计。

假定给出具体电路（考虑到被测频率的高频段频率较高，故选用高频管3DG，β100。

当输入信号过小时，应增加放大器的级数。

74LS48是输出高电平有效的译码器，内部有升压电阻，因此可以直接与显示器相连接。

为了使整数数值最前面的零不显示，将数码管显示器最高位的脉冲消隐输入接地，并将高位的脉冲消隐输出与低位的脉冲消隐输入相连。

五、整体电路

六、说明电路工作原理

所谓频率，就是周期性信号在单位时间内变化的次数．若在一定时间间隔t内测得这个周期性信号的重复变化次数为n，则其频率可表示为

若在闸门时间1S内计数器计得的脉冲个数为n，则被测信号频率等于nHz。

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。

它一般由放大整形电路、时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、锁存器、译码器、显示器等几部分组成。

其基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。

通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。

计数信号并与锁存信号和清零复位信号共同控制计数、锁存和清零三个状态，然后通过数码显示器件进行显示。

七、困难问题及解决措施

在设计的555构成多谐振荡器输出的方波信号，由于电路里面使用的电容元件，在实验的时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，把产生的方波信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使输出的信号非常接近1KHz，这样的话在后面的测量中会减小误差。

在调测计数显示电路的时候，在连接4511元件的时候忘记了将4511的5端接地，导致数码管无法计数，在实验的过程中，连接好电路以后，发现没反应，然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输出信号，看看是不是和理论的一样。

找出不符合理论的那部分，对照电路图进行检查修改，最后发现有的芯片的使能端没有接地，导致元件的功能没有实现。

所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。

不然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。

在最终测量频率很低的时候，那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。

例如，当被测信号为0.5Hz时，其周期为2s，这时闸门的脉冲仍为1s显然是不行的。

故应该加宽闸门脉冲的宽度假设闸门脉冲宽度加至10S，则闸门导通期间可计数5次，由于计数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.加宽闸门信号也会带来一些问题：

计数结果要进行除以10的运算，每次测量的时间最少要10s，时间过长不符合人们的测量习惯，由于闸门期间计数值过少，测量的精度也会下降。

为了克服测量低频信号时的不足，可以使用另一种算法。

将被测信号送入被测信号闸门产生电路，该电路输出一个脉冲信号，脉宽与被测信号的周期相等。

再用闸门产生电路输出的闸门信号控制闸门电路的导通与开断。

设置一个频率精度较高的周期信号（例如10KHz）作为时基信号，当闸门导通时，时基信号通过闸门到达计数电路计数。

由于闸门导通时间与被测信号周期相同，则可根据计数器计数值和时基信号的周期算出被测信号的周期T。

T=时基信号周期*计数器计数值。

再根据频率和周期互为倒数的关系，算出被测信号的频率f。

这里面就提供一个思想。

没有通过实践去验证。

不可避免，这个算法也有它自己的缺陷。

还有就是从手动换挡，到只可进或只可