数字式频率计设计说明.doc

数字式频率计的设计摘要在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量显得更为重要数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一,同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器数字频率计是在规定的基准时间内把测量的脉冲数记录下来,换算成频率并以数字形式显示出来数字频率计用于测量信号〔方波,正弦波或其他周期信号的频率,并用十进制数字显示,它具有精度高,测量速度快,读数直观,使用方便等优点测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点本次设计的数字频率计以555为核心,采用直接测频法测频,能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等根据显示的频率范围,用4片10进制的计数器构成1000进制对输入的被测脉冲进行计数；根据输入信号的幅值要求,所以要经过衰减与放大电路进行检查被测脉冲的幅值；由于被测的波形是各种不同的波,而后面的闸门或计数电路要求被测的信号必须是矩形波,所以还需要波形整形电路,通过这些整体要求,由显示部分,计数部分,逻辑控制部分,时基电路部分,构成简易的频率计的设计目录一．设计任务和要求 31.设计任务32.设计要求3二．系统设计 41.系统要求42. 方案设计53.系统工作原理6三．单元电路设计 81.时基电路部分82.计数显示部分电路113.控制电路设计如下14四．电路仿真分析 15五．元器件的选择及参数确定 171.电路调试172系统功能及性能测试183.电路安装204.调试21参考文献 25总结及体会 26附录 28一．设计任务和要求1.设计任务设计一个数字式频率计。

2.设计要求1、能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频率；2、能直接用十进制数字显示测得的频率；3、频率测量范围：1HZ—10KHZ且量程能自动切换；4、输入信号幅度范围为0.5—5V,要求仪器自动适应5、测量时间：t≼1.5s6、电源：220V/50HZ的工频交流电供电； 〔注：直流电源部分仅完成设计即可,不需制作,用实验室提供的稳压电源调试,但要求设计的直流电源能够满足电路要求7、按照以上技术要求设计电路,绘制电路图,对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真,用万用板焊接元器件,制作电路,完成调试、测试,撰写设计报告发挥部分：1、测量频率范围为0.1-10KHZ；2、输入信号幅度范围为0.1—100V,要求仪器自动适应；3、用数字频率计测量信号周期二．系统设计1.系统要求数字频率计的原理：频率计又称为频率计数器,是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时,则被测信号的频率f=N/T式中f——频率N——电振动次数或脉冲数t——产生N次电振动或脉冲所需要的时间原理图如下所示：译码显示器逻辑控制电路↑锁存器→计数器闸门电路放大整形电路时基电路↑→→→↑↑↑↑∣↑被测信号2. 方案设计根据设计的要求,和数字式频率计的设计原理,信号之间的时序关系图,选择正确的方案。

首先,必须把各种被测信号通过放大整形电路,使其成为规矩波,这是计数的基础和前提其次,实现频率测量的另一必备环节是时基电路控制电路所谓时基控制电路,就是产生时间标准信号的电路装置,产生1s的闸门时间,在1s内统计脉冲数,即测得的频率时基电路可以有晶振组成,也可以由555定时器组成晶振产生较高的标准频率,经分频器后可获得各种时基脉冲〔1ms,10ms,0.1s,1s等,时基信号的选择由开关S2控制被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端,如果被测信号为方波,放大整形可以不要,将被测信号直接加到主控门的输入端时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门,只有在闸门信号采样期间内〔时基信号的一个周期,输入信号才通过主控门若时基信号的周期为T,进入计数器的输入脉冲数为N,则被测信号的频率f＝N / T,改变时基信号的周期T,即可得到不同的测频范围当主控门关闭时,计数器停止计数,显示器显示记录结果此时控制电路输出一个置零信号,经延时、整形电路的延时,当达到所调节的延时时间时,延时电路输出一个复位信号,使计数器和所有的触发器置0,为后续新的一次取样作好准备,即能锁住一次显示的时间,使保留到接受新的一次取样为止。

由于在理论学习中学习了555芯片,所以为了能更好的联系学习的理论知识,本次设计选用555做成标准时间信号发生器一般计数器则采用十位计数器,N进制的计数器也就是N分频器,其N进位信号也可作为N分频信号根据原理图,被测量信号经过放大与整形电路传入十进制计数器,变成其所要求的信号,此时数字频率计与被测信号的频率相同,时基控制电路提供标准时间基准信号,此时利用所获得的基准信号来触发控制电路,进而得到一定宽度的闸门信号,当1s信号传入时,闸门开通,被测量的脉冲信号通过闸门,其计数器开始计数,当1s信号结束时闸门关闭,停止计数根据公式得被测信号的频率f=N/T3.系统工作原理根据数字频率计的设计原理,和选择的方案,得出如下算法设计：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周期测量：测量周期的原理框图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+RbC T2=0.7RbC重复周期为 T=T1+T2 三．单元电路设计1.时基电路部分时基电路部分电路如下：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/<*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1s4518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555定时计数器的接线图如下所示：本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3.2.1所示555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件引出端符号：地GND；触发 TRI；输出 OUT；复位 RST；控制电压 CON；门限〔阈值 THR；放点 DIS；电源电压 VCC改变电阻和电容的值,可改变输出脉冲宽度,从而可以用于定时控制电路的脉冲宽度表达式为TW=1.1RC取R2=1.5,R1=4.3Ω,根据1.1RC=2,则有C=10.1uf,所以取10uf74LS90是二,五,十进制异步计数器。

异步计数器如果设定初态,在每个脉冲的作用下是按顺序变化的〔态序二进制计数器的每一状态相当一最小项,当最后一个脉冲到来后,电路返回原状态接通电源后,电容被充电,当上升到时,使为低电平,同时放电三极管T导通,此时电容C通过和T放电,下降当下降到时,翻转为高电平电容器C放电所需的时间为当放电结束时,T截止,将通过、向电容C充电,由上升到所需的时间为当上升到时,电路又翻转为低电平如此周而复始,于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波其振荡频率为由NE555的三脚产生脉冲使74LS160计数,但74LS160计数到9时TC 端产生进位脉冲开启计数器的计数功能,一秒之后计数器处于保持状态2.计数显示部分电路由共阴极数码管负责数字的显示,还有七段译码器4511,计数器74LS90构成,各芯片的资料如下所示由于在设计过程中,控制电路这部分比较难,要花时间在上面设计电路为了节约时间,我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路首先是对数码管的显示进行了调测显示电路的调测由于在设计过程中,控制电路这部分比较难,要花时间在上面设计电路为了节约时间,我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。

首先是对数码管的显示进行了调测如图所示接好显示电路〔这里就只给出一个数码管说明一下然后将4511的5端接地然后给4511的对应端分别接高低电平,数码管就会显示对应的数字同样,还有两个数码管也按上图接好接好后的测试方法同上这样,显示电路也就搞好了其中有关于4511BD芯片的功能介绍如下：CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器,常用的显示译码器件,MAX7219和他功能差不多CD4511引脚功能： BI：4脚是消隐输入控制端,当BI=0 时,不管其它输入端状态是怎么样的,七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态 LE：锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出 LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值 LT：3脚是测试信号的输入端,当BI=1,LT=0 时,译码输出全为1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮全部显示它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端,输出为高电平1有效CD4511的里面有上拉电阻,可直接或者接一个电阻与七段数码管接口CD4511引脚资料：计数电路按照图4-2所示连接好,将74160的PT端,~CLR端,~LD端都接高电平,3个74160级联,构成异步十进制计数器。

同时4511的5端要接0,在调测的过程中,我忘记将其置零,导致在后面数码管一直不显示数字接好后,给最低位的74160一个CP信号让函数信号发生器产生一个频率适当的方波这样,计数器就开始计数了数码管从0000~9999显示计数电路就这样搞好了在调测的过程中,74160的~CLR端,~LD端,4511的5端都是用临时的线连接因为在后面这些端都是连接控制电路产生清零、锁存信号的输出端3.控制电路设计如下U1374LS112N~1CLR151J31K21CLK1~1PRE。