电子频率计课程设计报告

物理与电子工程学院

课程设计

题目:简易频率计

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指导教师

数字频率计数器

电子工程师经常需要测量频率、时间间隔、相位和对事件计数，精确的测量离不开频率计数器或它的同类产品，如电子计数器和时间间隔分析仪。

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。

频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。

衡量频率计数器主要指标是测量范围、测量功能、精度和稳定性，这些也是决定价格高低的主要依据。

关键词：频率计；数码管；锁存器；计数器；定时器

1课程设计目的 (1)

2课程设计的指标 (1)

3课程设计报告内容 (1)

3.1设计方案的选定与说明 (1)

3.1.1方案的设计与论证 (2)

3.2论述方案各部分工作原理 (3)

3.2.1时基电路 (3)

3.2.2计数器 (5)

3.2.3锁存器 (6)

3.3设计方案的图表 (7)

3.3.1设计原理图 (7)

3.4编写设计说明书 (8)

3.4.1设计说明 (8)

3.4.2性能技术指标与分析 (9)

4仿真结果 (10)

5总结 (11)

参考文献 (12)

附录 (13)

附录A 元器件清单 (13)

附录B 设计电路 (13)

1课程设计目的

1)掌握中、小规模集成电路设计与制作的方法。

2)进一步培养学生对数字电路的综合应用能力和设计能力。

3)熟悉并掌握Multisim软件。

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。

2课程设计的指标

频率计技术指标：

频率测量范围：1～9999Hz

输入电压幅度：300mV～3V

输入信号波形：任意周期信号

显示位数： 4位

电源： 5V

3课程设计报告内容

3.1设计方案的选定与说明

数字频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种物理量的变化频率进行测量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以有关传感器先转变成周期变化的信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出来。

3.1.1方案的设计与论证

交流电信号或脉冲信号的频率是指单位时间内产生的电振动的次数或脉冲个数。用数学模型可表示为：

N

f=

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。

首先必须把各种被测信号通过放大整形电路，使其成为规矩的数字信号，以便于计数器计数。实现频率测量的另一必备环节是时基电路。所谓时基电路，就是产生时间标准信号的电路装置。通常要求精确稳定，所以采用1MHz或5MHz石英晶体振荡器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。

如图3.1所示为数字频率计系统原理总框图，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=NHz。

图3.1 数字频率计数器原理框图

逻辑控制电路的一个重要的作用是在每次采样后还要封锁主控门和时基信号输入，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据。简而言之，控制电路的任务就是打开主控门计数，关上主控门显示，然后清零，这个过程不断重复进行。控制电路如图3.2所示：

图3.2 逻辑控制电路

3.2论述方案各部分工作原理

3.2.1时基电路

为了获得较为稳定的时间基准信号，以便准确的控制主控门的开启时间，其电路见图3.3所示：

图3.3 时基电路

本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3.3所示。接通电源后，电容被充电，当C v 上升到

3

2CC

V 时，使O v 为低电平，同时放电三极管T 导通，此时电容C 通过2R 和T 放电，C v 下降。当C v 下降到3

CC

V 时，O v 翻转为高电平。电容器C 放电所需的时间为

C R C R t pL 227.02ln ≈=

当放电结束时，T 截止，CC V 将通过1R 、2R 向电容C 充电，C v 由

3

CC

V 上升到3

2CC

V 所需的时间为 C R R C R R t pH )(7.02ln )(2121+≈+=

当C v 上升到

3

2CC

V 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

C

R R t t f pH pL

)2(43

.1121+≈+=

3.2.2计数器

图3.4计数器

为了提高计数速度，可采用同步四位十进制计数器。其特点是计数脉冲作为时钟信号同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，在每次时钟脉冲沿到来之前，根据当前计数器状态，利用逻辑控制电路，准备好适当的条件。当计数脉冲沿到来时，所有应翻转的触发器同时翻转，同时也使用所有应保持原状的触发器不该变状态。

由于频率计的测量范围10～9999Hz，因此采用十进制计数器74LS160，它不仅可用于对脉冲进行计数，还可用于分频；此电路则需分频，N位进制计数器就是N分频器。

被测信号由闸门开通送入计数器，记录所测信号频率值传入译码显示电路中，显示器显示测得频率值；待闸门关闭，计数器停止工作；电路则继续工作进行下次循环，计数器清零，显示器数值消失，频率计完成一次测量。数字频率计测周期基本原理如图3.6所示

图3.5数字频率计测周期基本原理图

当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量程误差一起的测量误差太大，为了提高测低频时的准确度，应先测周期X T ，然后计算X

x T f 1

=

。 被测信号经过放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，如

ms T X 10=，则闸门打开的时间也为10ms ，在此期间内，周期为S T 的标准脉冲通

过闸门进入计数器计数。

以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相反，即被测信号用来控制闸门电路的开通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。

3.2.3 锁存器

锁存器是构成各种时序电路的存储单元电路，其具有0和1两种稳定状态，一旦状态被确定，就能自行保持，锁存器是一种脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。

在确定的时间内计数器的技术结果必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测量的数据寄存起来，送入译码显示器。锁

存器可以采用一般的8位并行输入寄存器。

此电路采用74LS373锁存器，其作用是将计数器在1s结束时锁记得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。当1s计数结束时，通过逻辑电路产生信号送入锁存器，将此时计数的值送入译码显示器。

选用两个8位锁存器74LS373可以完成上计数功能。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输入等于输入，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的Q 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。

图3.6锁存器和数码管

3.3设计方案的图表

3.3.1设计原理图

根据系统框图，方案论证，设计数字频率计系统原理图如下图3.8所示。

在多谐振荡器中，电路从暂稳态过渡带另一个状态，其“触发”信号是由电路内部电容充（放）电提供的，因此无需外部触发脉冲。暂稳态持续的时间是脉冲电路的主要参数，它与电路的阻容原件取值有关。电路中RC电路充、放电过

程对相应门输入电平的影响是分析电路的关键。

图中根据课题要求，电路采用555定时器组成的多谐振荡器，为获得较为稳定的时间基准信号，用来准确的控制主控门的开启时间。计数器是最常用的时序电路之一，计数器的种类不胜枚举，按触发器动作分类，可分为同步计数器和异步计数器；按计数数值增减分类，可分为加计数器、减计数器和可逆计数器；按编码分类，又可分为二进制码计数器、BCD码技术区、循环码计数器。此设计采用十进制计数器进行计数。

通过时基选择开关，将所选用的时基信号作为控制电路的触发信号（用8位寄存器，实际上就是触发器构成的计数器，它可以循环位移一个1电平，也可以循环位移一个0电平）,再将信号传入逻辑控制电路中，控制电路输出接往主控门，该输出端仅在所选时间基准内维持高电平，使主控门开启，被测信号在采样时间内通过主控门，进入十进制计数器计数，计数器数值由数字显示器在数字频率计面板上显示出来。此即为所测信号之频率值。

图3.8 数字频率计原理图

3.4编写设计说明书

3.4.1设计说明

（1）接通电源后，用示波器观察时基电路的输出波形，其中t 1=1s,t 2=0.25s ，否则重新调节时基电路中的R 1 和R 2，使其满足要求，然后，改变示波器的扫描速率旋钮，观察波形。其真值表如下表3.9所示

表3.1 74LS123真值表

（2）将3计数器74LS160部接低电平，锁存器74LS373都接时钟脉冲，有各位计数器的引脚加入计数脉冲，检查4位锁存，译码，显示器的工作是否正常。 （3）有放大电路输入端加入KHz f 1=，V V 1=的正弦信号，用示波器观察放大电路和整形电路的输出波形，应为与被测信号同频率的脉冲波，显示器上的读数应为1000Hz 。

3.4.2 性能技术指标与分析 （1）频率准确度

一般用相对误差来表示，即

???

? ???+±=?c

c x

x x f f Tf f f 1 式中

N

N N Tf x 11±=?=为量化误差（即±1个字误差），是数字仪器所特有的误差，当闸门时间T 选定后，x f 越低，量化误差越大；

T

T

f f c c ?=

?为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的准确度决定，

x

c c Tf f f 1

??

?。

（2）频率测量范围及各电路的测试

在输入电压符合规定要求值时，能正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。

①时基电路测试：

在通直流时，用示波器测555电路引脚和输出波形图，引脚的波形应如图

3.2所示波形II，调节电位器RP，使t

1=1s,t

2

=0.25s，引脚的输出波形应为电容

不断充放电的过程。

③放大与整形电路的测试：

有放大电路的输入端加正弦小信号，用示波器观察输出端，可以观察到信号幅度被放大，经整形电路后，在输出端可以观察到矩形波信号。

④测试译码显示部分：

频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。

在74LS160输入端加入不同的高低电平组合，观察数码管能否显示相应的数字，判断译码，显示部分是否能工作正常。

⑤频率测试：

测量时间是频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。

先在放大整形电路输出端加一大信号矩形波脉冲，调节频率，观察数码管能

否显示相应的数值，若与实际成一定比例关系则说明时基电路的t

1，t

2

没有调到

相应的大小，应小幅度调节电位器RP使得显示正确。

若上述测试正常，说明整形放大电路以上的部分能够正常工作，最后再加一小信号在放大电路的输入端，观察数码管能否显示相应结果，从而判断整个数字频率计电路的工作情况。

（3）对电路进行分部分测试，可以准确定位出现问题的具体位置，从而保证能够很快地解决。

4仿真结果

此数字频率计数器由输入整形电路、分频器、门控电路、闸门、计数译码显示电路等组成。被测信号(以正弦波为例)通过放大、整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，被测量的脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。逻辑控制电路是控制计数器的工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作(例如准备——计数——显示——清零——准备下一次测量)。

通过显示器显示的数据，可以测出脉冲的个数N，通过时基电路以及分频电路可以得到在时间段T内，被测信号发生的脉冲个数N，从而可以通过计算得到脉冲频率f1，被测信号的原频率为f，得误差W=(f1-f)/f.测的误差小于10%。

现在如果我设定输入频率为1KHz，那么在运行后在数码管上显示的数据应该是1000，因为我设置的时间是0.1秒则根据公式频率刚好应该为1KHz。如图3.6所示，测量的数值刚好为1000，说明计数成功了。

图4.1信号频率

图4.2数字显示

5总结

经过为期一个月的仿真课程设计，使我学会了仿真软件protues 7和

protel99SE的一些基本使用方法，在实习中，我能和我的组员一起讨论我们的课题，共同研讨设计方案，选定设计器件及电路，并进行一些简单的调试，通过网络查找资料，并结合课内所学的知识进行综合性的分析与评估。

这次的课程设计，我们组使用了仿真软件protues 7，选定了包括74LS160N、LM555CN、73LS373N等等器件。

两周的实习下来，我收获了很多，包括自学能力，团队合作，并且也对以前所学习的知识有了一个比较系统的实践复习。不仅本次课程设计达到了设计的目的，而且了解掌握了数字电子技术的知识并应用于实践。培养了自己独立完成课题的能力与动手能力，并加强了对待事物严谨的态度。另外还激发了我对我们这个专业的兴趣，更加爱上了自己学的电子信息工程专业。

参考文献

[1] 童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高教出版社，2006

[2] 阎石.数字电子技术基础（第五版）[M]. 北京：高教出版社，2006

[3] 陈生谭、郭宝龙等.信号与系统西安电子科技大学出版社，2008

[4] 王生春. 电路原理重庆大学出版社，2001

附录

附录A 元器件清单

附录B 设计电路