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

专业

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学生姓名

指导教师

数字频率计数器

摘要

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

目录

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。