毕业设计之数字频率计

XXXXXXXXX学院

毕业设计

设计题目：数字频率计的设计

入学年月： XXXXXXXX

姓名： XXXXXXXX

学号： XX

专业：电子信息技术

班级：ＸＸＸＸＸＸＸＸ

指导教师：ＸＸＸＸＸ

完成日期：ＸＸＸＸＸ

目录

1．目录................................................. (2)

2．论文摘要 (3)

3.引言 (4)

4．设计目的及要求 (5)

5．设计内容、方法与步骤 (6)

5.1设计内容 (6)

5.1.1数字频率计的基本原理 (7)

5.1.2系统框图 (7)

5.2方法与步骤 (10)

6.硬件电路设计方案 (13)

6.1系统级方案设计

6.2子系统设计

7.软件设计 (15)

8.设计体会 (16)

参考文献 (17)

致谢词 (18)

论文摘要

随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。

引言

数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式的优点是相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。

设计目的及要求

一、设计目的

本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。

二、设计要求

设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下：

（1）频率测量范围：10 ～9999Hz 。

（2）输入电压幅度>300mV 。

（3）输入信号波形：任意周期信号。

（4）显示位数：4 位。

（5）电源：220V 、50Hz

三、所需仪器仪表

示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。

设计内容、方法与步骤

1、设计内容

1）数字频率计的基本原理

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。

2）系统框图

从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图所示的电路框图。

下面介绍框图中各部分的功能及实现方法

（1）电源与整流稳压电路

框图中的电源采用50Hz 的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。

（2）全波整流与波形整形电路

本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz ，即在1 ％的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对50Hz 交流市电进行全波整流，得到如图1所示100Hz

图1 数字频率计框图

的全波整流波形。波形整形电路对100Hz 信号进行整形，使之成为如图2所示100Hz 的矩形波。

图2 全波整流与波形整形电路的输出波形

波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。

（3）分频器

分频器的作用是为了获得1S 的标准时间。电路首先对图1所示的100Hz 信号进行100 分频得到如图2（a ）所示周期为1S 的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图8.5 （ b ）所示占空比为50 ％脉冲宽度为1S 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在1S 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。

分频器可以采用第 5 章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用触发器来实现。

（4）信号放大、波形整形电路

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，

图3 分频器的输出波形

使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。

（5）控制门

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。

（6）计数器

计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为9999Hz ，应采用4 位十进制计数器。可以选用现成的10 进制集成计数器。

（7）锁存器

在确定的时间（1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）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，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的8 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。

（8）显示译码器与数码管

显示译码器的作用是把用BCD 码表示的10 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。

选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。

3）实际电路

根据系统框图，设计出的电路如图4 所示。图中，稳压电源采用7805 来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求.

对100Hz 全波整流输出信号的分频采用7 位二进制计数器74HC4024 组成100 进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024 的Q7 、Q6 、Q3 端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数1100100 （十进制数为100 ）时，计数器异步清零。

实现100 进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电平时保持一段时间（10mS ）为高电平。

图4 数字频率计电路图

电路中采用双JK 触发器74HC109 中的一个触发器组成触发器，

它将分频输出脉冲整形为脉宽为1S 、周期为2S 的方波。从触发器Q 端

输出的信号加至控制门，确保计数器只在1S 的时间内计数。从触发器端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。

被测信号通过741 组成的运算放大器放大20 倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由74HC11 组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。

频率计数器由两块双十进制计数器74HC4511 组成，最大计数值为9999Hz 。由于计数器受控制门控制，每次计数只在JK 触发器Q 端为高

电平时进行。当JK 触发器Q 端跳变至低电平时，端的由低电平向高电平跳变，此时，8D 锁存器74HC374 （上升沿有效）将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于

74HC4518 为异步高电平清零，所以将JK 触发器的同100Hz 脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（10mS ）以后再进行。

显示译码器采用与共阴数码管匹配的CMOS 电路74HC4511 ,4 个数码管采用共阴方式，以显示4 位频率数字，满足测量最高频率为9999Hz 的要求。

2 方法与步骤

1) 器件检测

用数字集成电路检测仪对所要用的IC 进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对LED 数码管进行检测，检测方法由自己确定。

2) 电路连接

在自制电路板上将IC 插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC 等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC 。

3) 电源测试

将与变压器连接的电源插头插入220V 电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为＋5V 。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基

准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图13.5(a) 所示波形。

4) 基准时间检测

关闭电源后，插上全部IC 。依次用示波器检测由U1(74HC4024) 与U3A 组成的基准时间计数器与由U2A 组成的触发器的输出波形，并与

图13.6 所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对U1 、U3,U2 各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。

5) 输入检测信号

从被测信号输入端输入幅值在1V 左右频率为1KHz 左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。

6 ）输入放大与整形电路检测

用示波器观测整形电路U1A(74HC14) 的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为5V 左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。

7) 控制门检测

检测控制门U3C(74HC11) 输出信号波形，正常时，每间隔1S 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常, 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。

8) 计数器电路的检测

依次检测4 个计数器74HC4518 时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差10 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。

9) 锁存电路的检测

依次检测74HC374 锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第11 脚的电平每隔1S 钟跳变一次。如

不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。

10) 显示译码电路与数码管显示电路的检测

检测显示译码器74HC4511 各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。

硬件电路设计方案

多周期同步测量法的基本思路是使被测信号与闸门之间实现同步化，从而从根本上消除了在闸门时间内对被测信号进行计数时的±1量化误差，使测量精度大大提高。倒数计数器就是基于该方法而设计出来的一种具有创新思想的测频、测周期的仪器。它采用多周期同步测量法，即测量输入多个（整数个）周期值，再进行倒数运算而求得频率。其优点是：可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。

（一）系统级方案设计

在选择多周期同步等精度测量法的情况下，按照自顶向下的设计方法，可以画出该频率计的系统级框图，如图1所示。根据测周期、频率的原理，可以将总体框图分为三个子系统：输入通道（即前臵整形电路）该部分主要由模拟电路组成的；多周期同步等精度频率、周期的测量、控制及功能切换（中间部分），该部分基本上由数字硬件电路组成；单片机及外围电路，包括单片机、数码显示。

（二）子系统设计

1．输入通道的设计。输入通道是由前臵放大器和整形器组成的，所以要对前臵放大器的增益和带宽指标进行估计。为了能准确测量信号，将输入信号经过一个放大整形电路。其具体实施方案为：将输入信号经过LM358运放放大，再通过74LS132整形，此时的信号还不能直接送入单片机，这是因为在硬件上CPU对INT0和INT1引脚的信号不能控制，解决这个问题要通过硬件，再配合软件来解决。

2．预臵闸门时间发生电路设计。闸门时间的确定，可以先由一个555定时器产生一个脉冲信号，将555产生的脉冲信号送入到74LS90十进制计数器当中，由于74LS90具有二-五进制混合计数的功能，所以可以用它来实现五进制计数，将74LS90的输出接到3—8线译码器74LS138的输入端，再将译码器的输出端接上五个发光二极管，这样就可以实现硬件上的闸门时间控制。但是考虑到硬件实现上的复杂性，可以通过软件上来实现，就是将五个发光二极管直接接到单片机的P1口由软件上来实现，通过按键来改变它的闸门时间。

3．数码显示电路的设计。该部分电路是由单向八位移位寄存器74LS164和数码管组成的。考虑到精度的问题，取五位计数值，采用五片74LS164级联，同时还要显示频率和周期的单位，所以还需再级联一块74LS164，在74LS164的输出端接六个单位指示灯，分别表示周期频率的三个不同的单位数量级，

即周期单位s，ms，μs和频率单位Hz，KHz及MHz。移位寄存器的时钟信号是由单片机的串行输出口TXD脚控制。

收获与体会

本次课程设计让我们体味到做一个设计的苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到定具体方案到对电路的设计再到最后电路的成型与设计书的录入与打印，都对我所学的知识进行了检验。在此过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。设计过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎。

因为是第一次做课程设计，在这个过程中遇到了很多问题，比如如何画图，如何组织那种专业语言，上网、到图书馆查找相关的资料。虽然很费劲，但是其乐无穷。通过此次的设计，我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非常高，我相信在今后的学习和工作中它也占据着非常重要的地位。课堂中的学习是远远不够的，我们还需要自己吸收和再学习，不断的探索和研究。这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。不但如此，我想要完成一个任务，不能只局限于自己所学的知识中，要各个方面都有涉猎，提高自己的综合能力，这样才能取得长足的进步。

此次电子技术课程设计，让我懂得了实践的重要性。即使课本知识掌握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的无用的知识，而如果能够运用而实际动手能力很差，理论与实践结合不起来，学得再好也没用。这次课程设计恰好是将课本知识与的巩固与综合运用结合起来，再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。一方面，它加深与巩固了所学的各章节的理论，并将其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力；另一方面，培养了我们对专业知识学习的兴趣。

参考文献

1.秦曾煌主编. 电工学（第六版，下册）.北京：高等教育出版社，2004.7.

2.高吉祥，易凡．电子技术基础实验与课程设计[Ｍ]. 第２版.电子工业出版社,2005.

3.刘宇征．电子电路设计与制作[Ｍ]. 第1版.福建科学技术出版社,2003.

4.杨旭东,刘行景,杨兴瑶.实用电子电路精选[Ｍ]. 第1版.化学工业出版

社,2000.

5.汤山俊夫.数字电路设计与制作[M].第一版.北京:科学技术出版社,2003.

6.陈汝全.电子技术常用器件应用手册.第2版.机械工业出版社.2006.

7.梁宗善.新集成电路的应用.第一版.华中理工大学出版社.2006.

致谢词

本课程设计的完成首先要感谢ＸＸＸＸ老师的指导，是她的讲解和指导才使我完成了这份报告；其次要感谢和我同组的同学，因为我们经常在一起讨论，是大家共同的想法组成了这份报告；最后，要感谢批阅这份报告的老师，因为本人能力有限，本报告可能存在疏漏，希望老师能给予建议。