数字电路频率计课设说明书.

目录

1. 设计任务及主要技术指标和要求 (1)

2. 总体设计方案 (1)

2.1设计思路 (1)

2.2设计方案和原理框图 (1)

2.3方案比较 (2)

3. 电路设计 (3)

3.1放大整形电路 (3)

3.2时基电路 (5)

3.3计数译码显示电路 (8)

3.4报警电路 (11)

3.5闸门电路 (12)

4. 组装调试 (12)

5. 心得体会 (14)

参考文献 (15)

附录Ⅰ总电路图 (16)

附录Ⅱ元件清单 (17)

1. 选题背景

数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器，其功能是测量正弦信号，方波信号，尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，因此已经成为电路设计的常用器件之一，它有不可取代的地位。在电子技术中，频率与许多电参量的测量方案，测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中数字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，是测量频率的重要手段之一。 1.1设计任务

设计一个能够测量正弦波信号频率的电路。具体要求如下： （1）测频范围为0~999Hz ，精度为1Hz 。 （2）用数码管显示测频结果。

（3）设有超量程显示（信号频率>=1KHZ 时）。

发挥部分：进一步扩大频率计的测评范围，设计超量程换挡。 说明：在输入正弦波信号峰值为100mv 的情况下测试

2. 总体设计方案

2.1 设计思路：

频率，是单位时间内完成周期性变化的次数，所以我们的设计是将输入的信号进行放大整形之后输入到计数器，计算出一秒内通过的脉冲数量，然后经由译码器将对应的频率通过数码管显示出来。 2.2 设计方案和原理框图：

我们打算采用数电技术来完成设计，该数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、时基电路、计数器电路、译码显示电路几部分组成，总体结构如图：

图2-1 数电频率计原理框图

被测信号X

放大整型电路Y

时基电路Z

闸

门 A

计数器

译码器

七段显码管

从原理图可知，被测信号X在不影响其频率的情况下经放大整形电路变成计数器需求的方波信号Y。由555构成的多谐振荡器提供标准时间基准信号Z，信号Z经主控电路产生门控脉冲A，方波时基信号A作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号X从闸门另一端输入，被测信号频率为f,闸门宽度为T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率f=N/THz。逻辑控制电路的作用有两个：一是控制4511译码器对显示数据进行锁存；二是控制计数器的清零，保证下一次计数从零开始。

1）放大整形电路的选择

对信号的放大功能由三极管放大电路实现，对信号整形的功能由施密特触发器来实现。施密特触发器是一种特殊的数字器件，一般的数字器件当输入超过一定的阈值，其输出一种状态，当输入小于这个阈值时，转变为另一个状态。

方案一：放大电路采用TL082二级运放来实现，整形电路则采用4093，即带有施密特触发器的与非门。

方案二：放大电路同样采用TL082二级运放，在整形方面可以采用555构成的施密特触发器来达成。

2）时基电路的选择

方案一：时基电路的作用是产生一个标准的时间信号（高电平持续时间为1s）可用555构成的多谐振荡器作为时基电路。多谐振荡器又称方波发生器，电路不具有稳定的状态，但是具有两个暂稳态，当电路由一个暂稳态过渡到另一个暂稳态时，其“触发”信号是由电路内部充（放）电提供的，因此无需外部触发脉冲，电路工作就是在两个暂稳态之间来回转换，其脉宽由电阻和电容决定。用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。其电路图如下：

图2-2 555时基电路

方案二：时基电路可用晶体振荡器和分频器构成。晶振频率取32768Hz，晶振产生脉冲经分频器14级二分频后输出2Hz脉冲（高低电平各持续1s）。

2.3方案比较

1）放大整形电路方案比较

555定时器的灵敏度较高，输出驱动电路大，但考虑到涉及的是简易频率计对精度要求不高英雌没必要使用555定时器构成施密特触发器，而且用4093直接整形相比而言使电路更加简易因此选用方案一

2）时基电路方案比较

方案二晶振分频产生的标准时间精度要高于方案一中的555多谐振荡器产生的标准时间。但是555定时器电路元件较少结构简单使用方便，而且由于设计要求精度不是很高，所以选用方案一。

3. 电路设计

本次设计电路由以下几部分构成：

1）放大整型电路：对被测信号进行放大然后整形为方波；

2）时基电路：产生一个高电平时长为1s的信号；

3）闸门电路：通过时基电路产生的时基信号来控制计数器的计数清零以及译码器的锁存；

4）计数译码显示电路：计数器计算脉冲数量然后输入到译码器，把十进制计数器计数结果译成BCD码，然后通过数码管显示出来。

5）报警电路：在测量时如果被测信号的频率超出量程，则会给予警示

3．1 放大整形电路

放大整形电路作用是将测试信号放大整形成相应的方波脉冲作为计数脉冲，其电路图如图3-1所示：

图3-1放大整形电路

放大整形电路采用TL082运算放大器，由于输入信号幅值为100mV左右，所以这里采用双级放大，共需放大50倍。由运放虚短虚断性质知：放大倍数=R2/R1*R4/R3，从而选R1=R3=10K，R2=100K，R4=50K，为保证零输入运放平衡同相输入所接电阻取R5=R6=10K。

其引脚图以及仿真波形图如下图所示(波形图由上至下依次为被测信号，一级放大，二级放大)：

图3-2 TL082引脚图及仿真波形图

CD4093是集成施密特触发器，它由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有施密特触发功能的2输入与非门。4093用于对放大器的输出信号进行整形，使之成为对应的矩形脉冲。4093接法及仿真波形：

图3-3 4093接法及仿真波形

其引脚图为3-1-4所示：

图3-4 4093引脚图

3.2.时基电路

时基电路主要产生1S的时基信号，这里采用了由555集成芯片构成的多谐振荡器集成芯片。555是一种能够产生时间延迟和多种脉冲信号的控制电路，是数字、模拟混合型的中规模集成电路。电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成多谐振荡器，广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。

图3-5时基电路

电源接通时，555的3脚输出高电平，同时电源通过R1、R2向电容C2充电，当C2上

的电压到达555集成电路6脚的阀值电压（2/3电源电压）时，555的7脚把电容里的电放掉，3脚由高电平变成低电平。当电容的电压降到1/3电源电压时，3脚又变为高电平，同时电源再次经R1、R2向电容充电。这样周而复始，形成振荡。根据设计需要，该多谐振荡器应输出一个高电平持续时间T1为1s的方波信号，而低电平持续时间T2合理即可。振荡周期T=T1+T2

充电时间：

T1=(R1+R2)*C2*ln2

放电时间：

T2=R2*C2*ln2

经计算我们决定采用：R1=50K，R2=14K，C2=22μF

3.3计数译码显示电路

该部分由计数器，译码器，显码管三部分组成，总电路图如图：

图3-6计数译码显示电路

74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能，通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数，所以我们采用了74LS160作为十进制计数器。

根据设计任务要求最大输入信号频率为999Hz，而且需要达到超量程显示的功能故选4个74LS160计数器，其引脚及功能如图：

图3-7 74LS160引脚图

1)RCO为进位输出端，当计数达到进位时从该端输出信号至下一位计数器，即可达到进位

计数；

2)ENP和ENT为计数控制端，LOAD为同步并行置入端(低电平有效)，当它们都为高电平

时计数器可以从0000开始计数直到1111然后进位；

3)QA,QB,QC,QD为输出端分别与4511译码器的A,B,C,D连接；

4)CLK为时钟输入端，时基电路产生的时基信号和被测信号通过与非门后接入CLK，当它

为高电平时开始计数低电平时停止计数；

5)CLR为异步清零端(低电平有效)当它为低电平时计数器清零。

表3-1 74LS160引脚及其功能图

输入输出

CLK C LR LOAD ENP ENT A B C D QA QB QC QD

X 0 X X X X X X X 0 0 0 0

高 1 0 X X a b c d a b c d

X 1 1 0 1 X X X X 保持

X 1 1 X 0 X X X X 保持

高 1 1 1 1 X X X X 计数

译码驱动电路使用CD4511。CD4511译码器用于驱动共阴极LED数码管，它是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的电路。CD4511引脚图为：

图3-8 CD4511引脚图

1) A~D 为二进制数据输入端；

2) BL 为输出消隐控制端，低电平时各笔段均消隐；

3) LE 为数据锁定控制端，高电平时锁存，低电平时正常传输数据；

4) LT 为测试端，当输入高电平时显示器正常显示，输入低电平时显示器一直显示8，各笔段均被点亮，以检测显示器是否故障； 5) VDD 和VSS 分别为电源端和接地端；

6) a~e 为数据输出端，用来控制显示器的各个笔段。 其真值表如下：

表3-2 CD4511真值表

输入

输出

LE BL LT D C B A a b c d e f g 显示

X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐

0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消 隐

0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1

1

1 X X X X

锁 存

由于最大量程为999Hz，所以在显示方面我们使用了三个七极共阴式数码管其引脚图如下：

图3-9七极共阴数码管引脚图

3.4报警电路

本设计要求最大显示值为999Hz，当超出该值应有报警显示超量程，为了简化报警电路我们使用了一个发光二极管，为使二极管在计数器刚好计到1000时发光，应在最后一位计数器后再串行一个计数器，然后再接一个译码器，利用译码器的锁存功能将超量程显示与数据一起锁存住，发光二极管接到该译码器的b或者c输出端，这样当超出量程时，译码器输出对应数字1的信号，即b，c端为高电平可以将发光二极管点亮。

图3-10报警电路电路图

3.5闸门电路

闸门电路需要一个非门和一个与非门，与非门采用74HC00其输入分别接整形后的被测信号和时基信号，输出接计数器CLK脚；当时基信号输出高电平时，闸门打开，计数器可以接收到被测信号并且开始计数，输出低电平时闸门关闭计数器停止计数并清零。

非门采用40106输入接时基信号，输出接译码器的锁存脚LE，用来控制数据的锁存，当其为高电平时正常计数，低电平时锁存数据。其引脚图如下：

图3-11 40106引脚图

图3-12 74HC00引脚图

4. 组装调试

1.通电准备

打开电源之前，先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况，并取下电路板上的芯片，然后接通电源，用万用表检查板上的各点电源电压值，确认无误之后再关掉电源，插上芯片。

2.单元电路检测

1)基准时间检测

依次用示波器检测由555构成的多谐振荡器产生的基准时间和输出波形。输出波形应为高电平宽度为1s的信号，如果波形宽度不对，则调整电容C；如果输出时间不对，则调整R1，R2;如果无输出波形，应对555各引脚的电平或信号波形进行检测。

2) 输入检测信号

从被测信号输入端输入幅值在100mV左右频率为100Hz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。

3) 输入放大与整形电路检测

用示波器同时观测输入信号与整形电路CD4093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，则应检测两级放大电路，用示波器观察放大器TL082一二级输出端电压是否满足要求，然后消除故障。

4）计数器电路的检测

依次检测4个计数器74ls160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。

5）显示译码电路与数码管显示电路的检测

首先检测显示译码器CD4511各控制端与电源端引脚的电平，其次对LT端输入高电平，如果数码管显示为8，则数码管与译码器连接正常，如发现故障，首先检测故障笔段与译码器对应引脚的连接，其次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。

6）系统调试

在放大电路输入端加入Vpp=100mV ，f=100Hz 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，显示应为100Hz的方波信号，显示器上的读数应为 100Hz 。

再输入频率为999Hz的正弦信号，以此来确定频率计的最大量程，以及误差的大小。

最后输入1000Hz以上的正弦信号，以此来检测频率计的超量程显示功能，如果工作正常则发光二极管会被点亮

5.心得体会

总体来说我们这次的课程设计是比较成功的，在整个设计过程中我们也遇到了各种各样的问题和挫折，最初，在仿真电路成功的基础上我们依旧无法成功的完成设计，后来经过我们多方查证各种资料，根据实际情况对元件和电路图进行了数次调整和测试才徵宫的完成了我们的设计。

我们的电路在总体设计上来看是比较简洁明了的，而且在电路原理上也尽量进行了简化，但是由于现实中元件的限制导致我们的实验结果缺乏一定的精确度，不过我们还是可以满足设计要求的准确度的，而且由于设计方面的缺陷我们设计的频率计并不能手动控制工作，而且在报警电路的部分设计的并不完美，额外使用了一个译码器，造成了一定程度上的浪费，在这方面我们仍需进一步的改进。

我们的设计出现问题最多的地方就是时基电路的部分，我们一方面要控制时基电路输出正确的信号，这是比较复杂的一部分，我们既要考虑到现实元件的限制也要考虑到实验

的需求，为了同时满足这两点我们不停地试验了近十种电容和电阻的组合，最终才找到了比较完美的一种。

电子技术课程设计是电子技术课程的实践性环节，这次频率计的设计不仅综合了数字模拟电子技术基础的基本理论知识，而且还需要独立思考的能力，并要求具有较强的动手能力，因此做好这个课题设计受益非浅。下面就本次课程设计的收获和体会做几点总结。

在设计电路图的过程中，对数模电相关知识进行了一次全面系统地复习，并通过查阅资料掌握了一些常用元器件的功能及用法。

绘制电路的过程中，学习了一些重要软件如proteus、multsim、protel的使用方法，同时也在无形中加强了分析器件、分析电路图的能力。

组装调试过程是最费时间的一个阶段，它需要我们各方面的综合能力，对原理是不是清楚，对芯片的工作状态是不是了解，以及分析解决问题的能力。

这次的课设，让我深深的感悟到课本上的知识只是理论，只看书思维永远只定格在了“广”，而无法对其真正的了如指掌，运用自如，做到“精”。实践恰恰为我们提供了一个从“广”到“精”的平台，在实践中，让我们深刻的了解和掌握诸如各种器件的性能、用法及应注意事项。

课设期间，不仅仅是实践的重要时刻，更是我们培养思考问题、分析问题、解决问题的能力以及面对突如其来意想不到的问题时的应变能力，使我们受益匪浅，对今后的学习和工作都奠定了无可比拟的作用。

通过此次的设计，我也领略到了团队精神的可贵。在课设过程中，是知识的交流，更是人与人之间心的交流，我们不能不肯定最终的成功带给我们的喜悦，也不能否认失败和挫折带来的打击和困惑，但是团队之间的协作、老师的耐心指导和同学们的帮助，让我觉得怎样的劳动和挫折都是值得的，正所谓“不经历风雨，怎能见彩虹”，“阳光总在风雨后”，成功的喜悦和奋斗的过程是无与伦比的。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计将成为我学习旅途中一个美好的回忆！

参考文献

【1】党宏社. 电路、电子技术实验与电子实训电子工业出版社【2】阎石. 数字电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社【3】华成英. 模拟电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社【4】周惠潮. 常用电子元件及典型应用电子工业出版社

7.附录

7.1 总电路图：

图7-1总电路图

7.2 元件清单

元件名称参数及数量

电阻51K 2个10K 6个100K 1个1K 4个

电容10nf 1个

22uf 1个LED发光二极管（红）1个

七段显码管(共阴) 3个

集成块CD4511 4个CD4093 1个74LS00 1个74LS160 4个555 1个TL082 1个

其他导线若干