数字频率计设计 数电课程设计

长沙学院

数电课程设计说明书

题目数字频率计设计

系(部)

专业(班级)

姓名

学号

指导教师

起止日期

数字电子技术课程设计任务书(11)系（部）：专业：指导教师：

长沙学院课程设计鉴定表

目录

一、数字频率计介绍...................................................................................................................................... - 1 -

二、设计任务及要求...................................................................................................................................... - 1 -

1.设计目的.............................................................................................................................................. - 1 -

2.设计要求.............................................................................................................................................. - 1 -

三、数字频率计测频的基本原理.................................................................................................................. - 2 -

四、数字频率计的主要技术指标.................................................................................................................. - 2 -

1.频率测量范围...................................................................................................................................... - 2 -

2.数字显示位数...................................................................................................................................... - 2 -

3.测量时间.............................................................................................................................................. - 2 -

五、数字频率计的电路设计.......................................................................................................................... - 3 -

1.基本电路设计...................................................................................................................................... - 3 -

2.放大整形电路...................................................................................................................................... - 3 -

3.时基电路.............................................................................................................................................. - 4 -

4.逻辑控制电路...................................................................................................................................... - 5 -

5.计数、锁存、译码显示电路的设计 .................................................................................................. - 5 -

六、电路调试.................................................................................................................................................. - 6 -

七、设计心得及总结...................................................................................................................................... - 6 -

八、参考文献.................................................................................................................................................. - 7 -

一、数字频率计介绍

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。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，显示直观，所以经常要用到数字频率计。

频率测量中直接测量的数字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、微分操作之后形成方波信号，加到与非门的另一个输入端上.该与非门起到主阀门的作用,在与非门第二个人输入端上加阀门控制信号,控制信号为低电平时阀门关闭,无信号进入计数器;控制信号为高电频时,阀门开启整形后的信号进入计数器,若阀门控制信号取1s,则在阀门时间1s内计数器得到的脉冲数N就是被测信号的频率.

在普通的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。

二、设计任务及要求

1.设计目的

本课程设计是在前导验证认知实验的基础上，进行更高层次的命题设计实验，要求学生在教师指导下独立查阅资料、设计、安装和调试特定功能的电子电路。培养学生利用模拟、数字电路知识，解决电子线路中常见实际问题的能力，使学生累积实际电子制作经验，目的在于巩固基础，培养技能，追求创新，走向实用。

2.设计要求

（1）以电子技术基础的基本理论为指导，将设计实验分为基础性和系统性两个层次，基础性指基本单元电路设计与调试，系统型指若干个模拟，数字基本单元电路组成并完成特定功能的电子电路的设计，调试；

（2）熟悉常用电子仪器操作使用和调试方法；

（3）拓展电子电路的应用领域，能设计，制作出满足一定性能指标或特定功能的电子电路任务。（4）具体要求：

①测量范围：1HZ—9.999KH Z ，闸门时间1s；

10 HZ —99.99KHZ ，闸门时间0.1s；

100 HZ —999.9KHZ ，闸门时间10ms；

1 KHZ —9999KHZ ，闸门时间1ms；

②显示方式：四位十进制数

③当被测信号的频率超出测量范围时，报警

④扩展功能：可以适当增加位数

三、数字频率计测频的基本原理

所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1S）内变化的次数。若在一定的时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f=N/T

下图一时数字频率计的组成框图。被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ,其高电平持续时间t1=1s，当1s 信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N,则被测信号频率fx=NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲Ⅳ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图二所示。

图一图二数字频率计的组成框图和波形图

四、数字频率计的主要技术指标

1.频率测量范围

在输入电压符合规定要求值时，能够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。

2.数字显示位数

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。

3.测量时间

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。

五、数字频率计的电路设计

1.基本电路设计

数字频率计的基本电路如下图三所示，各部分作用如下：

图三数字频率计基本图

2.放大整形电路

由于输入的信号可以是正弦波，方波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为方波，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方波。对信号的放大功能由三极管构成放大电路来实现，对信号整形的功能由施密特触发器来实现。施密特触发器电路是一种特殊的数字器件，一般的数字电路器件当输入起过一定的阈值，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，而施密特触发器不是单一的阈值，而是两个阈值，一个是高电平的阈值，输入从低电平向高电平变化时，仅当大于这个阈值时才为高电平，而从高电平向低电平变化时即使小于这个阈值，其仍看成为高电平，输出状态不这；低电平阈值具有相同的特点。为保证测量精度，在整形电路的输入端加一前置放大器。对幅值较低的被测信号经放大后再送入整形器整形。

此电路采用晶体管3DG100与74LS00等组成，其中3DG100为放大器，可对周期信号进行放大再传入整形器中对信号进行整形。下图四为放大整形电路仿真图。

图四放大整形电路图

3.时基电路

时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），由定时器555构成的多谐振荡器产生（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得）。若振荡器的频率f0=1/(t1+t2)=0.8Hz,则振荡器的输出波形如上图二所示，其中t1=1s，t2=0.25s。由公式t1=0.7(R1+R2)C 和t2=0.7R2C，可计算出电阻R1、R2及电容C的值。若取电容C=10μF，则

R2=t2/0.7C=35.7kΩ取标称值36kΩ

R1=(t1/0.7C)-R2=107kΩ取R1=47kΩ，RP=100kΩ

下图五为时基电路仿真图

图五时基电路仿真图

4.逻辑控制电路

控制电路需要控制几个模块。包括计数电路，锁存电路和译码显示电路。通过产生控制信号控制所要控制的模块，同时会产生清零信号和锁存信号，使显示器显示的测量结果稳定。逻辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭，同时也控制整机逻辑关系。

本次设计采用74LS123N组成逻辑控制电路，先启动脉冲置成1，其余触发器置成0，此时时基电路传入脉冲，控制电路开始工作。被测信号通过闸门进入计数电路，于是计数器译码器开始计数，记下所测信号频率值。当控制电路转为其他状态时，闸门关闭，计数器停止工作，数码管继续显示所测频率值。直到有一次循环，计数器清零，数码管显示消失，到此为止，频率计完成一次测量。脉冲信号可由两个单稳态触发器74LS123N产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。由74LS123N的功能得出，当1RD=1B=1、触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q1可获得一负脉冲，其波形关系正好满足上图二所示的波形Ⅳ和Ⅴ的要求。手动复位开关S按下时，计数器清零。

5.计数、锁存、译码显示电路的设计

这部分电路是频率计内作重要的电路部分，由计数器、锁存器、译码器、显示器和单稳态触发器组成。其中计数器按十进制计数，由4个异步十进制计数器74ls90构成，一次从个位开始计数，向上位发出进位信号进而使高位开始计数。计数输出如果电路中不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化，要使计数器停止计数时，显示器上的数字显示能稳定，就必须在计数器后接入锁存器。锁存器的工作是受单稳态触发器控制的。门控信号的下降沿使单稳态触发器1进入暂稳态，单稳1的上升沿作为锁存器的时钟脉冲。为了使计数器稳定、准确的计数，在门控信号结束后，锁存器将计数结果锁存。单稳1的暂态脉冲的下降沿使单稳2进入暂态，利用2的暂态对计数器清零，清零后的计数器又等待下一个门控信号到来重新计数。

锁存器的作用是将计数器在1s结束时所得的数进行锁存，使显示器稳定地显示此时计数器的值。1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将此时计数器的值送至数码显示器。选用锁存器74LS273可以完成上述功能。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，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。锁存器在一个有效脉冲到来后将计数器输出信号锁存，并输出到数码管译码器，4片译码器用74LS48实现。该部分电路仿真如下图六所示。

图六部分电路仿真图

六、电路调试

①接通电源后，用双踪示波器（输入耦合方式置DC档）观察时基电路的输出波形，应如图二中所示的波形Ⅱ，其中t1=1s,t2=0.25s，否则重新调节时基电路中的R1和R2的值，使其满足要求，然后改变示波器的扫描速率旋钮，观察74LS123的第?脚和第?脚的波形，应有如上图二所示的锁存脉冲Ⅳ和清零Ⅳ脉冲Ⅴ的波形。

②将4片计数器74LS90的第②脚全部接低电平，锁存器74LS273的第?脚都接时钟脉冲，在个位计数器的第?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在放大电路输入端加入f=1KHz?，V p_p=1V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。

七、设计心得及总结

数电课程设计历时一周，我这次要做的课题是数字频率计。刚接到课程设计的时候完全没有思路，不知该如何下手，好像自己学到的东西一点都用不上，后来经过翻阅资料从最基本的着手，开始对频率计有了一点认识，从单元电路到整体电路按部就班。在整个课程设计完后，总的感觉是：很累，很有压力，但是很有收获。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：如何将学过的芯片加以运用，如何查找资料，如何利用计算机来画图等等，更重要的是，团结精神，合作精神在这次课程设计中得到了很好地体现，仅凭我个人的力量是无法完成任务的。但现在回过头来看，还是挺有成就感的，毕竟这是大学里第一次课程设计，第一次真正的将理论转化为实际，这是一笔无法估量的财富。由于本次试验主要通过555定时器构成的施密特触发器，多谐振荡器，单稳态触发器分别构成相应的整形

电路，时基电路，控制电路再加上同步十进制计数器74LS90，用来稳定存储结果的锁存器74LS373和由74LS48组成的译码器，以及用来显示的数码管来组成数字频率的测量仪器，对这些器件有了更深刻的认识和掌握，我感到很欣慰，付出的中就会有收获！。当然，做什么事情都不可能是一帆风顺的，我们也遇到了很多麻烦例如，在设计逻辑控制电路时需要一芯片既能控制锁存器及主控门的开启和关闭又能控制计数器清零，我们查阅资料，终于找到一种单稳态触发器74LS221利用他的下降沿起到控制作用。可是，天不遂人意在模拟仿真时，这种器件在multisim中找不到，我们尝试用其他的可替代芯片替换如74LS123，但是都没有。无奈之下随便找了一个单稳态触发器，可是无法查出引脚图和功能表，所以模拟仿真电路始终没能成功，这也成为这次课程设计中的一大遗憾！这次课程设计时间比较仓促，任务很艰巨，我们三个人一组，在老师的教导下，我们基本上完成了设计任务，充分认识到了自学的重要性，以及学以致用的道理。我在图书馆和网上查阅了大量的资料，明白了他们的重要性。在今后的学习中，应该多到图书馆和网上看一些专业方面的书籍，以丰富自己的知识。也增加对数字电路计数的理解和应用。设计中存在的一些不足，我真诚的接受老师和同学的批评和指正。

最后衷心感谢老师的悉心指导和同学们的热心帮助！

八、参考文献

【2】谢自美.电子线路设计*实验*测试【M】.武昌：华中科技大学出版社，2000，240-246

【5】康华光.电子技术基础数字部分【M】.武昌：华中科技大学出版社，2006,226-230

【2】梁宗善·电子技术基础课程设计【M】·武昌：华中科技大学出版社，2009，198-207

【4】朱定华·电子电路测试与实验【M】.北京：清华大学出版社，2004，89-99