(14)数字频率计电路设计

中北大学

课程设计说明书

学生姓名:学号：

学院: 电子计算机科学与技术学院

专业: 微电子系

题目: 数字频率计电路设计

指导教师：王红亮职称: 副教授

2013 年 1 月 15 日

目录

1、课程设计目的 (2)

2、课程设计内容与要求 (2)

2.1 设计内容 (2)

2.2 设计要求 (2)

3、设计方案 (2)

3.1设计思路 (2)

3.2 工作原理及硬件框图 (5)

3.2.1 控制电路 (6)

3.2.2 微分、整形电路 (6)

3.2.3 延时电路 (7)

3.2.4 自动清零电路 (8)

3.3 硬件电路原理图 (9)

3.4 PCB版图设计 (10)

4、课程设计总结 (11)

4.1 设计任务完成情况 (11)

4.2 问题及改进 (11)

5、参考文献 (12)

1.课程设计目的

（1）掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；

（2）学习简单电路系统设计，掌握Protel99的使用方法；

（3）掌握计数器、显示等中规模数字集成器件的逻辑功能和使用方法；

（4）学习掌握硬件电路设计的全过程。

2.课程设计内容与要求

2.1设计内容：

（1）查阅所用器件技术资料，详细说明设计的数字频率计电路工作流程；（2）频率测量范围是1Hz-9.999kHz，测量结果用四个LED数码管显示；（3）被测信号为正弦波、三角波和矩形波等，测量信号幅值为100mV—15V；（4）测量相对误差范围±0.1%；

（5）整理设计内容，编写设计说明书。

2.2 设计要求：

（1）理解设计流程和工作原理；

（2）课程设计说明书；

（3）电路原理图及PCB图。

3、设计方案：

3.1 设计思路：

数字频率计是用于测量信号（方波、正弦波或其它脉冲信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量迅速，读数方便等优点。

脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为 f＝N／T，其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1S内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000Hz。

目前，频率的测量主要有以下四种方法：

（1）直接测频法

直接测频法是将被测信号整形后加到闸门的一个输入端，在闸门开通的时间（T）内，被测信号的脉冲被送计数器进行计数。设计数器记得的值为N，由频率计算式可得被测信号频率为f = N/T。分析可知，本方法在频率较低时误差较大。增大T 可以提高测量精度，但仍难以满足题目发挥部分的要求。

（2）组合法

被测信号频率较低时，通过直接测量周期可提高精度。因此，当被测信号频率较高时采用直接测频，而当被测信号频率较低时采用先测量周期，然后换算成频率的方法，就称为组合测量法。测频与测周时误差相等时对应的频率即为中介频率，它成为测频与测周的分水岭。这种方法可在一定程度上弥补方法（1）的不足，提高测量精度。

（3）倍频法

由于直接测频法在被测信号频率较高时测量精度高，故可以将被测信号分为几个频段，在不同的频段采用不同的倍频系数，将低频信号转化成高频信号，从而提高测量精度。这种方法即为倍频法。

（4）高精度恒误差测量法

根据高精度恒误差测量法的原理，具有如下的测频方案。电路原理见图1。电路中，预置门控信号控制计数的时间，可由计数器实现，CNT1 和CNT2 是两个可控计数器，标准信号从CNT1 的时钟输入端CLK1 输入，设其频率为FS，被测信号经过整形后从CNT2的CLK端输入，设其频率为Fx，测量值为 Fxe。

图1 高精度恒误差测量法框图

当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿通过D 触发器后，输出Q 端启动两计数器同时进行计数，当预置门控信号为低电平时，经整形后的被测信号的一个上升沿使两计数器同时停止计数。

设在一次记数过程中，对标准信号计数值为NS ，被测信号计数值为Nx ，则存在以下关系：

Fx / Nx = FS / NS

即：Fx =( FS / NS )* Nx

相对误差公式为

δ = ±( 2 / Nx + ΔFS / FS )

从相对误差公式中分析可知，其测量精度与被测信号无关，只与标准信号频率精度有关。显然，NS 决定于预置门时间TS 和标准信号源的频率，其关系如下：

NS = TS * FS

如果采用频率为9.999kHz≈10kHz的标准信号源，则有

｜δ｜≤1 / NS

若预置门时间TS 取0.1 秒，则NS =0.1×100 00 =10 00，｜δ｜≤0.001

可见，在整个测量范围内，精度可达到题目要求，若采用更高频率的信号源或适当延迟预置门时间，则可达到更高的测量精度。本设计就采用高精度恒误差测量法。

3.2 工作原理及硬件框图：

本设计课题所讨论的一种简易数字频率计原理方框图如图2所示。

图2 数字频率计原理框图

晶振产生较高的标准频率，经分频器后可获得各种时基脉冲（1ms，10ms，0.1s，1s等），时基信号的选择由开关S2控制。被测频率的输入信号经放大整形后变成矩形脉冲加到主控门的输入端，如果被测信号为方波，放大整形可以不要，将被测信号直接加到主控门的输入端。时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间内（时基信号的一个周期），输入信号才通过主控门。若时基信号的周期为T，进入计数器的输入脉冲数为N，则被测信号的频率f＝N / T，改变时基信号的周期T，即可得到不同的测频范围。当主控门关闭时，计数器停止计数，显示器显示记录结果。此时控制电路输出一个置零信号，经延时、整形电路的延时，当达到所调节的延时时间时，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次取样作好准备，即能锁住一次显示的时间，使保留到接受新的一次取样为止。当开关S2改变量程时，小数点能自动移位。若开关S1，S3配合使用，可将测试状态转为“自检”工作状态（即用时基信号本身作为被测信号输入）。

3.2.1控制电路：

控制电路与主控门电路如图3所示。主控电路由双D触发器CC4013及与非门CC4011构成。CC4013(a)的任务是输出闸门控制信号，以控制主控门(2)的开启与关闭。如果通过开关S2 选择一个时基信号，当给与非门(1)输入一个时基信号的下降沿时，门1就输出一个上升沿，则CC4013（a）的 Q1 端就由低电平变为高电平，将主控门2开启。允许被测信号通过该主控门并送至计数器输入端进行计数。相隔1s（或0.1s，10ms，1ms）后，又给与非门1输入一个时基信号的下降沿，与非门1输出端又产生一个上升沿，使CC4013（a）的Q1端变为低电平，将主控门关闭，使计数器停止计数，同时端产生一个上升沿，使CC4013（b）翻转成Q2＝1，＝0，由于＝0，它立即封锁与非门1不再让时基信号进入CC4013（a），保证在显示读数的时间内Q1 端始终保持低电平，使计数器停止计数。

图3 控制电路及主控门电路

利用Q2端的上升沿送到下一级的延时、整形单元电路。当到达所调节的延时时间时，延时电路输出端立即输出一个正脉冲，将计数器和所有D触发器全部置0。复位后，Q1＝0，

＝1，为下一次测量作好准备。当时基信号又产生下降沿时，则上述过程重复。

3.2.2微分、整形电路：

电路如图4所示。CC4013（b）的Q2 端所产生的上升沿经微分电路后，送到由与非门CC4011组成的斯密特整形电路的输入端，在其输出端可得到一个边沿十分陡峭且具有一定脉冲宽度的负脉冲，然后再送至下一级延时电路。

图4 微分、整形电路

3.2.3延时电路：

延时电路由D触发器CC4013（c）、积分电路（由电位器RW1和电容器C2 组成）、非门（3）以及单稳态电路所组成，如图5所示。由于CC4013（c）的D3端接VDD ，因此，在P2 点所产生的上升沿作用下，CC4013（c）翻转，翻转后＝0，由于开机置“0”时或门（1）（见图6）输出的正脉冲将CC4013（c）的 Q3 端置“0”，因此＝1，经二极管2AP9迅速给电容C2充电，使C2 二端的电压达“1”电平，而此时＝0，电容器C2 经电位器RW1 缓慢放电。当电容器 C2 上的电压放电降至非门（3）的阈值电平VT 时，非门（3）的输出端立即产生一个上升沿，触发下一级单稳态电路。此时，P3 点输出一个正脉冲，该脉冲宽度主要取决于时间常数Rt Ct 的值，延时时间为上一级电路的延时时间及这一级延时时间之和。

由实验求得，如果电位器RW1用510Ω的电阻代替，C2 取3μf，则总的延迟时间也就是显示器所显示的时间为3s左右。如果电位器RW1用2MΩ的电阻取代，C2 取22μf，则显示时间可达10s左右。可见，调节电位器RW1可以改变显示时间。

图5 延时电路

3.2.4自动清零电路：

P3 点产生的正脉冲送到图6所示的或门组成的自动清零电路，将各计数器及所有的触发器置零。在复位脉冲的作用下，Q3＝0，＝1，于是端的高电平经二极管2AP9再次对电容C2电，补上刚才放掉的电荷，使C2两端的电压恢复为高电平，又因为CC4013(b)复位后使 Q2 再次变为高电平，所以与非门1又被开启，电路重复上述变化过程。

图6 自动清零电路

说明：CC4553三位十进制计数器引脚排列及功能：

图7 CC4553三位十进制计数器引脚排列

输入

输出

R CP INH LE

0 ↑ 0 0 不变

0 ↓ 0 0 计数

0 × 1 × 不变

0 1 ↑ 0 计数

0 1 ↓ 0 不变

0 0 × × 不变

0 × ×↑ 锁存

0 × × 1 锁存

1 × × 0 Q0～Q3 ＝0

表1 CC4553三位十进制计数器

3.3硬件电路原理图：

3.4 PCB版图设计：

图9 电路PCB板排布

4、课程设计总结：

4.1 设计任务完成情况

刚开始设计的时候，由于控制电路这部分比较难搞定，所以在连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最后搞定控制电路的连接。最后完成的一块电路板，它所实现的功能就是可以测被测信号的频率，周期和脉宽。在调测的过程中发现测量频率时，档位在1Hz~999Hz，最终得到的结果的误差稍微大了点，其他的测量结果非常接近测量值。

4.2 问题及改进

由于电路里面使用的电容元件，在实验的时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所

以在测量前要调节电位器，把产生的方波信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使

输出的信号非常接近1KHz，这样的话在后面的测量中会减小误差。找出不符合理论的那部分，对照电路图进行检查修改，最后发现有的芯片的使能端没有接地，导致元件的功能没有实现。所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。不然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。在最终测量频率很低的时候，那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。

5、参考文献：

（1）童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2002

（2）张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2004

（3）陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：机械工业出版社，2005

（4）毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2005

（5）潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：西安电子科技大学出版社，2002

（6）张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：航空工业出版社，2004