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1、毕业论文简易数字频率计设计目录摘 要1Abstract1引言2第一章 技术指标31.1整体功能要求31.2系统结构要求31.3电气指标3第二章 整体方案设计42.1 算法设计42.2 整体方框图及原理4第三章 单元电路设计73.1 时基电路设计73.2闸门电路设计73.3控制电路设计83.4 小数点显示电路设计103.5整体电路图11第四章 设计小结124.1 设计任务完成情况124.2 问题及改进124.3心得体会12致谢13参考文献13摘 要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且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
2、电子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，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简单的数字频率计的过程。关键词：数字频率计、信号、周期AbstractBe one of the most fundamental parameter in electron technology medium frequency,parameter measurem
3、ent scheme , measurement result all have very close something to do with a lot of electricity and,the frequency measurement looks like being more important therefore right away. The method measuring frequency has various, among them the electronic counter measures frequency having accuracy height,us
4、age is convenient, measurement is prompt,easy to realize measurement process automation waits for merit and ,is one of the important means that frequency measures. The electronic counter measures frequency having two kinds way: Measure frequency law first directly,be to measure the pulse number the
5、signal is measured within certain sluice gate time; Two is indirect measure frequency law,if the period measures frequency law. Measure frequency law directly applying to the high frequency signals.Keywords：Figure frequency meter、Signal、Period引言 本次设计要求设计一个数字频率计。能够用来测量正弦信号和矩形信号波形工作频率的仪器。其测量结果直接用十进制数字
6、显示。其原理是根据每个门闸时间内高频标准脉冲的个数与已知被测信号的个数，求得被测信号频率。设计主要由时基电路，放大整形电路，闸门电路，计数器等实现。电路的设计主要依据了数字电路和模拟电路的知识，并将完成其对信号的频率和周期的测量。第一章 技术指标1.1整体功能要求频率计主要用于测量正弦波、方波周期信号的频率值和周期，以及脉冲波的脉冲宽度。1.2系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。显示电路被测信号测量电路 档位转换数字频率计整体方案结构方框图1.3电气指标1.3.
7、1被测信号波形：正弦波、方波、脉冲波1.3.2 测量频率范围：分三档：1Hz1kHz、1kHz100kHz、0.1MHz1MHz1.3.3 测量周期范围：1ms1s1.3.4 测量脉宽范围：1ms 1.3.5测量精度：0.1% 第二章 整体方案设计2.1 算法设计 频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。 1sttt被测信号闸门信号闸门输出信号图2-1 频率测量算法示意图被测信号输入电路闸门显示电路闸门产生计数电路 图2-2 频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信
8、号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在量级，则要求闸门信号的精度为量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为，闸门信号的误差不大于0.0001s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸
9、门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在范围内。2.2 整体方框图及原理衰减放大时基电路振荡器整形电路控制电路计数电路译码显示闸门电路fxK1K2K3图2-3 测量频率的原理框图时基电路整形电路二分频闸门电路控制电路锁存电路译码显示计数电路fx图2-4 测量周期的原理框图输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路。在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入
10、信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，使被测信号得以放大。频率测量：测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3个档位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。周期测量：测量周期的原理框图2-4.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰
11、好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期，N为计数器脉冲计数值，Ts为时基信号周期。时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器。由于被测信号范围为1Hz1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档： 1Hz1kHz档采用1s闸门脉宽，1kHz100kHz档采用0.1s闸门脉
12、宽；0.1MHz1MHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1s、0.1s、0.01s。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在设计中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使其能够产生1kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。第三
13、章 单元电路设计3.1 时基电路设计 图3-1 时基电路与分频电路它由两部分组成，如图3-1所示，第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路)，要求其产生1000Hz的脉冲。振荡器的频率计算公式为：f=1.43/(R0+2*R1)*C),因此,我们可以计算出各个参数。通过计算确定了R1取430欧姆，R3取510欧姆，电容取1uF。这样我们得到了比较稳定的脉冲。在R0和R1之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。第二部分为分频电路,主要由4518组成，因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0
14、.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，经过Q3端输出即为10分频后信号。 3.2闸门电路设计图3-2 闸门电路 如图3-2所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz。这里我们以输出100Hz的信号为例。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功
15、能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。3.3控制电路设计通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，4511的锁存信号。图3-3 控制电路、计数电路和译码显示电路控制电路、计数电路和译码显示电路详细的电
16、路如图3-3所示。当CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。PT（ENP、ENT）是高电平的时候计数器74160开始工作。CLR为低电平的时候，计数器74160清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据4511的功能表可知，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不
17、显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。下面分别说明一下测量频率、周期和脉宽的方法原理。当CBA输入为011时，那么两个74153的BA端分别接了01，4017的输入的CP的频率为100Hz，此时的功能是测量范围是0.1MHz1MHz。这部分是测量频率的功能。测量周期的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为闸门信号。测量周期的时候只需将CBA置100就可以实现了。当CBA为100的时候，74153的1Y输出的信号为标准1k时基信号。这个信号作为74160的CLK信号。根据图可以知道74151的输出的信号是被测信号fx，经过4017后的
18、输出信号信号Q1、Q2的脉宽刚好为fx的周期，这个原理在前面测量频率部分已经介绍过，这里就不再重复了。其中Q1信号经过与非门74132和非门7404，就可以作为74160的CLR端的清零信号，Q2的信号接74160的PT（ENP、ENT）端作为闸门信号，在PT一直为高电平的时候计数器计数。PT的高电平持续的时间刚好为fx的周期。在闸门导通的时间，即PT一直为高电平的时候，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期，用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期，N为计数器脉冲计数值，Ts为时钟信号周期。最后是测量脉宽部分的说明。测量脉冲宽度
19、的原理与测量周期的原理十分相似。所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间。在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期，并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。3.4 小数点显示电路设计在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。比如CBA接011测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.1MHz1MHz，那么在显示的时候三个数码管的第一个数码管的小数点要显示。CBA接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是1KHz100KHz，那么显示的时候，第二个数码管的小数点也要显示。对比一下两个输
20、入的高低电平可以发现BA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图3-4所示。图3-4 小数点显示电路3.5整体电路图图3-5 整体电路图第四章 设计小结4.1 设计任务完成情况通过为期两个月的毕业设计，基本完成了本次设计的设计要求，刚开始设计的时候，由于控制电路这部分比较难，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，在实际的设计中，先连好时基电路、分频电路，再把显示电路和计数电路连好，达到预期要求。4.2 问题及改进在设计由555构成的多谐振荡器输出的方波信号时，由于电路里面使用的电容元件，随着温度的变
21、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，为了提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，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。该设计也存在一个问题，因为被测信号往往是未知的，那势必就存在一种方法转换问题，且在整个频段测频精度不一样。4.3心得体会本次设计让我体味到设计电路过程中的苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从图书馆查找资料到理论分析再到最后电路的设计，都对我所学的知识进行了检验。在设计的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。最重要的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对设计中出现的问题进行分析解决。参考文献1罗振中.模拟电子技术.北京：清华大学出版社，2005.05 2康华光.电子技术基础-数字部分.北京：高等教育出版社，2006.0113