简易数字频率计设计 完整版
河南科技大学
课程设计说明书
课程名称现代电子系统设计
题目简易数字频率计设计
学院＿＿电信学院＿＿＿＿＿
班级＿＿＿＿＿＿＿
学生姓名____________________
指导教师＿＿＿＿＿＿＿＿＿
日期＿＿2010-01-10＿＿＿＿＿＿
课程设计任务书
（指导教师填写）
课程设计名称现代电子系统课程设计学生姓名刘轮辉专业班级电信科071 设计题目简易数字频率计设计
一、课程设计目的
掌握高速AD的使用方法；
掌握频率计的工作原理；
掌握GW48_SOPC实验箱的使用方法；
了解基于FPGA的电子系统的设计方法。
二、设计内容、技术条件和要求
设计一个具有如下功能的简易频率计。
（1）基本要求：
a．被测信号的频率范围为1～20kHz，用4位数码管显示数据。
b．测量结果直接用十进制数值显示。
c．被测信号可以是正弦波、三角波、方波，幅值1～3V不等。
d．具有超量程警告（可以用LED灯显示，也可以用蜂鸣器报警）。
e．当测量脉冲信号时，能显示其占空比（精度误差不大于1%）。
（2）发挥部分
a．修改设计，实现自动切换量程。
b．构思方案，使整形时，以实现扩宽被测信号的幅值范围。
三、时间进度安排
布置课题和讲解：1天查阅资料、设计：4天
实验：3天撰写报告：2天
四、主要参考文献
何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社2008.1
潘松黄继业《EDA技术实用教程》科学出版社2006.10
指导教师签字：2009年12月14日
目录
一、摘要 (4)
二、系统方案论证 (4)
2.1频率测量方案 (5)
三、数字频率频率计的基本原理 (6)
四、各个模块设计 (7)
4、1 A/D模数转换模块 (8)
4、2 比较模块 (9)
4、3 频率和占空比测量模块 (10)
五、各个模块仿真波形 (12)
六、心得体会 (14)
七、参考文献 (15)
附录一 (16)
附录二 (22)
一.摘要
频率计是数字电路中的一个典型应用，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。设计所要达到的效果，同时此设计具有抗干扰性强、易于传输 ,较高的测量精度等特点。数字频率计是一种基础测量仪器，在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计,测量频率的方法有多种,其中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,测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。
关键词：频率计、仪器、频率、精度、脉冲个数
二.系统方案论证
由于本课程设计是基于特定的硬件平台，在GW48-SOPC实验开发系统上进行实现对被测信号通过AD进行转换，把转换的结果和给定的阈值进行比较，产生相应的脉冲信号。得到脉冲信号之后，先进行频率测量，给定1S的基准信号，在1S信号内对脉冲信号进行计数，计数的方式采用BCD码，然后把计数结果直接送数码管显示，对应的就是十进制的数值。为了实现占空比精度的要求，在适当的范围内竟可能提高基准信号的频率。通过一个led灯来表示相应的单位。然后对脉冲信号进行占空比测量，给定一个高频的基准信号，在脉冲信号的高电平期间对脉冲信号进行计数，把计数结果进行相应的运算，运算结果直接送数码管显示，对应的也是十进制显示。对于报警信号，我设计的方案是接数码管显示，频率超过3khz时就会发出警告，数码管指示灯全部变为0。
下面是简单的系统原理框图：
系统原理框图
2.1频率的测量
对于频率的测量没有现成的硬件模块，因此对于频率的测量需要我们用VHDL 语言进行实现。对于频率的测量主要考虑有两种实现方案。
方案一：
直接测频法
测频法就是在确定的闸门时间Tw 内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）Nx ，则被测信号的频率为：fx=Nx/Tw 。
TW
NX
闸门信号
被测信号
测量的过程如图所示，在TW 时间内通过计数器记录被测信号脉冲的个数，然后把记录结果锁存，经过运算后，送数码管显示，即为所测频率。， 方案二： 测周期法
测周期法需要有标准信号的频率fs ，这个标准信号应该取一个频率适中的高频信号，在待测信号的一个周期Tx 内，记录标准频率的周期数Ns ，则被测信号的频率为：fx=fs/Ns 。
被测信号
标准信号
TX
NS
测量测周期法的过程如上图所示，在待测信号的一个周期Tx 内，记录标准信号周期的个数，然后把记录结果锁存，经过运算后，送数码管显示，即为所测频率。，
比较一二两种方案：
这两种测频率的原理基本一样，都是通过在给定的时间内记录脉冲的个数，经过一定的运算处理，得出结果显示出来。并且这两种方案的计数值都会产生误差，都与计数器中记录的数值Nx 或Ns 有关。但是考虑到用VHDL 语言编写乘除的算法比较困难，并且经过乘除运算后所得结果的误差较大，因此选用方案一。
方案一得好处是闸门信号直接可以选择1S 的时钟信号，在这1S 时间内记录的被测信号脉冲的个数，正好就是被测信号的频率，不再需要进行运算处理。不但减少编程的难度，而且也减小了实验的误差。因为侧周期法的标准信号是一个高频信号，在不同的被测信号的脉冲下所造成的误差有很大的不同。而在1S 闸门信号下，记录的脉冲个数，对于所有被测信号的产生的误差基本是一样。考虑到以上的各因素，我认为方案一是比较理想的选择。
三.数字频率频率计的基本原理
（1） 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）从频率计的基本原理出发，根据基本要求可以得到如图3的系统框图：
图3 数字频率计原理框图
四. 各个模块设计
本系统除了特定硬件资源外，还需通过软件实现四个模块的设计，分别是：（1）数模转换模块：A/D数模转换，为把数字信号转换为信息基本相同的模拟信号而设计的处理过程。将信号发生器传过来的模拟信号转化成数字信号。
(2)比较器模块：输出量数值与规定的参比值相比较，以产生一个差值信号
(误差信号)的器件。
(3)频率和占空比测量模块：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、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。
4、1 A/D数模转换控制模块
通过编程实现对ADC0809的控制，具体的程序见附录，其控制模块见下图：AD0809的工作过程是：输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，ALE，START，OE，ADDA都是ADC0809的控制信号，ADDA为模拟通道选择，低电平选择通道0，ALE为通道地址锁存信号，START为启动AD转换的信号，OE为ADC0809转换结果输出的使能信号。
数模转换控制模块的部分程序如下：
begin
ADDA<='1';
y5<=REGL;LOCK0<=LOCK;
COM:process(CURRENT_STATE,EOC)
BEGIN
CASE CURRENT_STATE IS
WHEN ST0=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0';NEXT_STATE<=ST1; WHEN ST1=>ALE<='1';START<='1';LOCK<='0';OE<='0';NEXT_STATE<=ST2; WHEN ST2=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0';
IF (EOC='1') THEN NEXT_STATE<=ST3;ELSE NEXT_STATE<=ST2;
END IF;
WHEN ST3=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='1';NEXT_STATE<=ST4; WHEN ST4=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='1';OE<='1';NEXT_STATE<=ST0; WHEN OTHERS=>NEXT_STATE<=ST0;
END CASE;
END PROCESS COM;
REG:PROCESS(CLK10)
上述程序中为ADDA为1时，为通道1，当ST0=0，START<='0';LOCK<='0';OE<='0'时从状态0转换到状态1；实现了从状态1到状态2，从状态3到状态4，再从状态4到状态0，把输入信号转化为二进制。然后作为比较器的输入信号。在比较器中和阀值进行比较。
其具体与ADC0809的连接电路图如下：
转换时钟
4、2 比较模块
数字比较器用于数字信号的比较，例如，数据A和B比较，如果A>B，则输出A大于B的结果信号FA>B=1，FA=B=0，FA 部分程序如下: begin process(y5) begin if y5>="10000000"then fin<='1'; else fin<='0'; end if; end process; end block BJ; 上述程序中选取阀值为1000000，当大于阀值时，输出为高电平，低于阀值时输出为低电平。从而实现了把正弦波，三角波转换为方波。然后输入到频率和占空比的控制模块中。 通过编程实现的比较模块见下图：经过Q[7..0]输出的结果，直接给d[7..0]做为输入，然后用输入和这个阈值作比较，如果大于则输出为高电平，小于或等于则输出为低电平。 4、3 频率和占空比测量模块 Clk3M为系统时钟信号，clkin是输入的时钟信号，fin是经过过比较器后的输入信号，在1S的信号下对fin信号进行计数。计数器，要求低位的计数值溢出信号做为高位的输入信号，从而显示频率的计量。Cnp1[3…0]为计算频率计的khz位，cnp2[3…0]为频率计数位的hz位，cnp3[3…0]为频率计数位的个位，cnp4[3…0]系统占用的位，cnp5[3…0]和beef对应的数码管是显示占空比，hz和khz是被系统占用的位。在fin的高电平期间就对这个基准脉冲信号的个数进行计数同时也在fin二分频后的高电平期间对这个基准信号进 行计数，把这两个得到的计数结果进行相除运算，相除后得到的结果进行个位和十位分离，然后再进行进制转换，送到数码管中显示。 占空比部分程序如下： begin if f3='1' then n1<=0;m1<=0;l1<=0; else if clk7'event and clk7='1' then if g1='1' then n1<=n1+1; end if; end if; if clk7'event and clk7='1' then if f2='1' then m1<=m1+1; end if; end if; end if; l1<=m1*100/n1; end process p5; p6:process(m1,n1) begin y3(3 downto 0)<=conv_std_logic_vector(l2 rem 10,4); y3(7 downto 4)<=conv_std_logic_vector(l2/10 rem 10,4); end process p6; end block ZKB; 上面程序中m1为高电平时的所得到的频率，n1为一个周期的频率。把12 和10求余，结果转换成四位二进制，得到的就为显示占空比的个位，把上述求余后再和10求余，结果转换成四位二进制，所得到的就是显示数码管的十位，二个就是显示占空比的二位数码管。 五.各个模块仿真波行 各个模块的源程序见附录，对于各个模块的仿真如下： A/D模数转换模块： 如果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，则要作进一步检测。 比较模块： 正常情况下，可以观测到与输入频率一致、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时，也需要进一步检查程序。 频率和占空比模块测量： 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。电路中Clkin为1Hz信号，Clk3M为系统时钟的基准信号。fin是输入的脉冲信号，cnp1,https://www.wendangku.net/doc/b512799882.html,p3为记数码管的khz，hz 和个位。Cnp5和beef为显示在数码管中的占空比。在仿真中也应该给一个较高频率的时钟信号，对于占空比测量，在可以允许的范围内应竟可能的给一个高频的基准信号，因为频率越高输出的占空比结果会越接近真实值。 对总的系统仿真： 正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。但是由于显示的是高频的信号，在输入时往往会有一些不正确，有一些功能没有显示出来，占空比不稳定等，我在程序中找到了一些错误。通过检测与分析找出原因，消除故障，减小误差。 六.心得体会 在这实习的两周中，我了解到了很多书本上未曾有过的东西。在我多次陷入困境时找到了出路，从而使我们能轻松完成此次设计。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,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量。我们在此次实习中，理论结合实际，提高和培养创新能力，为后续课程的学习，毕业设计，毕业后的工作打下基础。同时，结合实践操作，可以体现现代化的设计方法和理念，使电子课程设计在培养我们能力方面，得到比较大的提高。通过此次的课程设计，我对数字电子课本上的基本知识有了更深刻的领悟和掌握。由于我设计的是数字频率计，涉及的知识面很广，所以我查阅了很多的书籍，并上网查阅了相关的知识，才完成了这份课程设计。在这个过程中，遇到了种种的问题，但是通过老师和同学的帮助，以及查阅书籍，最终解决了问题。 本次课程设计在王老师和同学的大力帮助下，我才得以完成大学里第一次的课程设 计。在次，向老师和同学表示感谢。在课程设计中，难免有错误，希望老师和同学帮助 改正，使我的运用知识的能力有更大的提高。 七.参考文献 （1）现代电子系统设计浙江大学出版社何小艇主编 （2）EDA技术使用教程科学出版社潘松编著 （3) 电子技术基础（数字部分），康华光，高等教育出版社，1998年（4) 实用电子电路手册，高等教育出版社，1992年 （5) 新型集成器件实用电路，杨帮文，电子工业出版社，2002年 （6) 电子技术课程设计书，艾永乐、付子义，焦作工学院电气系，1998年 附录一： 系统总电路图 附录二： 模数转换模块： library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all; entity LL is port(y1:in std_logic_vector(7 downto 0); d,e,clk,CLK10,eoc:in std_logic; a,b,c:buffer std_logic; adclk:out std_logic; ALE,START,OE,ADDA,LOCK0:OUT STD_LOGIC; y:out std_logic_vector(15 downto 0)); end; architecture bhv of LL is signal clk1,clk2,clk3,clk4,clk5,clk6,clk7,fin:std_logic; signal l:integer range 0 to 2; signal m:integer range 0 to 5; signal n:integer range 0 to 5999999; signal f,g,h:std_logic; signal dout,din:std_logic_vector(19 downto 0); signal cc:std_logic:='0'; signal n1:integer range 0 to 999999; signal m1:integer range 0 to 199999; signal l1,l2:integer range 0 to 99; signal y3,y4:std_logic_vector(7 downto 0); signal f1,g1,h1,f3,f2:std_logic; signal y2,y5:std_logic_vector(7 downto 0); begin ad:block TYPE STATES IS (ST0,ST1,ST2,ST3,ST4); signal CURRENT_STATE,NEXT_STATE:STATES:=ST0; signal REGL:std_logic_vector(7 downto 0); signal LOCK:std_logic; begin ADDA<='1'; y5<=REGL;LOCK0<=LOCK; COM:process(CURRENT_STATE,EOC) BEGIN CASE CURRENT_STA TE IS WHEN ST0=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0';NEXT_STATE<=ST1; WHEN ST1=>ALE<='1';START<='1';LOCK<='0';OE<='0';NEXT_STATE<=ST2; WHEN ST2=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='0'; IF (EOC='1') THEN NEXT_STATE<=ST3;ELSE NEXT_STATE<=ST2; END IF; WHEN ST3=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='0';OE<='1';NEXT_STATE<=ST4; WHEN ST4=>ALE<='0';START<='0';LOCK<='1';OE<='1';NEXT_STATE<=ST0; WHEN OTHERS=>NEXT_STATE<=ST0; END CASE; END PROCESS COM; REG:PROCESS(CLK10) BEGIN IF (CLK10'EVENT AND CLK10='1') THEN CURRENT_STATE<=NEXT_STATE; END IF; END PROCESS REG; LATCH1:PROCESS(LOCK) BEGIN IF LOCK='1' AND LOCK'EVENT THEN REGL<=y1; END IF; END PROCESS LATCH1; END block ad; 比较模块 begin process(y5) begin if y5>="10000000"then fin<='1'; else fin<='0'; end if; end process; end block BJ; FP:block begin process(clk) begin if clk'event and clk='1' then if n=5999999 then clk1<=not clk1;n<=0; else n<=n+1; if m=5 then clk2<=not clk2;m<=0; else m<=m+1; if l=2 then clk3<=not clk3;l<=0; else l<=l+1; end if; end if; end if; end if; end process; end block FP; 频率计模块 begin p1:process(clk1) begin if clk1'event and clk1='1' then clk4<=not clk4; end if; end process p1; p2:process(clk1,clk4) begin if clk1='0' and clk4='0' then g<='1'; else g<='0'; end if; f<=not clk4; h<=clk4; end process p2; p3:process(f) begin if f'event and f='1' then din<=dout;c<=cc; end if; end process p3; p4:process(fin,g,h) begin if g='1' then dout<=(others=>'0');cc<='0'; elsif fin'event and fin='1' then if h='1' and cc='0' then if dout(3 downto 0)="1001" then if dout(7 downto 4)="1001" then if dout(11 downto 8)="1001" then if dout(15 downto 12)="0010" then --if dout(19 downto 16)="0001" then cc<='1'; --else dout(19 downto 16)<=dout(19 downto 16)+'1';cc<='0'; --end if; dout(15 downto 12)<="0000"; else dout(15 downto 12)<=dout(15 downto 12)+'1'; end if; dout(11 downto 8)<="0000"; else dout(11 downto 8)<=dout(11 downto 8)+'1'; end if; dout(7 downto 4)<="0000"; else dout(7 downto 4)<=dout(7 downto 4)+'1'; end if; dout(3 downto 0)<="0000"; else dout(3 downto 0)<=dout(3 downto 0)+'1'; end if; end if; end if; end process p4; end block PLJS; 4.2.3简易数字频率计电路设计 数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。 一、设计目的 1. 了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理； 2. 熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。 二、设计任务与要求 要求设计一个简易的数字频率计，测量给定信号的频率，并用十进制数字显示，具体指标为： 1.测量范围：1HZ—9.999KHZ，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. 三、数字频率计基本原理及电路设计 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 fx=N/T 。因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。可见数字频率计主要由放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成，总体结构如图4-2-6： 图4-2-6数字频率计原理图 从原理图可知，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，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度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fx=N/THz。可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.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。 1.放大整形电路 放大整形电路可以采用晶体管 3DGl00和74LS00，其中3DGl00组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。 2.时基电路 时基电路的作用是产生标准的时间信号，可以由555组成的振荡器产生，若时间精度要求较高时，可采用晶体振荡器。由555定时器构成的时基电路包括脉冲产生电路和分频电路两部分。 （1）555多谐振荡电路产生时基脉冲 采用555产生1000HZ振荡脉冲的参考电路如图4-2-7所示。电阻参数可以由振荡频率计算公式f=1.43/((R1+2R2)*C)求得。 （2）分频电路 由于本设计中需要1s、0.1s、10ms、1ms四个闸门时间，555振荡器产生1000HZ，周期为1ms的脉冲信号，需经分频才能得到其他三个周期的闸门信号，可采用74LS90分别经过一级、二级、三级10分频得到。 图4-2-7 555多谐振荡电路 3. 逻辑控制电路 在时基信号II结束时产生的负跳变用来产生锁存信号Ⅳ，锁存信号Ⅳ的负跳变又用来产生清“0”信号V。脉冲信号Ⅳ和V可由两个单稳态触发器74LSl23产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。触发脉冲从B端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q可获得一正脉冲, Q非端可获得一负脉冲，其波形关系正好满足Ⅳ和V的要求。手动复位开关S按下时，计数器清“ 0 ”。参考电路如图4-2-8 图4-2-8数字频率计逻辑控制电路 4.锁存器 锁存器的作用是将计数器在闸门时间结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值．闸门时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号Ⅳ，将此时计数器的值送译码显示器。选用8D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 长安大学 电子技术课程设计 数字频率计的设计 专业： 班级： 姓名 指导教师： 日期： 目录 引言 第一章系统概述 一、设计方案的选择 1、计数法 2、计时法 二、整体框图及原理 第二章单元电路设计 一、放大电路设计 二、闸门电路设计 三、时基电路设计 四、控制电路设计 五、报警电路设计 六、整体电路图 七、整机元件清单 第三章设计小结 一、设计任务完成情况 二、问题及改进 三、心得体会 鸣谢 附录 引言 题目：数字频率计的设计 初始条件： 本设计可以使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路构建简易频率计，用数码管显示频率计数值。 要求完成的主要任务： ①设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，并用发光二极管表示单位。 ②测量频率的范围：100hz—100khz。 ③测量信号类型：正弦波和方波。 ④具有超量程报警功能。 摘要： 本次课程设是基于TTL系列芯片的简易数字频率计,数字频率计应用所学的数字电路和模拟电路的知识进行设计。在设计过程中，所有电路仿真均基于Multisim仿真软件。本课程设计介绍了简易频率计的设计方案及其基本原理，并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。三是是对本次课程设计的总结。 关键字：频率计、TTL芯片、时基电路、逻辑控制、分频、计数、报警 第一章系统概述 一、设计方案的选择 信号的频率就是信号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。测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称测频法和测周期法。 1、计数法 计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。如图（1-1-1） 计数值N1 被测信号 标准闸门 T 图 1-1-1 测频法测量原理 设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：δf1=(f1-f)/f=1/f 从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。 简易数字频率计设计报告 设计内容： 1、测量信号：方波、正弦波、三角波； 2、测量频率范围: 1Hz~9999Hz； 3、显示方式：4位十进制数显示； 4、时基电路由由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）； 5、当被测信号的频率超出测量范围时，报警。 设计报告书写格式： 1、选题介绍和设计系统实现的功能； 2、系统设计结构框图及原理； 3、采用芯片简介； 4、设计的完整电路以及仿真结果； 5、Protel绘制的电路原理图； 6、制作的PCB； 7、课程设计过程心得体会（负责了哪些内容、学到了什么、遇到的难题及解决方法等）。 电子课程设计过程： 系统设计→在Multisim2001下仿真→应用Protel 99SE绘制电路原理图→制作PCB →撰写设计报告 简易数字频率计课程设计报告 第一章技术指标 1.1整体功能要求 1.2系统结构要求 1.3电气指标 1.4扩展指标 1.5设计条件 第二章整体方案设计 2.1 算法设计 2.2 整体方框图及原理 第三章单元电路设计 3.1 时基电路设计 3.2闸门电路设计 3.3控制电路设计 3.4 小数点显示电路设计 3.5整体电路图 3.6整机原件清单 第四章测试与调整 4.1 时基电路的调测 4.2 显示电路的调测 4-3 计数电路的调测 4.4 控制电路的调测 4.5 整体指标测试 第五章设计小结 5.1 设计任务完成情况 5.2 问题及改进 5.3心得体会附录 参考文献 第一章技术指标 1.整体功能要求 频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。 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。 数字频率计整体方案结构方框图 3.电气指标 3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。 3.2 测量频率范围：分三档： 1Hz~999Hz 0.01kHz~9.99kHz 0.1kHz~99.9kHz 3.3 测量周期范围：1ms~1s。 3.4 测量脉宽范围：1ms~1s。 3.5测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误 差）。 3.6当被测信号的频率超出测量范围时,报警. 4.扩展指标 要求测量频率值时，1Hz~99.9kHz的精度均为+1。 . . . . 哈尔滨工业大学 简易频率计的仿真设计 目录 1．设计要求 2. 总电路图及工作原理 3.电路组成介绍 3.1脉冲形成电路 3.2闸门电路 3.3时基电路 3.4计数译码显示电路 4. 电路的测试 5. 分析与评价 附录：元器件清单 1．设计要求 本次设计任务是要求设计一个简易的数字频率计，即用数字显示被测信号频率的仪 2 器，数字频率计的设计指标有： 1. 测量信号：正弦信号、方波信号等周期变化的物理信号； 2. 测量频率范围：0Hz~9999Hz； 3. 显示方式：4位十进制数显示。 2.电路工作原理 频率计总电路图如下所示： 2 频率计的基本原理：通过将被测周期信号整形为同频率的方波信号后，利用555定时器组成的振荡电路所产生的频率为1Hz的标准方波，作为基准时钟，与被整形后的方波信号一起经过闸门电路处理输入计数电路，再利用74LS90N的十进制计数功能进行级联计数，计数后输入8位数据/地址锁存器74LS273N以实现锁存和清零功能，最后输入到译码显示电路中，用BCD7段译码器显示出来，这样就实现了对被测周期信号的频率测量并显示的功能。 频率计的工作原理流程图如下所示： 3.电路组成介绍 3.1脉冲形成电路 脉冲形成电路由信号发生器与整形电路组成，输入信号先经过限幅器，再经过施密特触发器整形，当输入信号幅度较小时，限幅器的二极管均截止，不起限副作用。由555组成的施密特触发器对经过限幅器的信号进行整形得到标准的方波信号。线路图如下所示： 2 3.2闸门电路 闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲，在电路中用一个与非门来实现（如下图所标注）。当标准信号（正脉冲）来到时闸门开通，被侧信号的脉冲通过闸门进入计时器计数；正脉冲结束时闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。 闸门电路 2 摘要 在电子技术领域中，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。本文设计的测量频率计由硬件电路和软件设计两部分组成。硬件电路以AT89S52单片机最小系统为核心，实现整个电路的测试信号控制、数据运算等功能，选用74LS160作为分频电路，并通过LCD显示模块显示测量的数据。软件设计包括：单片机定时计数程序、LCD显示程序等。该数字频率计可以对输入信号幅度为5V的正弦波信号、方波信号、三角波信号进行测量，测量的频率范围为1Hz--10MHz。测量的相对误差为 1%。本系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、使用方便等优点。 关键字:数字频率计；信号；单片机 Abstract In the electronics field, the frequency is one of the most basic parameters, and is very closely related to many electrical parameters measurement program, measurement results, so the measurement of frequency becomes even more important. The measurement of frequency designed in this text consist of two parts: the hardware and software design .the hardware circuitry take AT89S52 microcomputer as the core, to achieve the functions of controlling of the entire circuit of the test signals, data operations and choose 74LS160 as a frequency divider circuits, and through LCD display module shows measured data. Software design includes: MCU timer counting procedures, LCD display procedures and so on. The digital frequency meter can measure amplitude sine wave signal, square wave, triangle wave signals of which input signal is 5v, the frequency measured ranges from 1Hz to10MHz. The relative measurement error is 1%. This system has the advantage of compact structure , small size, high reliability, test frequency range, and easy use. Keyword:Figure frequency meter；Signal；Single-chip 目录 目录 1. 引言 (1) 2．设计任务书 (1) 3. 数字频率计基本原理 (1) 3.1 设计思路 (1) 3.2 原理框图 (2) 4. 设计步骤及实现方法 (2) 4.1 信号拾取与整形 (2) 4.2 计数电路 (3) 4.3 锁存电路 (5) 4.4 译码显示电路 (6) 4.5 时钟电路及波形设计 (7) 5 总体电路图及工作原理 (10) 6 元器件的检测与电路调试缺点分析 (12) 7 心得体会 (12) 参考文献 (13) 1. 引言 数字频率计是一种基础测量仪器，在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。本设计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与调试的方法和步骤。 2．设计任务书 1、设计题目：数字频率计 2、设计出一个数字频率计，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 ）显示方式：4位十进制数显示。 （ 5 ）电源： 220V 、 50Hz 。 3、给定仪器设备及元器件 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。 4．电路原理要求简单，便于制作调试，元件成本低廉易购。 3. 数字频率计基本原理 3.1 设计思路 （1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一圆盘，在圆盘上挖一小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈既光电管导通一次，利用此信号做为脉冲计数所需。 （2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。 （3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。测周电路的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的。 时钟实现方法很多，本电路采用晶振电路，已求得高精度的时钟需求。3.2 原理框图 图3-1 系统框图 课程设计任务书 学生：专业班级：通信 指导教师：工作单位：信息工程学院 题目: 数字频率计的设计与实现 初始条件： 本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形电路和必要的门电路等，也可以使用单片机系统构建简易频率计。用数码管显示频率计数值。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、课程设计工作量：1周。 2、技术要求： 1）设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz。 2）测量频率围：10~9999Hz。 3）测量信号类型：正弦波、方波和三角波。 4）测量信号幅值：0.5~5V。 5）设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1s。 6）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。 3、查阅至少5篇参考文献。按《理工大学课程设计工作规》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规。 时间安排： 1、2013年5 月17日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。 2、2013 年 6 月18 日至2013 年6 月22 日，方案选择和电路设计。 3、2013 年6 月22 日至2013 年7 月1 日，电路调试和设计说明书撰写。 4、2013年7月5日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 摘要 (3) 1电路的设计思路与原理 (4) 1.1电路设计方案的选择 (4) 1.1.1方案一：利用单片机制作频率计 (4) 1.1.2方案二：利用锁存器与计数器制作频率计 (5) 1.1.3方案三：利用定时电路与计数器制作频率计 (6) 1.1.4方案确定 (7) 1.2 原理及技术指标 (8) 1.3 单元电路设计及参数计算 (9) 1.3.1时基电路 (9) 1.3.2放大整形电路 (10) 1.3.3逻辑控制电路 (11) 1.3.4计数器 (13) 1.3.5锁存器 (15) 1.3.6译码电路 (16) 2仿真结果及分析 (16) 2.1仿真总图 (16) 2.2单个元电路仿真图 (17) 2.3测试结果 (20) 3测试的数据和理论计算的比较分析 (20) 4制作与调试中出现的故障、原因及排除方法 (20) 4.1故障a (20) 4.2故障b (21) 4.3故障c (21) 4.4故障d (21) 4.5故障e (22) 5 心得体会 (22) 电气与信息工程学院 数字频率计 设计报告书 前言 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，是频率测量的重要手段之一。 其原理为通过测量一定闸门时间内信号的脉冲个数。本文阐 述了设计了一个简单的数字频率计的过程。 关键词：频率计，闸门，逻辑控制，计数-锁存 目录 第一章设计目的 第二章设计任务和设计要求 2.1 设计任务及基本要求 2.2.系统结构要求 第三章系统概述 3.1概述 3.2设计原理及方案 第四章单元电路设计及分析 4.1 时基电路 4.2逻辑控制电路 4.3计数电路 4.4锁存电路 4.5显示译码电路 4.6 闸门电路 第五章安装与调试过程 5.1 电路的安装过程 5.2 电路的调试过程 5.3 出现的问题及解决办法 第六章结果分析 第七章收获与体会 第八章元件清单 第九章实现结果实物图 附录A 参考文献 第一章 设计目的： 1.了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理； 2.熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误 差的方法。 3.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。 4.针对电子线路课程要求，对我们进行实用型电子线路设 计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养我们运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。 第二章 设计任务及要求： 2.1设计任务及基本要求： 设计一简易数字频率计，其基本要求是： 1)测量频率范围0～9999Hz； 2)最大读数9999HZ,闸门信号的采样时间为1s；. 3)被测信号可以是正弦波、三角波和方波； 4)显示方式为4位十进制数显示； 5)完成全部设计后，可使用EWB进行仿真，检测试验设计电路的正确性。 2.2.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。 波形 整 形 计 数 器 数 码 显 示 振荡 电 路分 频 器 控 制 门 数 据 锁 存 器 显 示 译 码 器 被测 信 号 数字频率计的设计 摘要：采用STC89C52RC单片机作为系统的核心控制器件，该系统采用直流供电，由信号输入模块、信号相加模块、滤波模块、信号比较器模块，电平转换模块组成，具有信号输入、测信号频率、测量矩形方波占空比的功能，并且具有测量精度高功耗低、抗干扰能力强等特点。 1 方案设计与比较 信号混合电路模块 方案一：同相加法器。加法器是一种数位电路，其可进行信号的加法计算。加法器是产生数的和的装置。加数和被加数为输入，和数与进位为输出的装置为半加器。若加数、被加数与低位的进位数为输入，而和数与进位为输出则为全加器。同相加法器输入阻抗高，输出阻抗低反相加法器输入阻抗低，输出阻抗高当选用同相加法器时，如A输入信号时，因为是同相加法器，输入阻抗高，这样信号不太容易流入加法器，反而更容易流入B端，而影响到B端的正常使用;同样，如B输入信号时，容易流入A端，而影响到A端的正常使用。 方案二：反相加法器。当选用反相加法器时，因为加法器输入阻抗低，不管是A端，还是B端信号，更容易流入加法器，而不会影响其它路的正常使用。 综上所述选择方案一。 滤波电路模块 方案一：选用有源二阶切比雪夫高通滤波器。切比雪夫滤波电路在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动，有可能有纹波波动导致电压达到施密特触发器的上限或下限出发电平，导致误触发，输出方波可能严重失真。 方案二：选用有源二阶巴特沃斯高通滤波器。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，由于巴特沃斯滤波电路的幅频响应曲线很平滑，没有起伏，可以有效规避施密特比较器中的误触发，所以选用幅频响应曲线最平滑的巴特沃斯型滤波器，可以有效规避误触发。 综上所述选择方案二。 宁波工程学院 电子信息工程学院 课程设计报告 课程设计题目：简易数字频率计 起讫时间：2011年05月23日至2011年06月03日 目录第一章技术指标 1.1整体功能要求 1.2电气指标 1.3扩展指标 1.4设计条件 第二章整体方案设计 2.1 算法设计 2.2 整体方框图 2.3 计数原理 第三章单元电路设计 3.1 波形变换电路 3.2 闸门电路设计 3.3小数点显示电路设计 第四章测试与调整 4.1 硬件测试与调整 4.2 软件测试与调整 4.3 整体指标测试 第五章设计小结 5.1 设计任务完成情况 5.2 问题及改进 5.3心得体会 附录 第一章技术指标 1.1整体功能要求 设计并制作一台数字显示的简易频率计，主要用于测量正弦波、方波等周期 信号的频率值。 1.2 电气指标 1.2.1 信号波形：方波； 1.2.2 信号幅度;TTL电平； 1.2.3 信号频率：100Hz～9999Hz； 1.2.4 测量误差：≤1%； 1.2.5 测量时间：≤1s／次，连续测量； 1.2.6 显示：4位有效数字，可用数码管，LED或LCD显示。 1.3扩展指标 1.3.1 可以测量正弦波信号的频率，电压峰－峰值VPP=0.1～5V； 1.3.2 方波测量时频率测量上限为3MHz，测量误差≤1%； 1.3.3 正弦（Vopp=0.1V~5V）测量时频率测量上限为3MHz，测量误差≤1%； 1.3.4量程自动切换，且自动切换为四位有效数字输出； 1.4设计条件 1.4.1 电源条件：+5V。 1.4.2开发平台：本系统以高速SOC单片机C8051F360和FPGAEP2C8T144为 核心，主要包括9个模块，其主要配置见表1-1。 表1-1数字电子系统设计实验平台模块一览 型号名称主要配置 MCU模块SOC单片机8051F360,CPLD芯片EMP3064TC44 74151 FPGA模块EMP3064TC44,串行配置芯片，JTAG和AS配置 接口 74153 LCD和键盘模块12864中文液晶，16个按键 7404 8位高速A/D模块30MHz8位A/D转换器ADS930,信号调理电路4518 10位高速D/A模块双路100MHz10位D/A转换器THS5651,差分放 大电路，反相器 电子测量实训报告 姓名：X X X 院系：X X X X 学院 专业：07电子信息工程 学号： 指导教师： 完成时间: 2010 年 9月 7 日 目录 第1章引言 (3) 1.1数字频率计的概述 (3) 1.2设计任务 (3) 1.3设计目的 (4) 1.4设计方案 (4) 1.5频率计设计原理 (5) 第2章系统硬件设计 (5) 2.1电路原理图设计 (5) 2.2单元电路介绍 (6) 2.3 74LS90引脚及其说明 (8) 2.4 74LS47的介绍 (9) 2.5 74LS123的介绍 (10) 第3章硬件调试 (11) 第4章实训小结 (10) 第5章附录 (13) 附录1 硬件电路原理图和连接图 (13) 附录2 元器件清单 (14) 附录3 参考文献 (14) 数字频率计的设计 摘要：本实训报告是关于数字频率计设计的简要介绍。采用直接测频法的方案来完成本次实训设计。其组成部分有时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。该设计主要用于数码管的显示功能，在四位LED数码管上对输入信号频率进行显示，并能够准确运行。 关键词：数字频率计、计数脉冲、单稳态电路、闸门电路、锁存、频率显示 第1章引言 1.1数字频率计的概述 数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波，方波，三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量他们的周期。数字频率计在测量其他物理量如转速、振荡频率等方面获得广泛应用。所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）里变化的次数。若在一定时间间隔T内测得的这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为：f =N/T。 1.2设计任务 设计一个数字频率计系统，频率在四位数码管上进行显示，如下图。从左到右依次为频率的千位、百位、十位、个位。 设计要求： （1）位数： 能计4位十进制数，计数位数主要取决于被测信号频率的高低，如果被测信号频率较高，精度又较高，可相应增加显示位数。 （2）量程： 最大读数为9999Hz，闸门信号的采样时间为1s。 （3）显示方式： 用七段LED数码管显示读数，做到显示稳定、不跳变。 简易数字频率计设计报告 目录 一.设计任务和要求 (2) 二.设计的方案的选择与论证 (2) 三.电路设计计算与分析 (4) 四.总结与心得..................................... 错误！未定义书签。2 五.附录........................................... 错误！未定义书签。3 六.参考文献....................................... 错误！未定义书签。8 一、 设计任务与要求 1.1位数：计4位十进制数。 1.2.量程 第一档 最小量程档，最大读数是9.999KHZ ，闸门信号的采样时间为1S. 第二档 最大读数是99.99KHZ ，闸门信号采样时间为0.1S. 第三档 最大读数是999.9KHZ ，闸门信号采样时间为10mS. 第四档 最大读数是9999KHZ ，闸门信号采样时间为1mS. 1.3 显示方式 （1）用七段LED 数码管显示读数，做到能显示稳定，不跳变。 （2）小数点的位置随量程的变更而自动移动 （3）为了便于读数，要求数据显示时间在0.5-5s 内连续可调 1.4具有自检功能。 1.5被测信号为方=方波信号 二、设计方案的选择与论证 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。 被测信号 图2-2 频率测量算法对应的方框图 输入电路 闸门 计数电路 显示电路 闸门产生 整体方框图及原理 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。时基信号有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，其两个暂态 课程设计任务书 学生姓名：覃朝光专业班级：通信1103 指导教师：工作单位：信息工程学院 题目: 数字频率计的设计与实现 初始条件： 本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形电路和必要的门电路等，也可以使用单片机系统构建简易频率计。用数码管显示频率计数值。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、课程设计工作量：1周。 2、技术要求： 1）设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz。 2）测量频率范围：10~9999Hz。 3）测量信号类型：正弦波、方波和三角波。 4）测量信号幅值：0.5~5V。 5）设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1s。 6）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。 3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 1、2013年5 月17日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。 2、2013 年 6 月18 日至2013 年6 月22 日，方案选择和电路设计。 3、2013 年6 月22 日至2013 年7 月1 日，电路调试和设计说明书撰写。 4、2013年7月5日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 摘要 (3) 1电路的设计思路与原理 (4) 1.1电路设计方案的选择 (4) 1.1.1方案一：利用单片机制作频率计 (4) 1.1.2方案二：利用锁存器与计数器制作频率计 (5) 1.1.3方案三：利用定时电路与计数器制作频率计 (5) 1.1.4方案确定 (6) 1.2 原理及技术指标 (6) 1.3 单元电路设计及参数计算 (8) 1.3.1时基电路 (8) 1.3.2放大整形电路 (9) 1.3.3逻辑控制电路 (9) 1.3.4计数器 (11) 1.3.5锁存器 (12) 1.3.6译码电路 (13) 2仿真结果及分析 (13) 2.1仿真总图 (13) 2.2单个元电路仿真图 (14) 2.3测试结果 (17) 3测试的数据和理论计算的比较分析 (17) 4制作与调试中出现的故障、原因及排除方法 (17) 4.1故障a (17) 4.2故障b (18) 4.3故障c (18) 4.4故障d (18) 4.5故障e (18) 5 心得体会 (19) 简易数字显示频率计的设计 摘要：本文应用NE555构成时钟电路，7809构成稳压电源电路，CD4017构成控制电路，CD40110和数码管组成计数锁存译码显示电路，实现可测量1HZ-99HZ这个频段的数字频率计数器。 关键词：脉冲；频率；计数；控制 1 引言 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，因此频率的测量显得很重要。测量频率的方法有很多,其中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。 2 电子计数器测频方法 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。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。 3 简易数字频率计电路组成框图 本设计主要运用数字电路的知识，由NE555构成时钟电路，7809构成稳压电源电路，CD4017构成控制电路，CD40110和数码管组成计数锁存译码显示电路。从单元电路的功能进行划分，该频率计由四大模块组成，分别是电源电路、时钟电路（闸门）、计数译码显示电路、控制电路（被测信号输入电路、锁存及清零）。电路结构如图1所示。 图1 简易数字频率计电路组成框图 4 单元模块电路设计 4.1电源电路 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率的稳压电源的组成如图2所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。 图2 电源电路 220V市电经220V/12V变压器T降压，二极管桥式整流电路整流，1000uF电容滤波后送人7809的输入端（1脚）。7809的第二脚接地，第三脚输出稳压的直流电压，C7、C8是为了进一步改变输出电压的纹波。红色发光管LED指示电源的工作状态，R9为LED的限流电阻，取值为5.1K。 4.2 时钟电路 电路如图3所示，由NE555构成的多谐振电路，3脚输出振荡脉冲，其中LED为黄色发光二极管，R1为5.1K，R2为1K，R3为10K，C1,C5为100UF,C4为0.01UF，C2为1000PF,R PE 选取10K。 图3 时钟电路 4.3计数、显示电路 (完整)数字频率计设计与制作 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)数字频率计设计与制作）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)数字频率计设计与制作的全部内容。 数字频率计设计与制作 王峰, 电子工程系 摘要:数字频率计是一种可以用十进制数字显示被测信号频率的测量仪器。被测信号可以是任何周期性变化的信号如正弦波、方波、三角波等等。如果加入放大电路，通过传感器则可以对许多微弱的、规律的物理量进行测量，例如声音、机械振动、转速的频率等等。使用频率计能让我们直观的看到信号的频率,其方便性、简单性、准确性使其具有较高的实用价值。因此数字频率计是一种应用很广泛的仪器，在计算机、通讯设备、自动化等科研生产领域起着重要作用。对于本次课题“数字频率计设计与制作”，我选用了555定时器产生时基信号，单稳态触发器74LS273来控制电路中的锁存，计数器74LS90来计数,74LS48进行译码并通过数码管显示。运用数字集成芯片给设计减少了很多不必要的麻烦。 关键词:数字频率计；锁存；译码；计数 Digital Frequency Meter Design and Fabrication Wangfeng, Electronic Information Engineering Abstract:Digital Frequency Meter is a measuring device， it can using decimal numeral reveal the signal frequency。 The measured signal was variety seasonal signal， such as sinusoidal wave, square wave， triangle wave and so on. If we using amplify circuit， we can also use sensing element measuring so many faint and regular signals， for example voice， inflexible vibrate and rotation rate. Digital Frequency Meter can make us intuitively sight the signal frequency，it’s conveniently, simply and accuracy， so it has enormously worthy in many fields, include computer， communication apparatus， automation equipment and so on。For about this subject study，the Digital Frequency Meter Design and Fabrication,I select 555_timer produce a normal time signal， using Monostable Trigger 74LS273 constitute flip-latch，using counter flip-flop 74LS90 count，using 74LS48 constitute a code translator and usig Mixie light reveal frequency。 Apply digital integrated circuit chip help me save so many time and reduce a number of inconvenience. Key words：Digital Frequency Meter； flip—flop; code translator; counter 数字频率计逻辑电路设计 一﹑简述 在进行模拟﹑数字电路的设计﹑安装和调试过程中，经常要用到数字频率计。 数字频率计实际上就是一个脉冲计数器，即在单位时间里（如1秒）所统计的脉冲个数，如图3.1计数时序波形图所示。频率数即为在1秒内通过与门的脉冲个数。 图3.1(a)门控计数 图3.1(b)门控序列 通常频率计是由输入整形电路﹑时钟振荡器﹑分频器﹑量程选择开关﹑计数器﹑显示器等组成。如图3.2所示。 图3.2 方框图 图3.2中，由于计数信号必须为方波信号，所以要用史密特触发器对输入波形进行整形，分频器输出的信号必须为1Hz，即脉冲宽度为1秒，这个秒脉冲加到与门上，就能检测到待测信号在1秒内通过与门的个数。脉冲个数由计数器计数，结果由七段显示器显示。二﹑设计任务和要求 设计一个八位的频率计数器逻辑控制线路，具体任务和要求如下： 1. 八位十进制数字显示。 2. 测显范围为1Hz~10MHz。 3. 量程分为四档，分别为*1000﹑*100﹑*10﹑*1。 三﹑可选用器材 1. NET系列数字电子技术实验系统 2. 直流稳压电源 3. 集成电路：频率计数器专用芯片ICM7216B，74LS93，74LS123，74LS390，7555及门电路 4. 晶振：8MHz，10MHz 5. 数显：CL102，CL002，LC5011—11 6. 电阻﹑电容等 四﹑设计方案提示 数字频率计可分为三部分进行考虑： 1. 计数﹑译码﹑显示 这一部分是频率计数器不可少的。即外部整形后的脉冲。通过计数器在单位时间里进行计数﹑译码和显示。计数器选用十进制的中规模（TTL/CMOS）集成计数器均可，译码显示可采用共阴或共阳的配套器件。例如计数器选用74LS161，译码器为74LS248，数显器为LC5011—11。也可选用四合一计数﹑寄存﹑译码﹑显示CL102或专用大规模频率计数器ICM7216芯片等。 中规模组成的计数﹑译码显示和四合一的数显。我们在基本实验和前几个课题中都已使用过，使用时，可参阅有关章节。下面介绍一下专用八位通用频率计数器ICM7216的特点及性能。 ICM7216是用COMS工艺制造的专用数字集成电路，专用于频率﹑周期﹑时间等测量。ICM7216为28管脚，其电源电压为5V。针对不同的使用条件和用途，ICM7216有四种类型产品，其中显示方式为共阴极LED显示器的为ICM7216 B型和D型，而显示方式为共阳极LED显示器的为ICM7216 A型和C型。图3.3为ICM7216B型的外管脚排列图。A﹑简易数字频率计
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