简易频率计设计报告

1一、设计任务与要求1.知识点及设计内容计数器、锁存器的工作、译码器、显示器的工作原理，限幅器和整形电路的工作原理；涉及芯片管脚及功能的使用。2.设计任务（1）频率计测量范围0~9999Hz，闸门信号采样时间为1s。（2）最大读数为9999Hz。（3）采用四位数码显示。（4）输入信号最大幅值可以扩展。二、设计的方案与论证频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的器电子测量仪器。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。频率计最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T（如下图①所示）。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。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。2①数字频率计的组成框图三、电路设计计算与分析1.原理说明输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。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，时被测信号得以放大。频率测量：测量频率的原理框图.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，作为计整形电路计数器寄存器显示器同步检测自动换挡量程选择分频器时钟3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，其两个暂态时间分别为T1=0.7（Ra+Rb）CT2=0.7RbC,重复周期为T=T1+T2。由于被测信号范围为1Hz~1MHz，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：1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz~99.9kHz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1ms、0.1ms、0.01ms。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。在实验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。使得能够产生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4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。控制电路工作波形的示意图如图2-5②10nFIC=0V10nFIC=0V5VLM555CMGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI1MΩ.控制电路工作波形的示意图如图2-5②2.单元电路设计（1）时基电路③为时基电路图5555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生50Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/((R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取107欧姆,R3取36欧姆,电容取0.01uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。（2）闸门电路闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号（1s脉冲）来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数，标准时间脉冲结束时（低电平时）闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。因此，闸门电路的逻辑功能由一个与非门来完成。设标准时间为1s的脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器产生的。利用公式t1=0.7(R1+R2)C;t2=0.7R2C.若取电容C=10uf,R1=36;R2=107;（3）被测信号的幅度扩展电路图④：④为幅度扩展电路图64）脉冲形成电路脉冲电路的作用是将输入的周期信号，如正弦波、三角波、或者其他呈周期性变化的波形变成脉冲波周期不变。此电路采用555构成的施密特触发器电路如下图所示④：（5）锁存器锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行锁存，使显示器上获得稳定的测量值。因为计数器在1s内要计成千上万个脉冲，若不加锁存器显示器上的数字将随计数器的输出变化，不便于读数。1s的计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号，将计数器此时的值送译码显示器，因此显示器的数字是稳定的。当时钟脉冲CP正跳变来到时，锁存器的输入等于输出，即Q=D。从而四个十进制计数器即个位、十位、百位及千位的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束时，无论输入端D为何值时，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数器期间，计数器的输出不会送到译码显示器。⑤74LS273管脚功能7(6)分频器分频器由四个74LS90芯片组成，其原理图⑥如下U274LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U374LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U474LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U574LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U11A7400NVCC5V图⑥分频器的原理图3.选用的元器件型号名称及功能数量计数器74LS90计数器4片数码管LC5011显示数码管4片译码器74LS48编码器4片触发器74LS273锁存器2片555定时电路定时器3片电容6片电阻5片84.整体电路原理图9四、总结及心得本次实习让我们体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在实习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。再之，示波器在进行频率测量时测量精度低，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计拥有非常广泛的应用范围。在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。在我看来，制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调准等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。合理的分配时间。在设计控制电路的时候，10我们可以连接译码显示和计数电路，这样就加快了完成的进度。最重要的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。五.参考文献1.阎石，《数字电子技术基本教程》第一版，清华大学出版社2.邹其洪.电工电子实验与计算机仿真.第1版.北京：电子工业出版社，2003.93.王玉秀.电工电子基础实验.第1版.南京：东南大学出版社，20064.孙肖子.模拟电子技术基础.第1版.西安：西安电子科技大学出版社，2001.15.谢自美.电子线路设计•实验•测试.第2版.武昌：华中科技大学出版社，2000.76.张豫滇.电子电路课程设计.第1版.南京：河海大学出版社，2005.87.电子设计自动化技术实用教程，中国矿业大学出版社六.附录74LS90的引脚图如下图⑦所示11图⑧图⑨74LS90的功能表：1274LS48的引脚图如下图⑩所示74LS48的功能表如下：1374LS273管脚图