简易数字频率计的设计数字电路课程设计积分下载.doc

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课题名称
简易数字频率计的设计
完毕时间
2023.6.12
指导教师

职称
副专家
学生姓名

班 级

总体设计规定和技术要点

1．设计一个简易数字频率计电路，规定：
① 测量信号范围：方波、正弦波，幅度：0.5～5V，频率：1～9999Hz；
② 最大读数：9999Hz，用四个数码管显示。闸门信号的采样时间为1s；
③ 电路具有启、停控制，用于启动和停止频率的连续显示，停止时对计数器清零。
2．用中、小规模的集成电路设计数字频率计电路，画出单元电路图，整机逻辑框图和逻辑电路图。
3．闸门信号可以改为1s、0.1s、0.01s、0.001s四个档位，用一个开关切换量程。

工作内容及时间进度安排
第15周：
周1---周3 立题论证方案设计、熟悉软件
周4---周5检查设计结果，预答辩
第16周：
周1---周2 仿真实验
周3---周4 验收答辩
周5完毕设计报告
课程设计成果
1．与设计内容相应的软件程序
2．课程设计报告书

目 录

内 容 摘 要 I
一、概述 1
二、方案设计与论证 1
1．测频法 1
2．测周法 2
4. F/V与A/D法 3
三、单元电路设计与分析 3
1．放大整形电路 3
2． 时基电路 4
3． 控制电路 5
4． 计数，锁存，译码，显示电路 6
四、总原理图及元器件清单 9
1．总原理图 9
2．元器件清单 10
五、结论 11
六、心得体会 12
七、参考文献 12

内容摘要

在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它重要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，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，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，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。常用的频率测量方法有测频法、测周法、测周期/频率法、F/V与A/D法。本文阐述了用测频法构成的数字频率计

关键字：频率 数字频率计 单稳态

一、概述
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，方波。而后面的闸门或计数电路规定被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，一方面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解决。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减少。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。通过时基电路及控制电路 锁存器 将最终频率稳定的显示在数码管上。
二、方案设计与论证
频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。它可以测量正弦波、方波和三角波的频率。运用施密特触发器将输入信号整形为方波，并运用计数器测量1s内脉冲的个数，运用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。
常用的频率测量方法有以下四种。
1．测频法
测频法定基本思想是：对频率为f第周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为TG）对被测信号的反复周期数进行计数，当计数结果为N时，其信号频为 f=N/TG
如图1-1所示

图1-1 测频法原理
测频法的测量误差与信号频率有关：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，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。
2．测周法
一方面把被测信号进行二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期的方波信号，然后用一个已知周期Ts的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期的时间内对fs信号进行计数，如图1-2所示。

图1-2 测周法原理

若在T时间内的计数值为N，则有
T=N*Ts
即 f=1/T=1/N*Ts=fs/N
测周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频率标准计数信号的频率成反比。当fs为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。
由于测周法所获得的信号周期数据，还需规定倒数运算才干得到信号频率，而二进制数据的求倒数运算中小规模数字集成电路却较难实现，因此，测周法不适合本设计规定。测周法/频率法
周期/频率测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频标准计数信号fs进行计数，其测量原理如图1-3所示。

图1-3 测周期/频率法原理

在拟定的检测时间内，若对被测信号 f的计数值为N1，对高频信号 f的计数值N2，则所测的信号频率为
f=1/T=N1/N2*Ts=N1*fs/N2
可见，周期/频率法需要进行除法运算才干得到信号频率，这用中小规模数字集成电路却较难实现，因此，该方法不适合本设计规定。
4. F/V与A/D法
这种频率测量方法是先通过F/V变换，把频率信号转换成电压信号；然后再通过A/D转换把电压信号转换成数字信号，再对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。
本设计选择了测频法，由于测频法的测量误差与信号频率有关：信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1s时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。此外，在信号频率较低时，如1~100Hz，可以通过增大闸门时间来提高测量精度。
三、单元电路设计与分析
1．放大整形电路
由二极管及电阻组成的幅度扩展电路和555构成的施密特触发电路构成整形电路如图1-4

图1-4 放大整形电路
二极管D1，D2及电阻R1，R2构成信号幅度扩展电路，当输入信号较小时，限幅器的二极管均截止，不起作用。用555构成的施密特触器作用是将输入的周期性信号，如正弦波，三角波或其他呈周期性变化的波形变换成脉冲波形，其周期不变。
2． 时基电路
时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号（1s正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数；当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。时基电路可以有555定期器构成的多谐振荡器实现，如图1-5。

图1-5 时基电路
时间长度为0.25s。运用式t1=0.7(R1+R2）C；t2=0.7R2C计算参数，器件参数如图
3． 控制电路
控制电路可以由555构成的单稳态电路来构成如图1-6所示

图1-6 控制电路
逻辑控制电路运用标准时间信号结束后产生的负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号反向产生清零信号，锁存信号的脉冲宽度由单稳态电路自身的时间常数决定。

4． 计数，锁存，译码，显示电路
（1）同步十进制加法计数器构成，可以选择同步十进制加法计数器74LS160、同步十进制加法计数器 74LS190或74LS192、双BCD码计数器CD4518等电路来实现。本次实验采用了74LS160作为同步十进制加法计数器。计数部分电路（只画其中两个）如图1-7所示

图1-7 计数部分电路
(2)锁存器可采用8D锁存器74373或74LS273.本实验采用的是74LS273。锁存器的作用是将计数器在1S结束时的计数值进行锁存，使显示器上或得稳定的测量值。当时钟脉冲CP的正跳变来届时，锁存器的输出等于输入，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，输出不再改变。其电路连接如图1-8所示

图1-8锁存器电路
（3）译码器及数码管
译码器可采用共阴极显示译码器74LS48或共阳极显示译码器74LS47，由于本实验中采用的是74LS48 来实现的译码功能，并与四个数码管相连。其电路图如图1-9所示

图1-9所示
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
如图2-1所示

图2-1总原理图

2．元器件清单
元件序号
型号
重要参数
数量
备注
U1 U2 U3 U4
74LS48
无
4
译码器
U5 U6
74LS273
无
2
锁存器
U7 U8 U9 U10
74LS160
无
4
计数器
U11
555
无
1
时基电路
U11
AUDIO100N
C1=0.01uf C2=10uf
2
时基电路
U12
555
无
1
控制电路
U12
10WATTOR22
R4=1M
1
控制电路
U12
AUDIO100N
C3=C4=0.01uf
2
控制电路
U13A
7406
无
1
控制电路
U14
555
无
1
整形电路
U14
10BQ100
无
2
放大电路
U14
10WATTOR22
R5=R6=10K R7=1K
3
整形电路
U14
AUDIO100N
C5=0.01uf C61=1uf
2
整形电路
U14A
7408
无
1
与门

五、结论
这次实验重要是通过555定期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74LS160，用来稳定存储结果的锁存器74LS273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。555是重要的器件 用它可以组成不同功能的功能器件。
通过本次课程设计，加深了对逻辑电路的理解，提高了自己的动手实践能力，更加深刻的理解了555定期器的结构与功能。与此同时熟悉并可以运用Proteus 7 Professional这个软件来连接简朴的数字电路图。

六、心得体会
  通过本次课程设计，更加深刻的理解了实践的内涵，开始时只是盲目的在Proteus 7 Professional这个软件上乱画，忽略了动手的意义，后来按老师说的将我们所做的课设的电路图画在纸上，感觉头脑里清楚了很多。亲自在纸上画图或许很难，但是这种方法真正能使我们清楚电路的结构，从细节上找出我们所忽略的东西，电路的运营操作是否对的更是一目了然。免去了在上机时不知道哪里错的盲目时间，使我们不久找出自己的毛病。
并且也更加领悟到了老师的作用，开始时由于555定期器的功能不很了解，查了好多资料和书，才明白了它的作用。上课老师都仔细讲过的东西，当时没由好好听讲，课下花了好多时间去看它。
让我感触最深的还是要相信自己是有能力做出来的！

七、参考文献
[1]崔瑞雪、张增良.电子技术动手实践 . 第1版 . 北京：北京航空航天大学出版社，2023.6
[2]阎石．数字电子电路．中央广播电视大学出版社．1993年
[3]杨素行．模拟电子电路．中央广播电视大学出版社．1993年
[4]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，2023.1
[5]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，2023.7
[6]张豫滇 . 电子电路课程设计 . 第1版 . 南京：河海大学出版社，2023.8
[7]任中民．数字电子技术．清华大学出版社．2023年
[8] 李士雄、丁康源．数字集成电子技术教程．高等教育出版社．2023年
[9] 张洪润．电子线路与电子技术．清华大学出版社．2023年