简单数字频率计的设计与制作

武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书1简单数字频率计的设计与制作1结构设计与方案选择1.1设计要求（1）要求用直接测量法测量输入信号的频率（2）输入信号的频率为1～9999HZ1.2设计原理及方案数字频率计是直接用十进制的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，而且还可以测量它们的周期。所谓频率就是在单位时间（1s）内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为f=N/T（1-1）据此，设计方案框图如图1所示：图1数字频率计组成框图图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率fＸ。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则们控电路的输出信号持续时间亦准确的等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，技计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fＸ=NHz。被测信号fＸ经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号○1，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号○2，其高电平持续时间t1=1秒，当l秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到l秒信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书2数为N，则被测信号频率f=NHz,如图2（a）所示，即为数字频率计的组成框图。图2（a）数字频率计的组成框图图2（b）数字频率计的工作时序波形逻辑控制单元的作用有两个：其一，产生清零脉冲④，使计数器每次从零开始计数；其二，产生所存信号⑤，是显示器上的数字稳定不变。这些信号之间的时序关系如图2（b）所示数字频率计由脉冲形成电路、时基电路、闸门电路、计数锁存和清零电路、译码显示电路组成。武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书31.3数字频率计的主要技术指标1.3.1频率准确度:一般用相对误差来表示，本文设计的频率准确度并没有要求。即:1.3.2频率测量范围:在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。本设计的频率测量范围为:1Hz—9999Hz。1.3.3数字显示位数:频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。本设计的显示位数为:四位LED数码管显示。1.3.4测量时间:频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。本设计的一次测量时间大约为:1.25S。2单元电路的设计2.1脉冲信号的形成电路脉冲信号形成电路的作用是将待测信号fx（如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化的波形）整形为计数器所要求的脉冲信号，其周期不变。将其他波形变换成脉冲波的电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等。其中施密特触发器的应用较多。我在这里设计的电路形式是采用555定时器构成的施密特触发器，电路原理如图3（a）所示。（1-2）武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书4图3（a）脉冲信号形成电路图中R7与R8的作用是将被测信号进行电平移动，因为555构成的施密特触发器的上触发电平UT+=2/3Ucc，下触发电平UT=1/3Ucc，如图3（b）所示。图3（b）脉冲信号形成输入信号的直流电平Uxo从C3左侧输入应该满足下列关系1/3UccUxo2/3Ucc。输入信号的幅度Uxm与直流电平Uxo和回差△UT有关，一般说来，△UT越小，对输入信号的幅值Uxm要求越小，如果需要减小回差，可以在555的控制端CO接入一个正电压。如果取+Ucc=+5V,回差△UT=1.67V。对于图4（b）所示的波形图，若取Uxo=1/3Ucc+1/2△UT=2.5V,则输入信号幅度为Uxm1/2△UT=0.83V.为使Uxo=2.5V，对于图4（a）所示电路，则取R7=R8=10KΩ。武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书52.2时基电路和闸门电路如图2（a）所示，闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，决定了被测信号的脉冲通过闸门进入计数器进行计数的计数个数，其精度很大程度上决定了频率计的频率测测量精度。当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。在此简单数字频率计的中，时基信号采用由555定时器构成的多谐振荡器电路，当标准时间信号（1s高电平）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（为低电平），闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。例如，时基信号的作用时间为1s，闸门电路将打开1s，若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为1000个，则被测信号的频率就是1000Hz。设标准时基为1s的脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器电路产生的，由555定时器构成的多谐振荡气的周期计算公式为：周期计算公式：t=t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比为：D=t2/（t1+t2）=R2/（R1+2R2）50%，t1为正方波的宽度，t2为负方波的宽度；若取振荡器的频率f0=1/（t1+t2）=0.8HZ,则振荡器的输出波形如图4（b）所示，其中t1=1s，t2=0.25s。图4（a）标准脉冲产生的闸门电路图4（b）闸门电路各波形特点武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书62.3计数电路计数器用4个74LS190同步十进制可逆计数器构成。作用是对放大整形电路输出的频率信号进行计数，并将输出的数值输入到锁存器。如图5所示。图5计数电路图U14的INA接外来信号，U11、12、13、14的INB均接相应的QA。U14的QD接U13的INA,U13的QD接U12的INA,U12的QD接U11的INA。四个芯片的R01、R02均接地，R91、R92连在一起接时基信号的反向信号。当R91、R92同为高电平时，四位十进制计数器同时清零。当R91。R92同为低电平时，四位十进制计数器正常计数。2.4锁存电路、译码电路和显示电路图6锁存、译码、显示电路武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书7锁存器可选用2个8D锁存器74LS273构成。锁存器的作用是将计数器在1s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。因为计数器在一秒内要计算成千个输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将随机数器的输出变化而变化，不便于读数。当时钟脉冲CP的上升沿到来时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位、千位的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端Q的状态仍然保持原来的状态。译码器采用4个74LS48共阴极显示译码器构成。译码/驱动器74LS48的作用是将输入的高低电平信号转化为数码管需要的高低电平信号，并控制数码灯的亮灭。具体连接方式见图6。3整体电路的设计3.1总电路分析如图7所示，被测信号（三角波、正弦波、方波）输入由555定时器组成的施密特触发器整形成与输入信号同频率的矩形脉冲。将该脉冲输入由74LS90组成的十进制计数器用作时钟信号。另一片555定时器接成的多谐振荡器输出的高电平时间为1S，低电平时间为0.25S的矩形脉冲信号通过闸门，再通过74LS04反向后，输给74LS273，做锁存的时钟信号，同时输给计数器74LS90的R01、R02控制计数器的计数和清零。当取反后的时基信号来个上升沿时，锁存器锁存0000。高电平阶段计数器清零，锁存器一直显示0000不变。低电平时，计数器开始计数，锁存器清零。当再来个上升沿时锁存器锁存刚才1S内计数器所计的数据，高电平时，计数器清零，锁存器数据保持不变。低电平时，锁存器清零，计数器计数。如此循环工作。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率为f=NHz。本电路可实现直接测量输入信号的频率，输入的频率范围1～9999HZ。武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书83.2总电路图在上述子模块电路的基础上，画出整个电路的总电路图。如图7所示：U1174LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U1274LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U1374LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U1474LS90DQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023GNDGNDU174LS48NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U274LS48NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U374LS48NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U474LS48NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U5ABCDEFGCKU6ABCDEFGCKU7ABCDEFGCKU8ABCDEFGCKR12X8DIP200ΩR22X8DIP200ΩR32X8DIP200ΩR42X8DIP400ΩVCC5VVCC5VVCC5VVCC5VU1074LS273N1D32D43D74D85D136D147D178D18~CLR1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19U1574LS273N1D32D43D74D85D136D147D178D18~CLR1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19U9LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2C10.01µFC210µFR536kΩR6107kΩVCC5VGNDU16A7404NU17LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R710kΩR810kΩC31µFC40.01µFVCC5VGND图7整体电路图武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书94电路的调测与分析4.1计数电路的调测图8计数电路调测如图8所示，连接好电路。开始仿真，计数器开始计数，计数器可从1计数到9999。4.2计数、显示电路的调测如图9所示，连接好电路后。开始仿真，计数器开始计数，并将相应的计的数通过74LS48芯片译码给七段译码显示器进行显示所计的数。4.3调试电路的注意事项在通电调试前，一定要认真检查电路是否有错接、漏接等。因此要用万用表欧姆档，测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常，测量各个元器件之间的连接是否正常。用电压表把各个芯片所用的电压调整到规定的数值。检查各个芯片的接地是否连接牢固。检查无误，方可通电调试。4.4测试数据与理论的对比如图7连接好电路，输入不同频率的被测信号，测其频率。测试结果如表1所示。由表1可知，所测频率的误差在允许的范围。即在误差允许的范围内，所进行设计的电路是符合任务书要求的。这次课程设计是正确可行的。武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书10图9计数、显示电路调测表1结果fx的值（Hz）数码管显示（Hz）误差（△fx）10910.00%50484.00%100937.00%5005183.60%10009752.50%200021105.50%600062143.57%700069021.40%800081892.36%900092202.44%950096171.23%武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书114.5电路的改进如图10所示图10电路改进图芯片CD40110------十进制加减计数器/锁存/七段简要说明：40110为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。40110有2个计数时钟输入端CPU和CPD分别用作加