简易数字频率计课程设计

一、课题名称与技术要求1名称：简易数字频率计2主要技术指标和要求：1.被测信号的频率范围100HZ～100KH2.输入信号为正弦信号或方波信号3.四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位4.具有超量程报警功能二、摘要以门电路，触发器和计数器为核心，由信号输入、放大整形、闸门电路、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。放大整型电路：对被测信号进行预处理；闸门电路：由与门电路通过控制开门关门，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：周期性产生一秒高电平信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数码管显示出来。关键字：比较器，闸门电路，计数器，锁存器，逻辑控制电路三、方案论证与选择1频率测量原理与方法对周期信号的测量方法，常用的有下述几种方法。1、测频法（M法）对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率为：f1=N1/TG。TG为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数，设在TG期间，计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是△N1=N±1,N1的相对误差为&N1=（N1-N）/N=（N±1-N）/N=±1/N,由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的条件下，为减小N1的相对误差，可通过增大TG的方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。当TG为确定值时(通常取TG=1s)，则有f=N，固有f1的相对误差：&f1=(f1-f)/f=(f±1-f)/f=±1/f由上式可知，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，M法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。测频法原理图2、测周法（T法）首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。若在T时间内的计数值为N2,则有T2=N2*Toscf2=1/T=1/(N2*Tosc)=fosc/N2N2的绝对误差为△N=±1N2的相对误差为&N2=(N2-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频你标准计数信号的频率成反比。当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。测周法原理图2频率测量方案选择根据性能和技术指标的要求，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。有上述对各种方法的讨论可知，M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。这种方法比较适合测量高频信号的频率。T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。这种方法比较适合测量频率较低的信号。综合以上几种方案的优缺点和该课题的频率范围和精确度的要求，我们选择直接测频法。对测量频率的最低值100Hz来说，相对误差最大为1%，可以满足要求，随着测量频率的增大，相对误差逐渐减小。四、方案的原理框图、总体电路图、接线图以及说明1方案原理框图2总体电路图图4.23工作过程说明1．放大整形电路任意形式信号经过施密特触发器放大整形变成方波信号，和脉冲信号一起控制与门的开启与关闭，2．秒脉冲控制时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls。开关闭合后与JK触发器的Q端一起控制给计数器CLK脉冲的门电路，同时控制着计数器的清零端和锁存器（D触发器）的锁存端。3．计数寄存译码经过整形放大后的方波信号在与门U22A开门的1秒内给计数器提供计数脉冲，与门打开瞬间计数器74LS160N清零结束，74LS273DW处于锁存状态，计数器开始计数，①当计数值未超过四位数码管的量程时，即U7输出为0000，4或门U3A输出为0，非门U23B输出1，小数点熄灭，74LS257N选择低四片计数芯片，单位为Hz；②当计数值超过四位数码管的量程时，即U7输出不为0000，小数点亮，74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz；③当计数值超过100KHz时，U7给JK触发器一个脉冲，JK触发器翻转，Q=1，蜂鸣器报警，Q非和多谐振荡器通过与门U22B电路输出0，所有计数器清零，与门U22A输出为0；④当为①、②两种情况时，每经过1S的开门时间后，下降沿通过非门U23A给74LS273一个上升沿锁存数据，低电平使计数器全部清零，等待下轮开门时间计数；⑤当出现③时，需要手动关闭开关，给JK触发器清零，蜂鸣器停止报警，再闭合开关使电路重新开始测频率。4．显示电路利用DCD_HEXLED显示器自带译码功能显示所计频率的大小。五、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算1放大整形电路此设计选用555构成的施密特触发器对被测信号进行放大整形，电路图如图5.1.1图5.1.1CON端通过电阻分压提供一个0.5V的基准电压Ua，输入频率信号的幅值与1/2Ua和Ua进行比较，输出同频率的方波。输入输出波形图如图5.1.2（正弦波为输入信号、方波为输出信号）图5.1.22秒脉冲控制时基电路由定时器555构成的多谐振荡器产生，通过计算调节电阻和电容的接入值，使输出高电平的持续时间为ls。电路如图5.2.1图5.2.1555多谐振荡器的清零端接开关，输出端与JK触发器的Q端通过与门U22B控制给计数器CLK脉冲的门电路，同时控制着计数器的清零端和锁存器（D触发器）的锁存端。电路如图5.2.2图5.2.23计数器计数器由5片74LS160级联组成，低片的进位输出端分别作为相邻高片的CLk输入端。A、B、C、D、ENT、ENP、LOAD都接高电平，清零端接在一起和与门U22B的输出端相连。如图5.3.1图5.3.1表5-174LS160功能表由表可知，该计数器的主要功能有：（1）异步清零：当CLR=0时，其他输入端任意取值，计数器将被直接置零。（2）同步预置数：当CLR=1，LOAD=0,且有CLK脉冲下降沿作用时，完成将输入端DCBA的数值置入计数器操作，使QDQCQBQA=DCBA。（3）保持：当CLR=LOAD=0时，若ENP*ENT=0，则计数器保持输出原状态不变，不管有无CLK脉冲作用。不过ENT=0时，进位输出RCO=0.（4）计数：当CLR=LOAD=0，若ENP=ENT=1时，处于计数状态，对CLK脉冲下降沿进行十进制加计数。图5.3.274LS160逻辑管脚图4单位转换输入输出CLKCLRLOADENPENTDCBAQDQCQBQAX0XXXXXXX000010XXDCBADCBAX110XXXXX保持X11X0XXXX保持1111XXXX加计数由74LS257和门电路组成单位转换电路。4片257的使能端~G都接地，数据选择控制端~A/B连在一起与非门U23B的输出相连，数据端A、B连接图5.4.1图5.4.1若最高位计数器为零，小数点熄灭，门电路给~A/B高电平，选择低四片计数器输出，单位为Hz；当数值超过四位数码管的量程时，即U7输出不为0000，小数点亮，74LS257选择高四片计数芯片，单位为KHz；实现单位的自动转换。表5-274LS257功能由表可知，74LS257具有以下特点：(1)G=1时，输出高阻态。(2)G=0，~A/B=1时，选择将B口值赋给Y口输出，1Y2Y3Y4Y=1B2B3B4B。(3)G=0，~A/B=0时，选择将A口值赋给Y口输出，1Y2Y3Y4Y=1A2A3A4A。图5.4.274LS257的逻辑管脚图5数据锁存输入输出G~A/B1A2A3A4A1B2B3B4B1Y2Y3Y4Y1XXXXXXXXXZZZZ01XXXX1B2B3B4B1B2B3B4B001A2A3A4AXXXX1A2A3A4A数据锁存电路由两片8D触发器74LS273组成。每片273的8个输入端分别与两片257的输出端相连，8个输出端分别与两个DCD_HEX数码管相连，清零端CLR都接高电平，脉冲CLK端接非门U23A的输出端。如图5.5.1图5.5.1每来一个上升沿，273就会把输入端的值赋给输出端，并保持到下一个上升沿的到来。74LS273是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，上升沿触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。表5-374LS273功能表注：CLR=1时，CLK的X表示除上升沿的其他状态。由表可知，74LS273具有以下特点：（1）清零：CLR=0时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；输入输出CLRCLKD1D2D3D4D5D6D7D8Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q80XXXXXXXXX000000001D1D3D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D81XXXXXXXXXQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8（2）触发：CLR=1，CLK为上升沿触发时，D1~D8的数据通过芯片输出给Q1~Q8；（3）锁存：CLR=1，CLK不是上升沿触发时，将数据锁存，D0~D7的数据不变。图5.5.274LS273逻辑管脚图6超量程报警和复位超量程报警由JK触发器和蜂鸣器和开关电路组成。如图5.6.1图5.6.1置“1”端和J、K都接高电平，Q端接蜂鸣器（加了一个灯显示蜂鸣器是否处在报警状态），Q非接与门U22B的一个输入端，清零端接开关电路，CLK接计数器最高位的进位端。电路连接如图5.6.2图5.6.2接通电源前，JK触发器清零，同时使555多谐振荡器清零，当接通电源后，Q端保持低电平，Q非保持高电平，振荡器开始工作，计数器可以计数；当计数不超量程时，最高位没有进位信号，Q保持低电平，蜂鸣器不响；当计数器超量程时，最高位进位信号给JK触发器的CLK，使触发器翻转，Q输出高电平，灯亮，蜂鸣器报警，Q非输出低电平，使与门U22B和U22A都输出低电平，所有计数器清零。只有手动断开开关才能结束报警。表5-474LS112功能表图5.6.374LS112逻辑管脚图7材料清单LM555两个芯片74LS160五个74LS257四个74LS273两个74LS04一个74LS08一个4072BD一个显示管DCD_HEX四个二极管发光一个蜂鸣器200Hz一个开关一个电容10uF一个10nF一个电阻108.2K一个36.08K一个4.7K一个300三个六、心得体会及存在的问题回顾起此次课程设计，至今我们仍感慨颇多，的确，从理论到实践，在整整一星期的日子里，学到很多很多的的东西。我们不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。从图书馆、网上查找资料对电路设计及制作的成型，都对我们所学专业知识进行了检验，我们也从中懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，可以说得是困难重重，发现自己的不足还有很多，比如对以前所学过的知识理解得不够深刻，遇到了一些以前没有用过的元件，稳压管管脚不懂怎么放置，不懂得分二极管的正负极，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用，进一步得到了提升。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。在设计过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。但是从中学到的知识会让我们受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力提高都会受益于我们在以后的学习、工作和生