简易数字频率计课程设计报告.pdf

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1、 .-可修编.一、课题名称与技术要求 名称：简易数字频率计 主要技术指标和要求：1.被测信号的频率 X 围 100HZ100KH 2.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

2、；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 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，.-可修编.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=N1,N1 的相对误差为&N1=（N1-N）/N=（N1-N）/N=1/N,由 N1 的相对误

3、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=(f1-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

4、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*Tosc f2=1/T=1/(N2*Tosc)=fosc/N2 N2 的绝对误差为N=1 N2 的相对误差为&N2=(N2-N)/N=(N1-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。.-可修编.测周法原理图 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

5、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 X 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

6、以满足要求，随着测量频率的增大，相对误差逐渐减小。.-可修编.四、方案的原理框图、总体电路图、接线图以及说明 方案原理框图 .-可修编.总体电路图 图 4.2 .-可修编.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

7、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，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；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；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

8、U22A 输出为 0；当为、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；当出现时，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 .-可修编.利用 DCD_HEX LED 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 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 5.1.1 CON 端通过电阻分压提供一个 0.5V 的基准电压 Ua，输入频

9、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）.-可修编.图 5.1.2 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。电路如图 5.2.1 图 5.2.1 555 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 .-可修编.图 5.2.2 计数器 计数器由 5 片 74LS160 级联组成，

10、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 5-1 74LS160 功能表 .-可修编.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

11、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。输入 输出 CLK CLR LOAD ENP ENT D C B A QD QC QB QA X 0 X X X X X X X 0 0 0 0 1 0 X X D C B A D C B A X 1 1 0 X X X X X 保持 X 1 1 X 0 X X X X 保持 1 1 1 1 X X X X 加计数 .-可修编.图 5.3.2 74LS160 逻辑管脚图 单位转换 由 74LS257 和门电路组

12、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 5-2 74LS257 功能 .-可修编.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=1B2

13、B3B4B。(3)G=0，A/B=0 时，选择将 A 口值赋给 Y 口输出，1Y2Y3Y4Y=1A2A3A4A。图 5.4.2 74LS257 的逻辑管脚图 数据锁存 输入 输出 G A/B 1A 2A 3A 4A 1B 2B 3B 4B 1Y 2Y 3Y 4Y 1 X X X X X X X X X Z Z Z Z 0 1 X X X X 1B 2B 3B 4B 1B 2B 3B 4B 0 0 1A 2A 3A 4A X X X X 1A 2A 3A 4A .-可修编.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

14、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，1D8D 为数据输入端，1Q8Q 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 5-3 74LS273 功能表 输入 输出 CLR CLK D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 0 X X X X X X X X X 0 0 0 0

15、 0 0 0 0 1 D1 D3 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 1 X X X X X X X X X Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 .-可修编.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）；（2）触发：CLR=1，CLK 为上升沿触发时，D1D8 的数据通过芯片输出给 Q1Q8；（3）锁存：CLR=1，CLK 不是上升沿触发时，将数据锁存，D0D7 的数据不变。图 5.5.2 74LS273 逻辑管脚图

16、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 .-可修编.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

17、，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 5-4 74LS112 功能表 .-可修编.图 5.6.3 74LS112 逻辑管脚图 材料清单 LM555 两个 .-可修编.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.

18、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 .-可修编.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

19、，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、工作和生活中。七、参考文献 林涛 数字电子技术基础 清华大学出版 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛技能训练航空航天大学出版 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计航空航天大学出版 康光华 电子技术基础数字部分高等教育 X 国云 电子技术基础实验教程中南大学 高吉祥 电子技术基础实验与课程设计电子工业 欧阳星明数字逻辑华中科技大学 .-可修编.评 语 评审人: