換擋數(shù)字頻率計數(shù)器研發(fā)設計報告

1、電子技術課程設計實驗報告題目：數(shù)字頻率計的設計學院：彳專業(yè)：09級通信工程姓名：學號：20091613310108小組成員：20091613310099二零一一年十一月摘要慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。1. 數(shù)字頻率計的設計目標32. 數(shù)字頻率計計測頻的基本原理33. 數(shù)字頻率計的主要計數(shù)指標43.1頻率準確度43.2頻率測量范圍43.3數(shù)字顯示位數(shù)53.4 測量時間5聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。4. 方案對比5殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。4.1由ICM7216D勾成的數(shù)字頻率計4.2運用單片機設計數(shù)字頻率計4.3我的數(shù)字頻率計5. 電路設計及理論分析5.1放大整形電路的設計5.2時基、分頻電路的設計5.3邏輯控制

2、電路的設計5.4計數(shù)、鎖存、譯碼顯示電路的設計6. 實驗原理說明7. 電路仿真結果記錄及分析8. 總電路圖及元件清單9. 心得體會數(shù)字頻率計的設計摘要在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、 測量結果都有十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方 法有多種,其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便 于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有 兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)； 二 是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量， 間接測 頻法適用于低頻信號

3、的頻率測量。頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻 率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信 號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以 適當?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉速，聲音 的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。因此，數(shù)字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。 本文 闡述了設計了一個簡單的數(shù)字頻率計的過程。釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1. 數(shù)字頻率計的設計目標(1)被測信號的頻率范圍為 1Hz 999KHz分為4個檔位：1Hz, 10Hz,100Hz,1KHz彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。 具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標準脈沖校準測

4、量精度。(3) 用3為數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，測量誤差小于 10%(4) 用3個發(fā)光二極管表示單位，分別對應 3個高檔位。 具有自動換擋功能，即超量程能換高檔，欠量程換低檔。2. 數(shù)字頻率計計測頻的基本原理數(shù)字頻率計用于測量正弦信號、矩形信號等波形的頻率，其概念是單位時間里的脈沖個數(shù)，被測信號經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號I，其頻率與被測信號的頻率相同。如果用一個定時時間 T控制一個閘門電路，時間 TN內(nèi)閘門打開，讓被測信號通過而進入計數(shù)譯碼，可得到被測信號的頻率fx= T，若T=1秒，貝y fx=N。謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。數(shù)字頻率計原理框圖組成：放大整形電路、時鐘電路、邏輯控制電路、計

5、數(shù)、鎖存、譯碼顯示電路3. 數(shù)字頻率計的主要計數(shù)指標3.1頻率準確度Af一般用相對誤差來表示，即xfx-(Af cfc1T f x十)1 也 N ±1式中，tvT q為量化誤差（即土 1個字誤差），顯然，當閘門時間T選4定后,fx越高，量化誤差就越小;為閘門時間相對誤差，主要由時基Af1電路標準頻率的準確度決定，c。煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚fc Tfx3.2頻率測量范圍在輸入電壓符合規(guī)定要求值時，能夠正常進行測量的頻率區(qū)間叫頻率測量范 圍。頻率測量范圍主要由放大整形電路的頻率響應所決定。鵝婭盡損鶴慘歷蘢鴛賴。3.3數(shù)字顯示位數(shù)頻率計的數(shù)字顯示位數(shù)決定頻率計的分辨率。位數(shù)越多，分辨率越高。

6、3.4測量時間頻率計完成一次測量所需要的測量時間。包括準備、計數(shù)、鎖存和復位時間。4. 方案電路4.1方案一：由ICM7216D勾成的數(shù)字頻率計由ICM7216D勾成的10MHZ頻率計電路采用+5V單電源供電。高精度晶體振 蕩器和G、C2、R3構成10MHz并聯(lián)振蕩電路，產(chǎn)生時間基準頻率信號，經(jīng)內(nèi)部分 頻后產(chǎn)生閘門信號。輸出分別連接到相應數(shù)碼顯示管上。 ICM7216D要求輸入信 號的高電平大于3.5V，低電平小于1.9V，脈寬大于50ns,所以實際應用中，需 要根據(jù)具體情況增加一些輔助電路?；[叢媽羥為贍債蟶練淨。優(yōu)點：這個電路由于芯片集成度相對較高，所以電路設計較為簡單，操作比較簡單。而且精

7、確度高。缺點：對于芯片不太熟悉，而且由于集成度太高，缺少電路設計，而且仿真 軟件中并沒有這個芯片。由于輸出級需要相應的輔助電路，為電路設計帶來很大 麻煩。預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。4.2方案二：運用單片機設計數(shù)字頻率計頻率計的計數(shù)和顯示部分可以由單片機及其最小系統(tǒng)完成， 將適用于計數(shù)以 及顯示的程序燒入單片機內(nèi)，再根據(jù)時基電路、放大整形電路、倍頻鎖相電路一 起構成頻率計。由于學過單片機相關教程，掌握一定的編程能力，所以用單片機 實現(xiàn)數(shù)字頻率計還是可行的。滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。優(yōu)點：由于用到單片機，控制電路計數(shù)等功能通過編寫程序實現(xiàn)， 減少了相 關硬件的使用，降低了成本。而且利用 C語言程序有很強的

8、可修改性。鐃誅臥瀉噦 圣騁貺頂廡。缺點：利用單片機需要最小系統(tǒng)，還需要了解最小系統(tǒng)，而且對于編程能力 要求很高，對于初學者來說要求還是過高了。擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。4.3方案三：我的數(shù)字頻率計分析數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。它一般由放大整形電路、時基電路、邏輯控制電路、 閘門電路、計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、顯示器等幾部分組成。 其基本原理是用一 個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下 計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以 大于或小于一秒。待測信號經(jīng)過放大整形電路之后，

9、輸出一個與待測信號同頻率 的矩形脈沖信號，該信號在檢測閘門經(jīng)過選通信號的合成， 產(chǎn)生計數(shù)信號。控制 脈沖經(jīng)過控制器中的門電路分別產(chǎn)生 鎖存信號和計數(shù)器清零信號。計數(shù)信號并與 鎖存信號和清零復位信號共同控制計數(shù)、鎖存和清零三個狀態(tài)，然后通過數(shù)碼顯 示器件進行顯示。贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。5. 電路設計及理論分析5.1放大整形電路由于輸入的信號可以是正弦波，矩形波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測 信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路，在測量的時候，首先通過整形電路 將正弦波轉化成矩形波。由于被測信號的可能會比較小的情況， 所以在通過整形 之前通過放大處理。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零

10、時若不能驅 動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，使被測信號得以放大。壇搏鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。放大整形電路設計如下:放大整形電路由晶體管2N2222及R5、R6電阻構成的簡易放大整形電路， 其中2N2222組成放大器將輸入的周期信號如正弦波進行放大和整形，使之成為矩形脈沖，得到需要的方波。因此，不論輸入何種波形，經(jīng)過放大整形電路后，可變成脈沖波形，該脈沖波形的周期與源輸入信號的周期完全一致，利用計數(shù)器對脈沖波形的計數(shù)功能，再配合閘門信號就可測量出在時間T內(nèi)通過的原信號的周期個數(shù)N。蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。整形前、后的波形圖:L>|口"fc乓I否vITotuq口匕l(fā)yElT1 整-

11、rT-“Ilf III5.2時基電路與分頻電路由于被測信號范圍為1Hz.、999KHz，如果只采用一種閘門脈沖信號，當被測信號為較高頻率，計數(shù)電路的位數(shù)要很多，而且測量時間過長會帶來不便，所以 可將頻率范圍設為幾檔：1Hz999Hz檔采用1s閘門脈寬；0.01kHz9.99kHz檔 采用0.1s閘門脈寬；0.1kHz99.9kHz檔采用0.01s閘門脈寬，1kHz999kHz。多 諧振蕩器經(jīng)三級10分頻電路后，可提取因檔位變化所需的閘門時間 1s、0.1s、0.01s、0.001s。閘門時間要求非常準確，它直接影響到測量精度，所以在 555 定時器組成的振蕩器里 加入一個可調(diào)電阻，用于微調(diào)，使

12、輸出的脈沖信號更準確。 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。時基電路與分頻電路設計如下:如圖所示，左邊的555定時器組成的振蕩器（即脈沖產(chǎn)生電路）,產(chǎn)生1kHz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為：f=1.43/(R1+2*R2)*C),因此，我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了 R1取51K歐姆,R2取1K歐姆,電容取10nF.這樣我們得到了比 穩(wěn)定的脈沖。綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。右邊部分為分頻電路,主要由4518組成。因為振蕩器產(chǎn)生的是f=1KHz的脈 沖,經(jīng)過第一個4518分頻得到100HZ經(jīng)過第二個4518分頻得到10HZ經(jīng)過最 后一個4518分頻得至U 1HZ的頻率。驅躓髏彥浹綏譎飴憂錦。如下圖所示，55

13、5產(chǎn)生的1kHz的信號經(jīng)過三次分頻后得到3個頻率分別為 100Hz、10Hz 和 1Hz 的方波。級分頻片輸出信號級分頻厲輸小債號三級舟頻肩輸出信號貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。1kHz的方波分頻后波形圖 5.3邏輯控制電路邏輯控制電路設計如下:首先，時基電路產(chǎn)生1KHZ的頻率經(jīng)過分頻電路分頻，等待雙四選一 74153 數(shù)據(jù)選擇器來選擇所要的1分頻、10分頻、100分頻和1000分頻，而74153的 選擇即通過四位二進制計數(shù)器74193的輸出端傳遞到74153片選信號A、B端的 高低電平信號決定了 74153的輸出選擇，即確定了檔位。74193輸出信號同時傳 遞給譯碼器74HC139控制換擋指示燈。這

14、就實現(xiàn)了自動換擋的功能。 鍬籟饗逕瑣筆 襖鷗婭薔。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定； 二是產(chǎn)生清零脈沖，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。使用7473JK觸發(fā)器與非門作反相器，以實現(xiàn)計數(shù)器反相清零的功能和鎖存器的鎖存功能。用7400與非門做閘門，在時基電路脈沖的上升沿到來時閘門開啟，計數(shù)器開始計數(shù)；在同一脈沖的下降沿到來時閘門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。同時，鎖存器產(chǎn)生一個鎖存信號輸送到鎖存器的使能端將結果鎖存，并把鎖存結果輸送到譯碼器來控制七段 示器，這樣就可以得到被測信號的數(shù)字顯示的頻率。而在鎖存信號的下降沿到來 時邏輯控制電路產(chǎn)生一個清零信號將計數(shù)器清零。構氽頑黌碩

15、飩薺齦話騖。脈沖波形圖為：Digital Oscilloscope具體分析如下：JK觸發(fā)器輸出高電頻時，如上圖B前半部分所示，這時C圖，與非門7400 開始計數(shù)（脈沖信號通過與非門，進入計數(shù)器 74192開始計數(shù)）。當JK觸發(fā)器 輸出低電頻時，如圖B后半部分所示，C圖與非門7400停止計數(shù)，這時A圖非 門為高電頻鎖存，顯示頻率數(shù)值。 輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。5.4計數(shù)、鎖存、譯碼顯示電路的設計這部分電路是由計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、顯示器組成。其中計數(shù)器按十進制計數(shù)，由3個十進制計數(shù)器74IS192構成，依次從個位 開始計數(shù)，向上位發(fā)出進位信號進而使高位開始計數(shù)。計數(shù)輸出如果電路中不接 鎖存器，則

16、顯示器上的顯示數(shù)字就會隨計數(shù)器的狀態(tài)不停地變化，要使計數(shù)器停止計數(shù)時，顯示器上的數(shù)字顯示能穩(wěn)定，就必須在計數(shù)器后接入鎖存器 。堯側閆繭 絳闕絢勵蜆贅。鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結束時所得的數(shù)進行鎖存， 使顯示器穩(wěn)定地 顯示此時計數(shù)器的值。1s計數(shù)時間結束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號 ，將此 時計數(shù)器的值送至數(shù)碼顯示器。選用鎖存器74LS273可以完成上述功能。正脈沖 結束后，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。 鎖存器在一個有效脈沖到來后將計數(shù)器輸出信號鎖 存，并輸出到數(shù)碼管譯碼器，三片譯碼器用 4511實現(xiàn)。 識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。 計數(shù)、

17、鎖存、譯碼顯示電路的設計如下：D12寸卜Sou8為* ；5至2 士44s卜I十匸打ug *SLW*J6. 實驗原理說明當頻率在0999HZ 時，沒有進位脈沖。當時基電路有低電平轉化為高電平，閘門開通，信號通過 7400與非門后輸出到計數(shù)器端開始計數(shù)。凍鈹鋨勞臘錯癇婦脛糴。當時基電路由高電平轉換為低電平后，鎖存器上會有一個向上的脈沖，從 而使顯示器的輸出穩(wěn)定。當鎖存脈沖由高到低變化后由通過非門輸入到計數(shù)器 端清零.恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。當頻率高于1KHZ時候，計數(shù)器的最高位會產(chǎn)生進位脈沖，使得雙十鐘同步十六進制加/減計數(shù)器74LS193的UP端加1，那么雙四選一 74153數(shù)據(jù)選擇 器將選擇上一

18、次頻率0.1倍的分頻信號。通過譯碼器使得顯示器的小數(shù)點向右 移動一位，使得頻率測量 范圍擴大10倍。鯊腎鑰詘漣鉀溈懼統(tǒng)庫。當頻率高于10KHZ時候，同理數(shù)據(jù)選擇器74153會選擇0.01倍的分頻信 號。通過譯碼器使得小數(shù)點右移動兩位，頻率測量范圍擴大100倍 。碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。當頻率高于100KHZ時候，同理數(shù)據(jù)選擇器會選擇 0.001倍的分頻信號.通 過譯碼器使得小數(shù)點右移動三位，頻率測量范圍擴大1000倍。閿擻輳嬪諫遷擇植秘騖。7. 電路仿真結果記錄及分析7.1自檢仿真結果記錄當自檢開關打到第一檔，即f=1000HZ時，頻率計顯示如下:20當自檢開關打到第三檔，即f=10 HZ,頻率

19、計顯示如下:LES-RED數(shù)碼管顯示100,發(fā)光二極管沒有點亮，即f=100HZ。 當自檢開關打到第三檔，即f=10 HZ,頻率計顯示如下:D2LeD-KS數(shù)碼管顯示010,發(fā)光二極管沒有點亮，即f=10HZ。數(shù)碼管顯示010,發(fā)光二極管沒有點亮，即f=10HZ。 當自檢開關打到第四檔，即f=1HZ時，頻率計顯示如下:7.2.1輸入正弦波參數(shù)如下：f=300KHZ頻率計顯示如下:/正弓玄麻沖分段線型腸沖文件音頻/指埶單頻FM/ Easv HDL埶字類型-穩(wěn)態(tài) 單邊沿 單瞬沖/ 口上升時間砂）：5囹下0翱寸間砂：1u0際”中5度：/脈沖竟度砂上S廉脈沖寬度図50囹頻率/周期：一 爭頻率（H可：3

20、0kPeriod 砂：Cycles/Graph:XI-y I頻率計顯示如下:頻率計顯示如下:上升時間砂)：九目"F陰時間電：1u脈沖売度：脈沖寬度砂：囹備麻沖竟度勾：50目頻率/周期:_%頻率H廿300 Period ffi?):Cclex/Graph:數(shù)碼管顯示300,二極管沒有點亮，頻率即f=300HZiFr.724輸入正弦波參數(shù)如下：f=30HZSiriff Genierator PropertiesOffset (VoltsJ:| SW2(N CDCAmplide (Volts上*巾畐虞：1匡G山舉值囹G有效值：囹冬頻率(Hz):30目周期砂:4 1 1h Cycles/G

21、raph:旳間:延日寸評少 価立圉° Hm延旳G穩(wěn)態(tài) 單邊沿頻率計顯示如下:8. 總電路及元件清單8.1元件清單5 ResistorsQuan tity:Refere ncesValueOrder Code1R151k1R21k1R31001R510k1R63002 CapacitorsQua ntity:Refere ncesValueOrder Code2C1, C210 nF17 In tegrated CircuitsQua ntity:Refere ncesValueOrder Code1U15552U2, U345183U4, U19, U2345111U574731U6

22、741531U774002U8, U974LS2733U10, U11, U1374LS1921U12NOT1U14741931U1574HC1391 Tran sistorsQua ntity:Refere ncesValueOrder Code1Q12N22223 DiodesQua ntity:Refere ncesValueOrder Code3D1-D3LED-RED3 Miscella neousQua ntity:Refere ncesValueOrder Code1RV127.5k1SW1SW-ROT-4SW-SPDT-M1SW2OM8.2總電路圖d以及解決問題的能力，我們不僅收獲了做電路設計和仿真上的經(jīng)驗，同時也收獲到享受成功時的那份心情，從苦到甜。三個星期中，我們?yōu)樽约旱淖髌窂U寢忘食， 但樂在其中、無怨無悔。從老師布置題目的第一天起，我們不是在不停地收集和 翻閱資料就是在宿舍搞仿真，工作量之大前所未有，以往的實驗都是在老師的指 導下完成，可這次實驗主