羅娟——數(shù)字頻率計畢業(yè)設計

1、 鶴壁職業(yè)技術學院 畢業(yè) 設計 題 目: 數(shù)字頻率計 指導老師： 于軍 專 業(yè)： 應用電子 院 系： 電子信息工程系 姓 名： 羅娟 班 級： 電子學 號： 07032110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

2、用于低頻信號的頻率測量。本文闡述了基于通用集成電路設計了一個簡單的數(shù)字頻率計的過程。頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內(nèi)的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率f=N/T。 頻率計主要由四個部分構成：時基（T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則

3、用來顯示被測信號的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設置。 在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時快速的跟蹤捕捉到被測信號頻率的變化。正是由于頻率計能夠快速準確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此，頻率計擁有非常廣泛的應用范圍。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質量。在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設備的本地振蕩器進行校準。在無

4、線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進行校準，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調(diào)制信號進行分析。目錄一、引言3（1.1） 引言1（1.2） 數(shù)字頻率計概述2（1.3） 數(shù)字電路概述3二、 數(shù)字頻率計的基本原理4（2.1） 數(shù)字頻率計的基本組成5（2.2） 數(shù)字頻率計的原理框圖與波形圖6（2.3） 數(shù)字頻率計的原理圖7三、 數(shù)字頻率計的基本電路設計9（3.1）放大整形電路 9（3.2）時基電路 10（3.3）邏輯控制電路 11（3.4）輸出實現(xiàn)器 12

5、(3.5) 擴展電路設計14（3.6）電路調(diào)試 16四、 結束語2（4.1）結論17（42 ）致謝18附錄：A:原理圖.19 B:參考文獻.20 C:元件清單.21、 引言1.1引言數(shù)字頻率計是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器，它的基本功能是測量正弦信號、方波信號。本課程設計介紹了頻率計的設計方案及其基本原理，并著重介紹了頻率計各單元電路的設計思路，原理，整體電路的的工作原理，控制器件的工作情況。整個設計配以電路圖和波形圖加以輔助說明，便于理解頻率計的工作情況。設計共有三大組成部分：一是原理電路的設計，本部分詳細講解了電路的理論實現(xiàn)，是關鍵部分；二是參數(shù)設置，為了分析電

6、路的參數(shù)以及參數(shù)的設置，便于理解。三是性能測試，這部分用于測試設計是否符合任務要求。整個設計淺顯易懂，結構嚴謹，是一份完整的課程設計。本次設計有有七大部分組成,其中有放大電路,閘門電路,計數(shù)器,鎖存器,譯碼器器，顯示器和邏輯控制電路。所用到的元器件組成的部分有晶體管3DG100和74LS00組成的放大整形電路，定時器555構成的多諧振蕩器，74LS273鎖存器和兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123組成的邏輯控制電路。一下會對這些器件的工作原理加以說明。 1.2、數(shù)字頻率計概述在電子技術中，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。

7、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的頻率測量。本次設計的數(shù)字頻率計以AT89C52為核心，在軟件編程中采用的是C51語言，測量采用了多周期同步測量法，它避免了直接測量法對精度的不足，同時消除了直接與間接相結合方法，需對被測信號的頻率與中介頻率的關系進行判斷帶來的不便，能實現(xiàn)較高的等精度頻率和周期的測量目前，頻率和時間的測量

8、已越來越受到重視，長度、電壓等參數(shù)也可以轉化為與頻率測量有關的技術來確定。數(shù)字頻率計是一種基本的測量儀器。它被廣泛應用與航天、電子、測控等領域。它的基本測量原理是，首先讓被測信號與標準信號一起通過一個閘門，然后用計數(shù)器計數(shù)信號脈沖的個數(shù)，把標準時間內(nèi)的計數(shù)的結果，用鎖存器鎖存起來，然后用顯示譯碼器把鎖存的結果送入顯示器顯示出來。根據(jù)數(shù)字頻率計的基本原理，本設計方案的基本思想是分為五個模塊來實現(xiàn)其功能，即整個數(shù)字頻率計系統(tǒng)分為信號予處理模塊、閘門電路、計數(shù)模塊、時基門控模塊和顯示模塊等幾個單元。1.3.數(shù)字電路概述 定義：用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)

9、。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路?，F(xiàn)代的數(shù)字電路由半導體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二值數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。從整體上看，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。從前面的介紹，大家已經(jīng)了解到數(shù)字電路是以二值數(shù)字邏輯為基礎的，其工作信號是離散的數(shù)字信號。電路中的電子晶體管工作于開關狀態(tài)，時而導通，時而截止。數(shù)字電路的發(fā)展與模擬電路一樣經(jīng)歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發(fā)展比模擬電路發(fā)展的更快。從60年代開始，數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件。隨后發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件；70年代末，

10、微處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字集成電路的性能產(chǎn)生質的飛躍。數(shù)字集成器件所用的材料以硅材料為主，在高速電路中，也使用化合物半導體材料，例如砷化鎵等。邏輯門是數(shù)字電路中一種重要的邏輯單元電路 。TTL邏輯門電路問世較早，其工藝經(jīng)過不斷改進，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發(fā)展,TTL的主導地位受到了動搖，有被CMOS器件所取代的趨勢。近年來,可編程邏輯器件PLD特別是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的飛速進步，使數(shù)字電子技術開創(chuàng)了新局面，不僅規(guī)模大，而且將硬件與軟件相結合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。 二、數(shù)字頻率計的基本原理2.1、數(shù)字頻率計的基本組成數(shù)字頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定

11、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。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。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，數(shù)字頻率計是一種應用很廣泛的儀器電子系統(tǒng)非常廣泛的應用領域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。集成電路的類型很多，從大的方

12、面可以分為模擬電路和數(shù)字集成電路2大類。數(shù)字集成電路廣泛用于計算機、控制與測量系統(tǒng)，以及其它電子設備中。一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運行的電信號，其大小往往并不改變，但在實踐分布上卻有著嚴格的要求，這是數(shù)字電路的一個特點。數(shù)字集成電路作為電子技術最重要的基礎產(chǎn)品之一，已廣泛地深入到各個行業(yè)中。所謂頻率，就是周期性信號在單位時間(1s)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T秒內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為：f=N/T2.2、數(shù)字頻率計的組成框圖與波形圖圖1是數(shù)字頻率計的組成框圖。被測信號v x 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f x 相同。時基電路提

13、供標準時間基準信號II，其高電平持續(xù)時間t1=1 秒，當l秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到l秒信號結束時閘門關閉，停止計數(shù)。若在閘門時間1s內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N， 則被測信號頻率f x =NHz。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖IV，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清“0”脈沖V，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。各信號之間的時序關系如圖1所示。數(shù)字頻率計的組成框圖和原理圖2.3、數(shù)字頻率計的原理圖設計原理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。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

14、。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本文。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。555 定時器,分級分頻系統(tǒng)及門控制電路得到具有固定寬度T的方波脈沖做門控制信號,時間基準T稱為閘門時間.寬度為T的方波脈沖控制閘門的一個輸入端B.被測信號頻率為fx,周期Tx.到閘門另一

15、輸入端A.當門控制電路的信號到來后,閘門開啟,周期為Tx的信號脈沖和周期為T的門控制信號結束時過閘門,于輸出端C 產(chǎn)生脈沖信號到計數(shù)器,計數(shù)器開始工作,直到門控信號結束,閘門關閉.單穩(wěn)1的暫態(tài)送入鎖存器的使能端,鎖存器將計數(shù)結果鎖存,計數(shù)器停止計數(shù)并被單穩(wěn)2暫態(tài)清零. (簡單地說就是: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顯示器,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

16、,為下一次測量做準備,實現(xiàn)了可重復使用,避免兩次測量結果相加使結果產(chǎn)生錯誤.) 若T=1s,計數(shù)器顯示fx=N(T時間內(nèi)的通過閘門信號脈沖個數(shù)) 若T=0.1s,通過閘門脈沖個數(shù)位N時,fx=10N,(閘門時間為0.1s時通過閘門的脈沖個數(shù)).也就是說,被測信號的頻率計算公式是fx=N/T.由此可見,閘門時間決定量程,可以通過閘門時基選擇開關,選擇T大一些,測量準確度就高一些,T小一些,則測量準確度就低.根據(jù)被測頻率選擇閘門時間來控制量程.其原理圖如下：圖2 三、數(shù)字頻率計的電路組成3.1、放大整形電路圖3放大整形電路圖放大整形電路由晶體管3DG100與74LS00等組成，其中3DGl00組成

17、放大器將輸入頻率。為f x 的周期信號如正弦波、三角波等進行放大，與非門74LS00構成施密特觸發(fā)器，它對放 大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。3.2、時基電路圖4時基電路時基電路的作用是產(chǎn)生一個標準時間信號（高電平持續(xù)時間為 1s），由定時器555構成的多諧振蕩器產(chǎn)生。若振蕩器的頻率 f0 1/(t1 + t 2 )= 0.8Hz，則振蕩器的輸出波形如圖1中的波形II所示，其中t1=1s，t2=0.25s。由公式t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C，可計算出電阻R1、R2及電容C的值，則C=10Uf,R2= t2/0.7C=35.7K取標稱值36 KR1= （t1/0.7

18、C）- R2=107K取R1=47 K，RP=100 K3.3、邏輯控制電路圖5邏輯控制電路根據(jù)圖1所示波形，在計數(shù)信號II結束時產(chǎn)生鎖存信號IV，鎖存信號IV 結束時產(chǎn)生 清“0”信號 V。脈沖信號IV和V可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。設所存信號IV和清“0”信號V的脈沖寬度tw相同，如果要求tw=0.02s，則得tw=0.45RextCext=0.02s 若取 Rext=10k，則 Cext=tw/0.45Rext=4.4F。由74LS123的功能（見下表1）可得，當 1R D 1B =1 觸發(fā)脈沖從1A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負跳變作用下，輸出

19、端1Q可獲得一負脈沖，其波形關系正好滿足圖1所示的波形IV和V的要求。手動復位開關S按下時，計數(shù)器清“0”。功能表如下：表174LS123功芯片能表3.4、輸出實現(xiàn)器圖6頻率計算器表274LS90的不同接線方法鎖存器：鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結束時所計得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示 此時計數(shù)器的值。如圖所示，1s計數(shù)時間結束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號IV，將此時計數(shù)器的值送譯碼顯示器，選用兩個8位鎖存器74L273可以完成上述功能。當時鎖存信號CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。高電平結束后， 無論D為何值，輸出端的狀態(tài)仍保持原來的狀

20、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。表374LS273功能表表474LS43.5擴展電路設計圖2所示的是數(shù)字頻率計電路，其測量的最高頻率只能為9.999kHz,完成一次測量的時間約1.25s。若被測信號頻率增加到數(shù)百千赫茲或數(shù)兆赫茲，則需要增加頻率范圍擴展電路。頻率范圍擴展電路如圖所示，該電路可實現(xiàn)頻率量程的自動轉換。其工作原理是：當被測信號頻率升高，千位計數(shù)器已滿，需要升量程時，計數(shù)器的最高位產(chǎn)生進位脈沖Q3，送到由74LS92與兩個D觸發(fā)器共同構成的進位脈沖采集電路。第一個D觸發(fā)器的1D端接高電平，當Q3的下跳沿來到時，74LS92的Q0端輸出主電平，則第一個D觸發(fā)器

21、的1Q端產(chǎn)生進脈沖并保持到清零脈沖到來。該進們脈沖使多路數(shù)據(jù)選擇器74LS151的地址計數(shù)器74LS90加1，多路數(shù)據(jù)選擇器將選通下一路輸入信號，即上一次頻率低10倍的分頻率信號，由于此時個位計數(shù)器的輸入脈沖的頻率比被測頻率fx低10倍，故要將顯示器的數(shù)乘以10才能得到被測頻率值，這可以通過移動顯示器上小數(shù)占的位置來實現(xiàn)。如圖7.3.3所示，若被測信號不經(jīng)過分頻（100°輸出），顯示器上的最大值為9.999kHz，若經(jīng)過101的一次分頻后，器上的最大值為99.99kHz，即小數(shù)點每向右移動一位，頻率的測量范圍擴大10倍。進位脈沖采集電路的作用是使電路工作穩(wěn)定，避免當千位計數(shù)中位器計到

22、8或9時，產(chǎn)生小數(shù)點的跳動。第二個D觸發(fā)器用來控制清零，即有進位脈沖時電路不清零，而無進位時則清零。當被測頻率降低需要轉換到低量程時，可用千位（最高位）是否為0來判斷。在此利用千位譯碼器74LS48的滅0輸出端RBO，當RBO端為0時，輸出為0，這時就需要降量程。因此，取其非作為地址計數(shù)器74LS90的清零脈沖。為了能把高位多余的0熄滅，只需把高位的滅0輸入端RBI接地，同時把高位的RBO與低位的RBI相連即可。由此可見，只有當檢測到最高位為“0”，并且在該1s內(nèi)沒有進位脈沖時，地址計數(shù)器才清零復位，即轉換到最低量程，然后再按升量和的原理自動換擋，直至找到合適的量程。若將地址譯碼器74LS13

23、8的輸出端取非，變成高電平以驅動顯示器的小數(shù)點h，則可顯示擴展的頻率范圍。圖7：頻率范圍擴展電路3.6電路調(diào)試接通電源后，用雙蹤示波器（輸入耦合方式置DC擋）觀察時基電路的輸出波形，應如(b)所示的波形，其中t1=1s,t2=0.25s,否則重新調(diào)節(jié)時基電路中的R1和R2的值，使其滿足要求。然后，改變示波器的掃描速率旋鈕，觀察74LS123的腳和腳的波形，應有如圖7.3.1(b)所示的鎖存脈沖和清零脈沖的波形。將4片計數(shù)器74LS90的腳全部接氏電平，鎖存器74LS273的腳都接時鐘脈沖，在個位計數(shù)器的腳加入計數(shù)脈沖，檢查4位鎖存、譯碼、顯示器的工作是否正常。在放大電路輸入端加入f=1kHz,

24、Vp-p=1V的正弦信號，用示波器觀察放大和整形電路的輸出波形，應為與被測信號屆頻率的脈沖波，顯示器上的讀數(shù)應為1000Hz。四、結束語4.1.結論:通過這次的課程設計，在于軍老師熱心輔導和指導下順利完成啦。通過本次的課程設計，加深了我對數(shù)字電子技術模擬電子兩門課程的理解，強化了我對相關知識的記憶，提高了我對所學知識的應用。這極大擴展了我的視野，更加激發(fā)了我對這門課程的熱愛，在設計的過程中，由于綜合應用了各種學習、應用軟件，例如：word、auto CAD、protel繪圖等，不但整體上改了技能，還能從中獲得了成就感。通過這次設計，總的感覺是：有收獲。以前上課都是上一些最基本的東西而現(xiàn)在卻可以將以前學的東西作出有實際價值的東西。在這個過程中，我的確學得到很多在書本上學不到的東西，如：如何利用所需元件設計和用計算機來畫圖等等。但也遇到了不少的挫折，有時遇到了一個錯誤怎么找也找不到原因所在，找了老半天結果卻是元件放錯地方，有時更是忘了畫電源，設計中的題在課堂上不可能犯，在動手的過程中卻很有可能犯。特別