数字频率计毕业设计论文.doc

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1、 毕业论文(设计) 题 目 数字频率计 学生姓名 陆皓明 学 号20081305073 院 系电子信息工程专 业电子与信息工程指导教师张宏群二 年 月 日、 引言31.1引言31.2、数字频率计概述31.3.数字电路概述4二、数字频率计的基本原理42.1、数字频率计的基本组成42.2、数字频率计的组成框图与波形图52.3、数字频率计的原理图6三、数字频率计的电路组成83.1、放大整形电路83.2、时基电路93.3、逻辑控制电路103.4、输出实现器113.5扩展电路设计133.6电路调试14四、结束语144.1.结论:144.2.致谢：14摘要：在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多

2、电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简单的数字频率计的过程。频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被

3、测信号的频率f=N/T。 频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。 在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实

4、时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。关键词：数字频率计；集成电路；频率测量、 引言1.1引言数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字

5、测量仪器，它的基本功能是测量正弦信号、方波信号。本课程设计介绍了频率计的设计方案及其基本原理，并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路，原理，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。整个设计配以电路图和波形图加以辅助说明，便于理解频率计的工作情况。设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是参数设置，为了分析电路的参数以及参数的设置，便于理解。三是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。整个设计浅显易懂，结构严谨，是一份完整的课程设计。本次设计有有七大部分组成,其中有放大电路，闸门电路，计数器，锁存器，译码器，显示器和逻辑控制电路。所用到的元

6、器件组成的部分有晶体管3DG100和74LS00组成的放大整形电路，定时器555构成的多谐振荡器，74LS273锁存器和两个单稳态触发器74LS123组成的逻辑控制电路。一下会对这些器件的工作原理加以说明。放大电路，闸门电路，计数器，锁存器，译码器，显示器和逻辑控制电路1.2、数字频率计概述在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在

7、一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本次设计的数字频率计以AT89C52为核心，在软件编程中采用的是C51语言，测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量目前，频率和时间的测量已越来越受到重视，长度、电压等参数也可以转化为与频率测量有关的技术来确定。数字频率计是一种基本的测量仪器。它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。它的基本测量原理是，首先让被测信号与标

8、准信号一起通过一个闸门，然后用计数器计数信号脉冲的个数，把标准时间内的计数的结果，用锁存器锁存起来，然后用显示译码器把锁存的结果送入显示器显示出来。根据数字频率计的基本原理，本设计方案的基本思想是分为五个模块来实现其功能，即整个数字频率计系统分为信号予处理模块、闸门电路、计数模块、时基门控模块和显示模块等几个单元。1.3.数字电路概述 定义：用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路

9、。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。从前面的介绍，大家已经了解到数字电路是以二值数字逻辑为基础的，其工作信号是离散的数字信号。电路中的电子晶体管工作于开关状态，时而导通，时而截止。数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。数字集成器件所用的材料以硅材料为主，在高速电路中，也使用化合物半导体材料，例如砷化镓等。逻辑门是数字电路中一种重要的逻辑单元电路 。

10、TTL逻辑门电路问世较早，其工艺经过不断改进，至今仍为主要的基本逻辑器件之一。随着CMOS工艺的发展,TTL的主导地位受到了动摇，有被CMOS器件所取代的趋势。近年来,可编程逻辑器件PLD特别是现场可编程门阵列FPGA的飞速进步，使数字电子技术开创了新局面，不仅规模大，而且将硬件与软件相结合，使器件的功能更加完善，使用更灵活。二、数字频率计的基本原理2.1、数字频率计的基本组成数字频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但

11、闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号，数字频率计是一种应用很广泛的仪器电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2大类。数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格的

12、要求，这是数字电路的一个特点。数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广泛地深入到各个行业中。所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔T秒内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为：f=N/T2.2、数字频率计的组成框图与波形图图1是数字频率计的组成框图。被测信号v x 经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号I，其频率与被测信号的频率f x 相同。时基电路提供标准时间基准信号II，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

13、得的脉冲个数为N， 则被测信号频率f x =NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IV，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图1所示。数字频率计的组成框图和原理图2.3、数字频率计的原理图频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。本文。数字频率计是用

14、数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。555 定时器,分级分频系统及门控制电路得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控制信号,时间基准T称为闸门时间.宽度为T的方波脉冲控制闸门的一个输入端B.被测信号频率为fx,周期Tx.到闸门另一输入端A.当门控制电路的信号到来后,闸门开启,周期为Tx的信号脉冲和周期为T的门控制信号结束时过闸门,于输出端C 产生脉冲信号到计数器,计数器开始工作,直到门控信号结束,闸门关闭.单稳1的暂态

15、送入锁存器的使能端,锁存器将计数结果锁存,计数器停止计数并被单稳2暂态清零. (简单地说就是:在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启,计数器开始计数,在同一脉冲的下降沿到来时,闸门关闭,计数器停止计数.同时,锁存器产生一个锁存信号输送到锁存器的使能端将结果锁存,并把锁存结果输送到译码器来控制七段显示器,这样就可以得到被测信号的数字显示的频率.而在锁存信号的下降沿到来时逻辑控制电路产生一个清零信号将计数器清零,为下一次测量做准备,实现了可重复使用,避免两次测量结果相加使结果产生错误.) 若T=1s,计数器显示fx=N(T时间内的通过闸门信号脉冲个数) 若T=0.1s,通过闸门脉冲个数位N时,fx=

16、10N,(闸门时间为0.1s时通过闸门的脉冲个数).也就是说,被测信号的频率计算公式是fx=N/T.由此可见,闸门时间决定量程,可以通过闸门时基选择开关,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.其原理图如下：图2三、数字频率计的电路组成3.1、放大整形电路图3放大整形电路图放大整形电路由晶体管3DG100与74LS00等组成，其中3DGl00组成放大器将输入频率。为f x 的周期信号如正弦波、三角波等进行放大，与非门74LS00构成施密特触发器，它对放 大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。3.2、时基电路图4时基电路时基电路的作用

17、是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为 1s），由定时器555构成的多谐振荡器产生。若振荡器的频率 f0 1/(t1 + t 2 )= 0.8Hz，则振荡器的输出波形如图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，可计算出电阻R1、R2及电容C的值，则C=10Uf,R2= t2/0.7C=35.7K取标称值36 KR1= （t1/0.7C）- R2=107K取R1=47 K，RP=100 K3.3、逻辑控制电路图5逻辑控制电路根据图1所示波形，在计数信号II结束时产生锁存信号IV，锁存信号IV 结束时产生 清“0”信号 V。脉

18、冲信号IV和V可由两个单稳态触发器74LS123产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。设所存信号IV和清“0”信号V的脉冲宽度tw相同，如果要求tw=0.02s，则得tw=0.45RextCext=0.02s 若取 Rext=10k，则 Cext=tw/0.45Rext=4.4F。由74LS123的功能（见下表1）可得，当 1R D 1B =1 触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图1所示的波形IV和V的要求。手动复位开关S按下时，计数器清“0”。功能表如下：表174LS123功芯片能表3.4、输出实现器图6频率计算器表274LS9

19、0的不同接线方法锁存器：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。如图所示，1s计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号IV，将此时计数器的值送译码显示器，选用两个8位锁存器74L273可以完成上述功能。当时锁存信号CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后， 无论D为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变，所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。表374LS273功能表表474LS43.5扩展电路设计图2所示的是数字频率计电路，其测量的最高频率只能为9.999kHz,完成一次测量

20、的时间约1.25s。若被测信号频率增加到数百千赫兹或数兆赫兹，则需要增加频率范围扩展电路。频率范围扩展电路如图7.3.3所示，该电路可实现频率量程的自动转换。其工作原理是：当被测信号频率升高，千位计数器已满，需要升量程时，计数器的最高位产生进位脉冲Q3，送到由74LS92与两个D触发器共同构成的进位脉冲采集电路。第一个D触发器的1D端接高电平，当Q3的下跳沿来到时，74LS92的Q0端输出主电平，则第一个D触发器的1Q端产生进脉冲并保持到清零脉冲到来。该进们脉冲使多路数据选择器74LS151的地址计数器74LS90加1，多路数据选择器将选通下一路输入信号，即上一次频率低10倍的分频率信号，由于

21、此时个位计数器的输入脉冲的频率比被测频率fx低10倍，故要将显示器的数乘以10才能得到被测频率值，这可以通过移动显示器上小数占的位置来实现。如图7.3.3所示，若被测信号不经过分频（100输出），显示器上的最大值为9.999kHz，若经过101的一次分频后，器上的最大值为99.99kHz，即小数点每向右移动一位，频率的测量范围扩大10倍。进位脉冲采集电路的作用是使电路工作稳定，避免当千位计数中位器计到8或9时，产生小数点的跳动。第二个D触发器用来控制清零，即有进位脉冲时电路不清零，而无进位时则清零。当被测频率降低需要转换到低量程时，可用千位（最高位）是否为0来判断。在此利用千位译码器74LS4

22、8的灭0输出端RBO，当RBO端为0时，输出为0，这时就需要降量程。因此，取其非作为地址计数器74LS90的清零脉冲。为了能把高位多余的0熄灭，只需把高位的灭0输入端RBI接地，同时把高位的RBO与低位的RBI相连即可。由此可见，只有当检测到最高位为“0”，并且在该1s内没有进位脉冲时，地址计数器才清零复位，即转换到最低量程，然后再按升量和的原理自动换挡，直至找到合适的量程。若将地址译码器74LS138的输出端取非，变成高电平以驱动显示器的小数点h，则可显示扩展的频率范围。3.6电路调试接通电源后，用双踪示波器（输入耦合方式置DC挡）观察时基电路的输出波形，应如7.3.1(b)所示的波形，其中

23、t1=1s,t2=0.25s,否则重新调节时基电路中的R1和R2的值，使其满足要求。然后，改变示波器的扫描速率旋钮，观察74LS123的脚和脚的波形，应有如图7.3.1(b)所示的锁存脉冲和清零脉冲的波形。将4片计数器74LS90的脚全部接氏电平，锁存器74LS273的脚都接时钟脉冲，在个位计数器的脚加入计数脉冲，检查4位锁存、译码、显示器的工作是否正常。在放大电路输入端加入f=1kHz,Vp-p=1V的正弦信号，用示波器观察放大和整形电路的输出波形，应为与被测信号届频率的脉冲波，显示器上的读数应为1000Hz。四、结束语4.1.结论:通过这次的课程设计，在于军老师热心辅导和指导下顺利完成啦。

24、通过本次的课程设计，加深了我对数字电子技术模拟电子两门课程的理解，强化了我对相关知识的记忆，提高了我对所学知识的应用。这极大扩展了我的视野，更加激发了我对这门课程的热爱，在设计的过程中，由于综合应用了各种学习、应用软件，例如：word、auto CAD、protel绘图等，不但整体上改了技能，还能从中获得了成就感。通过这次设计，总的感觉是：有收获。以前上课都是上一些最基本的东西而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：如何利用所需元件设计和用计算机来画图等等。但也遇到了不少的挫折，有时遇到了一个错误怎么找也找不到原因所在，找了老半天

25、结果却是元件放错地方，有时更是忘了画电源，设计中的题在课堂上不可能犯，在动手的过程中却很有可能犯。特别是在画路时，一不小心就会犯错，而且很不容易检查出来。但现在回过头来看，还是挺有成就感的。我的动手能力又有了进一步的提高，我感到十分的高兴我学到了课本上没有的东西，也学会了如何利用计算机来画电路图，这在以后的学习和生活中会有很大的。4.2.致谢：本毕业论文和设计是在张宏群老师的精心指导帮助下完成的，老师对论文的构思、框架和理论知识的运用给予了许多深入的指导，使得本设计顺利完成。在此期间，张老师在学业上给予了悉心的指导，这些令我难以忘怀。在设计的过程中，他不仅传授给我渊博的知识，更重要的是教给我作

26、为一名电子产品检测者应该具备的科学思维方法和严谨认真、实事求是、精益求精的学习态度和踏踏实实、不怕吃苦的工作风。在此，谨向张老师表示衷心的感谢与敬意!附录：A：电路原理图：B：参考文献：1.protel.99.se2.模拟电子技术、数字电子技术 郝波 西安电子科技大学出版社3数字电子技术基础实验 郭三明 雷乃清 于亚萍 河南理工大学电工电子实验 4. 电子线路设计实验测试（第三版） 谢自美 罗杰 赵云媂 杨小献 华中科技大学出版社5.MCS-51单片机原理及应用教程刘迎春 于复生 牟盛勇 林毓梁 清华大学出版社6. 通信电子线路 严国萍，龙占超编著科学出版社7. 电路基本分析（第二版） 主编 石生高等教育出版社8. 高频电子线路 胡宴如 高等教育出版社C:元件清单：元件名称所需个数555定时器1片74LS1231片74LS2732片74LS484片74LS906片74LS921片74LS002片74LS741片74LS1511片74LS1381片数码显示器BS2024片3DG1001只