简单数字频率计的设计与制作.docx

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1、学 号： 课 程 设 计题 目学 院专 业班 级姓 名指导教师年月日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 简单数字频率计的设计与制作 初始条件：（1） 要求用直接测量法测量输入信号的频率（2） 输入信号的频率为19999HZ要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 设计任务及要求（2） 方案比较及认证（3） 系统框图，原理说明（4） 硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明（5） 调试记录及结果分析（6） 对成果的评价及改进方法（7） 总结（收获及体会）（8） 参考资料（9） 附录：器件表，芯片资料时间安排：6月

2、27日6月30日：明确课题，收集资料，方案确定，仿真7月1日7月4日：硬件电路制作与调试7月5日7月8日；报告撰写，交设计报告，答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 目 录摘 要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。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，最后用显示译码器，把锁存的结果用LED数码显示管显示出来。本文设计的是要求用直接测量法测量输入信号的频率，并且能够直接地显示频

3、率在1Hz至9999Hz范围内的被测信号的频率。根据数字频率计的基本原理及设计的基本要求，本文设计的基本思想是分为五个模块，即放大电路、整形电路、定时电路、计数电路和译码显示电路。其中放大电路是由集成运算放大器和几个电阻组成的，整形电路是由555定时器构成的斯密特触发器组成，定时电路是由555定时器构成的单稳态触发器组成，计数电路是由四块74LS90芯片组成，译码显示电路是由四块74LS48芯片及四块数码管组成。整个设计电路可以显示被测信号的频率，并且还有清零端，当测完一个被测信号后，通过一个开关就可以清零，为下次测量做准备。整机元件少、成本低、易于制作。可扩展性强，若需增大测频范围，只需增加

4、数码管与驱动块即可。全部采用通用元件，易于购买与制作。整个课题完成的整个过程是我先设计电路，然后通过功能强大的protues软件仿真得出正确结果，最后去电子市场购买所需电子器件，并组装成完整电路实现频率计数的功能，其中我设计电路时就已经计划好了所买器件必须要便宜并且易于购买，最后撰写论文。关键词：计数器 protues软件 74LS90 555定时器简单数字频率计的设计与制作1绪论1.1数字频率计的介绍当今，电子行业在市场销售业中占有很大的份额。电子系统非常广泛应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统

5、等在设计过程中无一不用到数字技术。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。数字频率计是电子系统中一个重要环节。数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用二进制计数器级连成一个8421BCD码的十进制计数器，并能显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。1.2protues仿真软件的介绍Proteus是一种功能强大的

6、电子设计自动化软件，提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。其不仅可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等，而且可以仿真嵌入式系统的实验，其最大的特色在于可以提供嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）的仿真实验，这也是其它任何仿真软件无力所及的。例如，其支持单片机和周边设备，可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI

7、器件、部分IIC器件等。在编译方面，它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。Protues软件功能十分强大，特点也十分鲜明。它不仅可以仿真电路分析实验、模拟电子线路试验，还能仿真数字电路实验。它的最大特设是可以提供嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）的仿真实验，所以它完全可以称之为多功能的实验平台。它的内部含有万种以上的元器件（数字的、模拟的、交流的和直流的）及多达30多个元件库。它的内部所含的的仪表如示波器、频谱分析仪、电压表、电流表、图表分析仪、逻辑分析仪、虚拟终端等等为我们做电类实验提供了大量的帮助。1.3结合本文谈谈protues仿真软件及数字频率计本文所设计的简单频率计数器

8、分为五个模块，它们分别是信号放大模块、信号整形模块、定时闸门模块、计数模块、译码显示模块。其中信号放大模块和信号整形模块属于模拟电子技术的范畴，定时闸门模块、计数模块和译码显示模块属于数字电子技术的范畴。本文在做每一个模块时，先是以模拟电子技术基础及数字电子技术基础这两本书为基础，以网络为辅，查阅大量的相关知识，确定每个模块基本电路，为了提高工作的效率及电路的正确性，在做每个模块时都用了protues软件，对电路进行了仿真，并用它内部的虚拟示波器进行检测，直到每个模块能实现各自的功能。简单频率计数器的制作一般可以分为以单片机为主体的制作和以数字电子器件为主体的制作。虽然以单片机为主体制作简单的

9、频率计数器的方法简单，只需一个合适的芯片，并编写一段程序就能达到要求，但由于这学年我们专业还没有学到单片机，这学年我们专业学了模电和数电，为了巩固我所学到的模电和数电的知识，我选择了用以数字电子器件为主体进行设计与制作。本设计的简单频率计数器核心技术就是利用了由555定时器构成的单稳态触发器的一个定时的作用，即输入信号只能在单稳态触发器输出脉冲的时间内才能输入。本文还利用了数电中的由555定时器构成的斯密特触发器，74LS90计数器的应用等课本知识。2电路的设计思路与原理2.1电路设计方案的选择根据课程设计任务书中的要求，及我们对频率计数器的了解，大致可以设计出以下三种方案。2.1.1方案一：

10、利用单片机制作频率计如图1所示，此方案是采用单片机程序处理输入信号并且将结果直接送往LED显示，为了提高系统的稳定性，输入信号前进行放大整形，在通过A/D转换器输入单片机系统，采用这种方法可大大提高测试频率的精度和灵活性，并且能极大的减少外部干扰，采用VDHL编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外，其余全部在一片FPGA芯片上实现，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种方案相对设计复杂度将会大大提高并且采用单片机系统成本也会大大提高。 图1 方案一 框架图2.1.2方案二：利用锁存器与计数器制作频率计图2 是利用锁存器和计数器设计的数字频

11、率计的组成框图，其基本原理是被测信号首先经放大电路、整形电路后，它的幅值改变了但它的频率没有改变，所以能得到计数器所要求的脉冲信号。时钟电路产生时间基准信号，分频后控制计数与保持状态。当其高电平时，计数器计数；低电平时，计数器处于保持状态，数据送入锁存器进行锁存显示。然后对计数器清零，准备下一次计数。图2 方案二 框架图2.1.3方案三：利用定时电路与计数器制作频率计图3为利用定时电路与计数器制作频率计电路，整体框架如图3所示。被测信号经过放大电路、整形电路将其转换成同频率不同幅值的脉动信号，送入计数器进行计数，闸门电路的一个输入信号是定时电路构成的秒脉冲发出的标准脉冲信号，秒脉冲信号源可以是

12、含有一个高稳定的石英振荡器和一个多级分频器共同决定，其时间是相当精确的，也可以是含有一个555定时器构成的单稳态触发器，通过控制R、C的值就可以准确地确定一个1秒定时电路，计数器用来计数1秒钟通过的波形，清零电路由一个简单的单刀双掷开关控制，就可以达到清零的目的，显示电路采用七段共阴极LED数码管。 图3 方案三 框架图2.1.4方案确定方案一整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。但采用这种方案相对设计复杂度将会大大提高，并且采用单片机系统成本也会大大提高。有了单片机，虽然可以通过编写一段适当的程序就可以得到结果，但到目前为止我们还没有正式地接触单片机的知识。此方案不能起到巩固所学知识

13、的作用。方案二所用的原理虽说都是我们在模电和数电中学到，但它的设计原理很复杂。用protues软件虽然可以仿真出正确的结果，但到现实中进行购买元器件、电路的调试时就会很复杂，并且所需精力和财力也比较多，所以不宜采用。方案三所选的单元电路都是我们在模电和数电课上学到的知识，并且这些单元电路很常用，也很便宜，所以易于购买。它的整体结构也简单，便于组装和调试，也容易出结果，并且能巩固我们所学的知识。综合以上的三种频率计的设计方案，通过考虑设计方案设计复杂程度、调试难易程度及所用的元器件的价格等几个方面，得出：应选用方案三。2.2电路设计结构及基本设计原理通常频率计是由输入放大电路、整形电路、定时电路

14、、闸门电路、计数器、显示器组成。如下是简单数字频率计的设计方框图。 图4 原理方框图数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波，方波，三角波和类似脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。数字频率计在测量其他物理量如转速，振动频率等方面获得广泛应用。 频率就是周期性信号在单位时间一秒内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为fN/T，当我们把T取1时，N即为所被测信号的频率。 因此，得到图4中的数字频率计测频率时的原理框图。其中放大电路和整形电路的作用是：将被测信号变成脉冲信号，即正常的脉冲方波信号。定时电路是

15、提供标准的时间脉冲信号，当我们把它的周期定为1s，则门控电路的输出信号持续时间也准确的等于1s。闸门电路由标准的秒信号进行控制，当定时电路的1S信号来到时，闸门则开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器，进行计数，数他在这个1S的时间间隔内有多少个波形，然后传给译码显示电路，即可以显示出被测信号的频率。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N为在1s时间内的累计数，所以被测信号的频率fx =N Hz。其中本文所选用的放大电路是由LM324集成运算放大器芯片，他能够把输入的被测信号的幅值放大到能被后面的整形电路识别，并且波形和频率都不变。整形电路是由555定时器构成的斯密特触发

16、器，他能够把不是脉冲波的任何波形变成脉冲波，使之能够进入闸门电路。定时电路是由555定时器构成的单稳态触发器，这里是利用了它的一个定时的功能，即在一个闸门时间（本文为1秒）内允许输入信号输入，即可得到一秒内的输入信号。门闸电路是由一个两输入的与门构成，它的输入端接经过放大、整形后的输入信号和1秒的定时时基信号，输出接计数电路。计数电路是由四块74LS90芯片组成的一个10000进制的计数器，门闸电路的输出端作为它的触发信号。译码器是由四块74LS48共阴的译码器。数码管也用四块共阴的数码管。2.3单元电路的设计2.3.1运算放大器2.3.2整形电路2.3.3闸门电路2.3.4计数器2.3.5译码显示电路