数字式频率计设计报告.doc

1、 数字式频率计设计报告 内容摘要在电子技术中，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。本次课程设计的目的是根据已经学到的知识，按照这次课程设计的要求设计一个简易的数字式频率计，要求频率计范围内能测出所输入信号的频率。测量频率的方法有多种，中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，其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。一、 设计任务设计一个数字式频率计。二、设计内容及要求：1、被测量信号：方波 、正弦波、三角波，04V；2、测量频率范围: 1Hz9999Hz；3、测量精度误差为5 2HZ；4、

2、显示方式：用LED数码管显示4位十进制频率数值；5、时基电路由555构成的多谐振荡器产生；三、设计原理及方案数字频率计就是直接用十进制的数字来显示被测信号频率。可以测的方波的频率，通过放大正行处理，它可还以测量正弦波、三角波和尖脉冲信号的频率。所谓频率就是在单位时间（1s）内周期信号的脉冲个数。若在一定时间间隔T内测得周期信号的脉冲个数N，则其频率为f=N/T，据此，设计方案框图如图1所示：译码显示电路单稳态延时 锁存器 单稳态延时十进制计数器 门控电路CP脉冲信号源 图1 数字频率计组成框图图中脉冲形成的电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率f。，时间基准信号发生器

3、提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号也就是闸门信号持续时间也会等于1s。闸门电路由闸门信号进行控制当闸门号到来时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门被送到计数器译码显示电路。闸门信号结束时，闸门关闭，计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率f= N Hz。 1.设计原理由逻辑电路组成的频率计，大多是由中小规模的集成芯片按照逻辑原理组合而成，其结构复杂，组装、调试比较麻烦；但是我们所学的知识大部分是集成芯片，所以只用中小型规模的集成芯片组成的逻辑电路，有多个单元组成而成的简易数字频率计。 原理方框图被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等

4、待时基信号的到来。时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，当高电平时，计数器计数；低电平是计数器保持状态，数据送入锁存器显示。然后计数器清零，准备下个计数。这样就达到了测量频率的目的。对频率是f的周期信号，测频的实现方法，是有一个标准闸门信号（闸门宽度为Tg）对周期信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N1时，其信号的频率为：f=N1/Tg，式中Tg为标准闸门的宽度（s），N1是由计数器记录的脉冲个数（重复周期数）。如图（3）所示：图3测量电路在检测到脉冲

5、信号的上升沿的时候打开计数器, 并且在检测到下降沿的时候关闭计数器, 设脉冲宽度为Tg, 计算公式为: Tg = N1/f。2.设计方案根据设计要求，简易数字频率计的工作原理方框图如图2所示：图3设计原理方框图首先，被测信号经放大整形处理后，会得到与输入信号频率相同的方波；然后时基电路产生的闸门信号，与处理后的被测信号一起送入闸门电路，若是闸门信号关闭，被测信号不能进入计数器，当闸门信号开启时，当被测信号被送入计数器时，计数器开始计数，后面的锁存译码电路，最后显示出所测信号的频率。根据课题的要求，首先需要确定满足测量要求的测量方法。由测量原理与方法可知，可用的测量方法选测频法，因为适用于较高频

6、率信号的频率测量。3. 实验连接在实验连接过程中应该按照分部连接，每一部分去连接，接完就通过输出信号是否良好去检测电路是否实现功能。在连接到一起，这样能避免一些不必要的错误，这样使实验变得简单明了，出现错误检查分析方便，条理清晰。四、单元电路设计1.输入信号电路其作用是将接收到的各种被测信号（如正弦波、三角波或者其他呈周期性变化的波形）并加以放大、整形，转换为为计数器所要求的脉冲信号，但是被测信号的频率并不发生改变。将其他波形的信号变换成脉冲波形的信号电路有多种，如施密特触发器、单稳态触发器、比较器等，其中施密特触发器的应用较多。电路形式采用555构成的施密特触发器，电路原理如图4（a） 所示

7、。 图中R1与R2的作用是将被测信号进行电平移动，因为555构成的施密特触发器的上触发电平UT+ =2/3Ucc，下触发电平UT=1/3Ucc，如图4（b）所示。 4(a) 原理图 图4（b） 波形图1. 时钟产生电路模块：555脉冲实现图如下： 解析：图中的555定时器实现的脉冲输出，产生一个的连续脉冲，当接好电路后，用实验箱上的指示灯检测脉冲是否正常，可以观测灯的频率，该555也就相当于一个时间开关作用，每隔0.25的与非门打开1秒。 4与7端刚开始不连接可调电阻，当所有功能实现是后期调试就添加一可调电阻去控制脉冲的时间达到误差较小的结果。74LS123芯片功能 图示： 解析：74LS12

8、3是一种可双重触发的单稳态触发器。在这就形成单稳态延时作用，脉冲由555输出由1端输入到123芯片，从而实现12端产生周期为0.02S的闪灭信号脉冲，而以13端与9相连的端口同时输出周期为0.02S的闪亮信号脉冲，我们检查从555到123芯片是否接法合理就可以用信号灯检测12端口与13货9端口的脉冲信号源是否合理。2. 分频器电路模块 采用计数器构成分频电路，对1KHZ的时钟脉冲进行分频，取得不同量程所需的时间基准信号，实现量程控制。1KHZ的时钟脉冲对其进行3次十分频，每个10分频的输出信号为100HZ,10HZ,1HZ三种时间基准信号。1HZ作为时间基准信号时，相应的量程为X1000.X1

9、00.X10.X1.从而达到频率计数。 解析： 该分频是以四片74LS90实现功能 ，该数字频率计接成十进制（当CP1与Q0连接时以Q3作为输出到下一个90芯片的CP0）这样4块连到一起，所有R01断接到与非门的输出端，一端输入接开关（实现高低信号源），另一端输入接由123芯片的12端产生的脉冲信号，实现计数与清零功能 。 图示如下： 3.逻辑控制电路 在标准时间信号即闸门信号结束时所产生低电平用来产生锁存信号，因为由555定时器组成的单稳态电路是低电平有效，即在闸门信号结束时产生锁存信号。同时锁存信号经过非门产生清零信号。锁存信号的脉冲宽度由本身电路的时间常数决定，锁存信号由两个反相器产生的

10、清零信号恰好有时间差，即在锁存信号产生后再产生清零信号，由此可知这两个脉冲信号可由单稳态触发器产生. 该逻辑功能可以由S00芯片控制，2个与非门实现脉冲输入，计数与清零。图示与非门开关： 与非门脉冲输入： 3.锁存器和清零解析： 锁存器的作用是将计数器在计数结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。因为计数器在1s内要计算成千上万个输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读数。当计数器计数结束时，逻辑控制电路会产生锁存信号，将计数器此时的值送到译码器，因此经由显示器的数字是稳定不变的。在本次试验中我选用的两片8D锁存器74LS273可以完成上述锁存功能。74

11、LS273的真值表如表1所示。 当时钟脉冲CP的上升沿到来时，锁存器的输出等于输入，即Q=D。从而将4个十进制计数器即个位、十位、百位、千位的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论输入端D为何值，输出端Q的状态仍然保持原来的状态。所以在计数周期内，计数器的输出不会送到译码显示器。 清零信号是在计数器的计算值送锁存后，为了下次计数而把计数器进行清零，所以在锁存信号发出后，利用反相器的功能得到一个对计数器清零的延时信号。连接原理图示如下： 脉冲信号由123芯片的9-13端口输入至273的11端口，该信号为0.02S闪亮信号。4. 数字电路显示模块图示如下： 解析： 此模块由4个74LS47和

12、共阳极数码管组成，接电路前需要检测2者是否匹配，检测方法：将数码管的3或8端口接一保护电阻(300-600)到电源。再将导线分别将1,2,4,5,6,7,9,10与地接通。如果正常亮说明为共阳，可以与74LS47匹配。如果与地连亮就为共阴。这样就形成4为数码管显示。五、 调试过程与分析一模块调试1. 555模块调试 模块是由555芯片定时器产生的脉冲信号，检测是由555的OUT端输出将数码管的指示灯接入看灯是否会实现的时间间隔闪烁，如果不会闪烁检查电路是否接触良好，电容是否正负连接正确。我接完第一个脉冲模块是连接指示灯，正常闪烁，但闪烁时间间隔有微小误差，暂时不管，等到所有模块都实现了再去调节

13、时间间隔的输出，调节方法可以改变4与7端口间的电阻，加一个量程较大的可调电阻即可。2. 74LS123模块调试 连接好电路后，用导线将123芯片的12端口13,9端口作为输出端进行测量，13,9端口测试是正常显示为0.02S闪亮信号源，12端口的为0.02S的闪灭信号源，当我接好以后测试13端口接入指示灯发现显示常亮，经过检测发现原来是13,9端口接到电源去了，导致一直为高电平，当检测12端口是也发现常亮信号灯，之后又检测是否接到了高电平，发现接法正确，再检测电容正负是否接反，发现也正常，之后回过头去检测555模块还是正常，最后检查了一次线的连接，发现无误。当时就不想再这模块的检测花时间了，之

14、后连接下面电路，等所有完成以后在回去检测123模块是否为芯片问题。二整体调试 经过上午到下午的连接，将整体模块全部接完，所有模块都连接到一起，当接通电源信号源时发现显示不正常，有的数码管显示还是乱码，有的管脚还不会亮。发现有许多问题之后进行调试 实验遇到的所有问题调试及分析1.数码管显示调试 之前检测过数码管发现每个管脚都是好的所有排除管脚好坏的问题根据管脚不亮的地方显示根据该图的显示去查找线是否接好，当检测时针对每个不亮的管脚进行检查发现确实有线的接触问题经过连接数码管显示都正常显示。 2. 123芯片的检测分析 当所有连接完好时又回过头去检测前端的脉冲信号源，123端口的12端口依旧常亮其

15、他正常，又检查了一次线路的连接发现还是没问题，都说自己检查不出自己的错误，找同学检查发现也没问题，所有没办法把123芯片给换了，换了123芯片后发现指示灯闪烁正常出现了闪灭的状态，当时又气又高兴。调试后发现所有的信号脉冲的输出都没多大问题了。3. 信号源输入数码管没有变化的问题分析 当连接好后发现输入待测信号脉冲时发现信号输入不进来，输入信号是数码管不动声色，毫不变化。经过问老师，说是90芯片的2端是否都接到一起检查后发现有一个2端确实没有连接到，接好后测试发现有不规则数字跳动说明信号端有输入了。4.正常工作开关高电位时为0001的检测调试 正常显示时数码管应该为0001状态，当开关接入高电平

16、时实现计数功能，接入高电平后发现一直为0000，经过检查，从数码管-47芯片-273芯片-90芯片，检查到90芯片时Q3 Q2 Q1 Q0按照指示灯显示应该为0001但显示都为低电平，检查发现90芯片的电源没有连接，接通后正常显示0001，数码管正常显示1但数字会闪动由0-1一直跳动（该问题后面有分析解决），有的人我看到最低位不为一而是常为8，这时就需要检,47的芯片的7,1,2,6端口，因为当为0001时对应的6,2,1,7数码管显示1，显示8是1000对应的6,2,1,7也就是说6,7端口接反了导致1为8的状态，出现这类问题都需要检查线路连接是否错误。5.数字显示不稳定存在2次连续快速闪亮

17、分析与调试 当接到高电位是显示的0001的数字一直会从0000-0001-0000的往复变换，刚开始觉得可能是273芯片的锁存有问题，觉得数字不能得到存储只能计数一次，后来想下觉得也不可能，所以顺着信号的输入到123芯片的13端口，在测试下123芯片的信号指示灯，认真看了下发现13端口脉冲信号的闪烁是快速连闪2次的闪亮信号，所以就想是不是第2次的闪亮导致的清零，经过分析觉得应该用103电容滤除一次闪亮信号脉冲，在电源输入到123芯片的16端口处，离123芯片最近的地方加了个103电容到接地，因为离得近滤除的效果最好。当接了之后测试13端口发现2次的连续闪亮消除了，看下数码管的显示一直为0001

18、，经过调试分析问题得到了解决。6.与非门的清零端检查调试将手动清零端接低电平0时，观察LED数码管显示是否全部为零。当接到低电平0时，发现0001一直为0000说明清零端正常工作，如果接到低电位是，对数码管显示没有影响时，就要检查是否是与非门的连接错误，与非门的输入输出接反，确实不是连接问题可以检查与非门的好坏，将与非门的输入接入高低电位是看输出情况，00为1,01为1，10为1,11为0，经过检查就能判断与非门的好坏情况，有问题不用急需换芯片，因为S00芯片有4个与非门，试验中我们只用到了2个，有坏的可以用别的与非门。7.最后的频率调试问题当所有检测都完成是则输入待测信号脉冲，我们所测的为大

19、于4V的方波信号，当信号由与非门输入时开关端接高电位将信号源调制为1KHZ为标准进行调试分析，信号输入后数码管显示正常并且稳定，但数字显示与实际的值有较大的误差，这时就用以前说过的在555定时器的4-7端口加个可调电阻，改变阻值从而将图示信号调到准确无误，当输入为1KHZ时数码管显示为850HZ差距很大所以我在4-7端口串了一36K的电阻发现还偏小，在老师的观察分析下，说再加个5.6K的电阻就差不多了，当加了个电阻后发现果然误差非常小了只在个位数有误差，感觉老师真是经验丰富，根据误差的数字一看就知道加多少的电阻。三检查电路的方法及技巧1.从布局开始刚开始连接是就要先分部好，连线时我在201学习

20、过几天的焊接技术学到了基本的排线布线满足横平竖直，有些线是必须要跳线的，有的线就应该贴着板块，我连接时每块借口都弄的比较长这样使我在出现问题的可能降低，接触不良的问题很少出现，电阻电容的接法也是学到焊接技术的，我的电阻电容的引脚没有漏出来的或是出来的比较少，这样就避免了各个电阻电容与导线或自身接触到产生耦合效应，因为每个弯曲的导线都相当于电感，这样回影响电路的稳定性，从而导致一些不必要的错误，有的人做出来测量是数字一直跳动，我的测量时非常稳定没任何跳动，所以说接线布局很重要，直接影响产品的功能价值。 2. 如果发现哪个部分有问题，要检测时可以用一根导线从下至上顺着错误的信号传输，看指示灯的变化

21、，每个管脚都有自己正确的指示灯闪烁情况，只要了解正确的灯亮情况就可以找出问题原因所在，确定到底是哪里出现了问题。3.我在检测时发现数码管的5管角那小数点的等我有时将其作为信号检测灯用这样能更方便，不需要连一根很长的线到实验箱。4.实验出现问题的假设与分析，如果出现问题是首先检测脉冲端是否正常，所以芯片是否都接了电源接了地，观察出现的问题一路排查问题，猜想问题，可以询问他人或老师看是否假设正确，自己善于找到问题，找到问题原因，去解决问题。四数据的测量与误差信号输入HZ1510308010050010003000500070009000数码管显示HZ151031811024981033007501

22、470299032实验过程的误差不可避免，原因可能有：1. 由电阻控制的555脉冲信号没有准确的调节，当误差很小以后调节起来就比较困难了。2. 所连接的线路之间产生了干扰现象，产生误差。3. 实验所用的电阻值不准确，电容值偏大或偏小。4. 连线的接口没有接好，导致接触不良，信号产生波动。5. 芯片自身会有延时触发对信号也会产生影响。五注意事项 1. 在接数码管是一定要加电阻以免烧坏，接之前检测好坏并判断为共阴共阳，不然很容易烧坏。 2. 连接芯片时一定要找对哪是电源端哪是地，以免接错导致芯片烧坏。 3.电容是有正负极的，103的没有，白色端为负以免接反。六心得体会 通过本次试验，感觉到了电子的

23、奇妙之处，用一些芯片正确连接就实现了许多的功能，也感觉到数字电路的重要性，试验看上去比较复杂，但是分开模块耐心连接其实也很好做的。实验之前我就熟细了各个芯片的管脚功能图，这样连接的时候就更方便了，电路设计美观是很重要的，我设计是很少跳线，线都以横平竖直去连，都尽量贴着板，线的颜色也就用了黑白2色，这样看起来美观，查找错误起来更方便，实验会失败是很正常的。 我觉得实验结果并不重要，任何实验都讲究着一个过程，老师让我们做实验的初衷也是这样，当拿到题目时考验你如何分析下手去做，如何解决问题的能力，当解决不了的问题是我们就可以问，去交流，老师给了我们许多的帮助。很负责的帮我们，老师只是说出问题的原因可

24、能所在，但不动手依旧是让你自己去检查，这样其实是更好的锻炼了我们解决问题的能力，不要有问题就问，要学会自己去找问题所发生的原因，实验时靠自己是很难完成的，实验过程中要交流找帮手，实验时我和肖同学一起做边做边交流。结果是我们2同时完成制作还是算比较快完成的。 做完后老师叫我留下来帮同学，其实老师不说我也不会走，因为在实验中我还能继续学习，还能帮助别人，在实验遇到的问题与错误和怎么解决的我都写进了报告，尽管有些错误不是我制作的模块发生的，但我依旧记下来写进了我的报告，这样会使我更加熟细该实验，本次实验更好的锻炼了我解决问题分析问题以及增强了我的动手能力。 再此，还得感谢老师给了我这次动手实践的课题，使我明白了很多，让我觉得自己学到的知识是这么的有用，还了解了在实际的应用中许多应该注意的但没有注意到的问题，这对以后的应用实践有很大的帮助。还得感谢在这次的课程设计中帮助我的同学，是他们给了我很多启发，然后我才能顺利的完成实验课题。七 所需器材元器件清单元件名称数量（个）555芯片174LS123174LS90474LS273274LS474LED数码管474LS00150K变阻器，36K,68K,10K1电容10，0.01，4.71导线蛮多滴 节省器材爱护元件桌面保持干净 八 实验总体原理大图：