海南省大学生电子设计竞赛设计报告

海南省大学生电子设计竞赛设计报告

题 目： 数字频率计 学 校： 琼州学院 参赛队员： 董晋玮 程宇 葛帅强 指导老师：

2012年11月

目 录

摘要 关键词 设计要求

第一章：数字频率计测频的基本原理 第二章：基本单元电路设计

2.1放大整形电路设计与仿真 2.2时基电路 2.3闸门电路

2.4逻辑控制电路设计 2.5锁存及译码电路设计 2.6整体电路图及仿真 2.7整机元件清单 第三章：系统组装、调试及结果 第四章：课程设计总结

致谢 参考文献

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数字频率计

（琼州学院 电子信息工程学院，海南三亚 572022）

摘要：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测量仪器，其功能是测量正弦信号，方波信号，尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量，因此已经成为电路设计的常用原器件之一，有它不可取代的地位。在电子技术中，频率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,其中数字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。其原理为通过测量一定闸门时间内信号的脉冲个数。本文阐述了设计了一个简单的数字频率计的过程。

关键词：数字频率计

设计要求

设计任务及要求：

设计一简易数字式频率计，其设计要求及技术指标是：

1．基本要求：

（1）被测信号为矩形脉冲信号，0~4V； （2）显示的频率范围为0000~9999Hz； （3）测量精度为1Hz；

（4）用LED数码管显示频率数值。 2．扩展部分：

（1）输入信号为正弦信号、三角波，幅值为10mV； （2）显示的频率范围为0~10MHz； （3）自动量程切换；

（4）如何提高测量的精度。

频率是指单位时间内信号振动的次数。从测量的角度看，即在标准时间内，测得的被测信号的脉冲数。其测量的频率的方框图如下图所示。被测信号送入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这些脉冲加到主门的Ａ输入端，门控双稳输出的门控信号，加到主门的Ｂ输入端。在主门开启时间内，脉冲信号通过主门，进入计数器，则计数器记得的数，就是要测的频率值。如果主门的开启时间为Ｔ秒，计数器累积的数字为Ｎ，则被测的频率为fxABN。 T主门十进制计数器数字显示门控信号频率清零门控信号分频器 3

元器件清单： NE555×1片 74LS123×2片 74LS90×4片 74LS273×2片 74LS48×4片

BS202×4个（共阴LED数码管） 74LS00×2片

三极管9014×1只 二极管1N4007×1只

电阻：10kΩ×3，47kΩ×2，39kΩ×2，1kΩ×1，3.3kΩ×1，680Ω×28 电位器：50kΩ×1，100kΩ×1 瓷介电容：0.01μF×1

电解电容：47μF×1，4.7μF×2，100μF×1，10μF×1 按钮开关×1

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第一章 数字频率计测评的基本原理

频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。它可以测量正弦波、方波、三角波的频率。利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。频率是指单位时间(1s)内信号振动的次数。从测量的角度看，即单位时间测得的被测信号的脉冲数。被测信号送入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这些脉冲加到主门的A输入端，门控双稳输出的门控信号加到主门的B输入端。在主门开启时间内，脉冲信号通过主门，进入计数器，则计数器记得的数，就是要测的频率值。

如果主门的开启时间为Ts，计数器累积的数字为N，则被测的频率为

设计框图如下：

n位显示7显示译码n4锁存nfxNTsNTs频率测量原理

十位显示7显示译码24锁存2个位显示7显示译码14FD锁存锁存14计数n4计数24计数1E清零被测信号方波正弦波VX衰减VO放大、整形AS1T分频频率计总体框图

闸门BC晶体振荡器单稳1单稳2

第二章：基本单元电路设计

2.1放大整形电路设计与仿真

放大整形电路

本部分电路由三极管放大电路和门电路组成。作用是将正弦波或三角波输入信号整形成同频率

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方波，测试信号通过通过三极管放大电路进行放大，使微弱信号到达可测量的幅度。经过放大整形后的方波送到闸门以便计数。

放大整形电路

整形放大电路的设计仿真

用于非矩形波信号频率的测量。通过频率放大电路后，非矩形波可转化为矩形波，且其频率保持不变，即达到了测量任意波形信号频率的测量的扩展目的。 仿真原理图：

整形放大电路的仿真

2.2时基电路 时基电路

本部分电路由555芯片组成，作用是提供用于测量单位时间(1s)，即闸门信号的开启时间。同时产生的方波信号下降沿激发锁存器的锁存信号，再由该信号激发计数器的计数信号。

时基电路

时基电路的仿真

采用555多谢振荡电路，输出方波周期为：T=0.7×（RP+R1+2R2）C;

可调电阻RP=0—100KΩ，输出方波的周期T=0.75s—1.575s，占空比D==68.8%—82.67%

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仿真原理图：

555多谐震荡电路的仿真

仿真结果：

555多谐震荡电路的仿真波形

2.3闸门电路

本部分电路由与门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输入端的一端，接门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。闸门是否开通，受门控信号的控制，当门控信号为高电平“1”时，闸门开启；而门控信号为低电平“0”时，闸门关闭。显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。可见，门控信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。

采用2/5分频十进制加法计数器74LS90，四片级联可扩展测量范围到1——9999Hz，R91、R92

端置零，R01、R02单稳态触发器输出的控制段相接，起到给计数器清零、为下一周期的计数做准备的作用。

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逻辑控制及闸门电路

2.4逻辑控制电路设计 逻辑控制电路

本部分电路由单稳芯片和门电路组成。作用是提供计数器的计数信号和锁存器的锁存信号。各部分信号逻辑关系如图所示。其中：A为被测信号； B为时基信号，秒脉冲；C为锁存器送数信号；D为计数器清零信号；E为计数器计数脉冲信号。

各部分波形逻辑关系

逻辑控制电路的仿真

采用74LS123集成芯片，其功能表如下：

逻辑控制电路的仿真

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采用1Q~ 与2A相连，比1Q与2A相连精度更高，因为1Q将产生20ms宽的脉冲信号，控制清零的信号产生一定的延迟，在测量频率相对较高的信号时建会产生一定的误差。 仿真原理图：

逻辑控制电路的仿真

锁存信号与时基信号逻辑关系图

计数信号与时基信号逻辑关系图

2.5锁存及译码电路设计

本部分电路由锁存器和译码器组成。其中计数器按十进制计数。如果在系统中不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以，在计数器后边必须接入锁存器。锁存器的工作是受单稳态触发器控制的到。门控波形的下降沿，使单稳态触发器1进入暂态，单稳态1暂态的上升沿作为锁存器的锁存(使能)脉冲。锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期内的计数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用。在锁存器将门控信号周期内的计数结果存储起来情况下，把所存储的状态送入译码器进行译码，在显示器上得到稳定的计数显示。

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计数锁存及显示译码电路

计数锁存及显示译码电路仿真

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2.6整体电路图及仿真整体电路图

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整体电路图

整体电路仿真图：

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0CKCKCKCKU25U24U19U7ABCDEFGABCDEFGABCDEFGABCDEFG575859234564656760616263727374686970717980817576777813121110915141312111091514131211109151438391312111091514OAOBOCODOEOFOGU15OAOBOCODOEOFOGFOAOBOCODOEOFOGU17OAOBOCODOEOOGU18BO74LS48DU1674LS48DOOBOTBII/R74LS48D74LS48D/RB/RBIABCD~L~R~BTI/RABCD~LT~RBI~BIABCD~LT~RBI~BIABCD~L~RB~B71263547126354712635407126354495048363247404142433733343545854412349101112123491011121Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8QU21Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8QU974LS273DW_VHDL74LS273DW_VHDLDDLR2D3D45D6D7D8D~CCLK1LRK1D2D3D4D5D6D7D8D~CCL2322212017161514241323222120171615142413822427111225262930311013672819129811129811129811129811QAQBQCQDQAQBQCQDU11QAQBQCQDU12U13QAQBQCQD74LS90NU1474LS90N74LS90N2174LS90N12INAINBR01R0R9R92ANB2INAINBR01R02R9R9INAINBR01R02R91R92INIR01R02R91R91412367141236714123671412367051V1C6A1535 V 8646R139104.7uF52U1R810kΩ555_TIMER_RATEDR6871616U21AU8A0 V 1 V 6610kΩU20AC710kΩ89R1R315VCCVCC1RTCTVCC141RTCT901547kΩ100kΩ50%1CT1Q13141CT1Q137400NKey=ARSTOUT14.7uF15421A421A88DIS31B~1Q1CLR31B~1Q41CLRTHRGNDGNDR255839kΩTRI0SN74123D80SN74123DU22BCONV3C256GND835 V 7400NC10.01uF 84U23C10uF 2308R4R722V207400N10kΩR1047kΩ17kΩ5 V Key=A50%16U4A19U5BC320Q221D27400N7400N47uF 1N5719R92N221914U6C1839kΩR111710Ω7400N15C4R121kΩ100uF 0

2.7整机元件清单

元件清单

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名称 555 74LS123 74LS00 74LS90 74LS273 74LS48 共阴极数码管 滑动变阻器 滑动变阻器 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容 电容 电容 电容 三极管 二极管 开关 导线 万能电路板 参数 100K错误！未找到引用源。 47K错误！未找到引用源。 47K错误！未找到引用源。 39K错误！未找到引用源。 10K错误！未找到引用源。 3.9K错误！未找到引用源。 10错误！未找到引用源。 1K错误！未找到引用源。 10uF 0.01uF 4.7uF 47uF 100uF 3DG100 1N4002 个数 1 2 2 4 2 4 4 1 1 2 2 3 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 若干 若干 1 备注 集成单稳 计数器 锁存器 译码器 集成块配套管座 第三章：系统组装、调试及结果

接下来是根据电路图在万能电路板上将各个元器件用导线连接好。在系统的组装前，我们对整体电路在电路板上排好了版。连接完成后，我们将5V的电源接入电路，对简易数字频率计进行调试。调试完成后，一个简易数字频率计的设计就完成啦！

数字方案比较

本设计由三部分:被测信号、测量电路、显示电路、档位转换，可以基本完成正弦波、三角波、矩形波的测量，还可通过4位LED数码或者液晶显示。

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方案一： 方案二： 方案三： 1.设计与论证 2.1 设计内容

本设计完成了整套机械部分的设计与组装，不仅强化了自己的动手能力，还使自己的专业知识得以应用，进一步顽固所学知识。 2.2 分析与论证

研究方法：

1. 根据自己掌握的基础知识对题目进行分析； 2. 对当代实际情况进行调查研究，对结果进行分析；

3. 通过图书馆，网络，文献等相关资料了解表决器在国内外的发展情况； 4. 设计分析，跟指导老师进行讨论；

5. 结合自己所学的知识进行设计，通过实验室提供的实验器件进行硬件电路的设计与焊接；

6.验证分析，写出自己的设计方案。 实验方案：

可行性分析：

被测信号 显示电路 显示电路 档位转换 本设计所使用的技术都已成熟，多路舵机控制技术在机器人方向已有广泛使用，有一定的资料可以借鉴，可以加快开发速度。OPENCV是来自谷歌开源项目，有完善的API接口函数和众多优秀的算法库，能用于开发人员快速进行数字图像开发，因此本设计有着一定的技术支持，可实现。

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