赣南师院物理与电子信息学院

数字电路课程设计报告书

              姓名：           

              班级：            

              学号：             

              时间：             

             数字频率计的设计

一．   设计任务和要求

1、能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频率；

2、数字显示位数：2位数字显示；

3、频率测量范围：1HZ—99HZ；

4、输入信号幅度范围为0.5—5V，要求仪器自动适应 ；

5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电。

二．   设计方案与论证

数字频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种物理量的变化频率进行测量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以有关传感器先转变成周期变化的信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出来。

频率测量中直接测量的数字频率计主要由四个部分构成：时基电路、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、微分操作之后形成方波信号，加到与非门的另一个输入端上，该与非门起到主阀门的作用，在与非门第二个输入端上加上阀门控制信号，控制信号，控制信号为低电平阀关闭，无信号输入计数器；控制信号为高电平时，阀门开启整形后的信号进入计数器，若阀门控制信号取1s，则在阀门时间1s内计数器得到的脉冲数N就是被测信号的频率。将其译码显示，即可知信号的频率。数字频率计系统原理方框图如图2-1所示。

              图2-1 数字频率计原理方框图

    逻辑控制电路的一个重要的作用是在每次采样后还要封锁主控门和时基信号输入，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据。简而言之，控制电路的任务就是打开主控门计数，关上主控门显示，然后清零，这个过程不断重复进行。控制电路如图2-2所示：

                                图2-2逻辑控制电路    

三、论述方案的各部分工作原理

1、时基电路的设计

为了获得较为稳定的时间基准信号，以便准确的控制主控门的开启时间，其电路见图3-1所示：

图3-1时基电路

   

本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器如图3-1所示。

此电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成。由于低电平T1= R1 Cln2高电平T2=（R1+R2）Cln2，高电平T2=（R1+R2）Cln2可以通过改变R1与R2来改变T1，T2的值，为了使电路发出一个合适的震荡信号，可以令C=100uf， R1=1KΩ，R2可以用一个5.1 KΩ的电阻和一个10K的可变电阻来代替。

2、放大整形电路的设计

    为保证测量精度，在整形电路的输入端加一前置放大器。对幅值较低的被测信号经放大后再送入整形器整形。如图3-2为放大整形电路原理图。　　

    这个电路由三极管和几个74LS00与非门组成，其作用是为了把被测信号放大，放大倍数约为5倍，然后整形与其同频率的方波。

 图3-2 放大整形电路

3、译码显示电路

    译码显示电路由计数器电路、锁存器电路、译码显示组成。 计数器电路由一片CD4017芯片组成，计数器工作时每个高电平维持一个时钟周期，每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲来计数。  锁存器电路由CD40110组成，40110 为十进制可逆计数器/锁存器/译码器/驱动器，具有加减计数，计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。作用是将计数器在结束时所得的数进行锁存，使显示器上能稳定显示此时计数器的值。译码显示电路通过CD40110和七段数码管来显示。如下图3-3所示：

 

图3-3  译码显示电路

四、总原理图及元器件清单   

1、总原理图

数字频率计是由时基电路、放大整形电路、计数器电路、锁存器电路以及译码显

示组成。其总电路图如图4-1所示：

                              图4-1总原理图

2、元器件清单见下表1：

                   表1数字频率计元器件清单

                                                                                                      

五、测试方法与数据

1、时基电路的测试

该电路测试的电路图如下图5-1所示，震荡电路输出周期为1.279秒，高电平脉冲为0.68毫秒的方波。

                   图5-1时基电路测试电路

2.放大整形电路的测试

    放大整形电路的测试电路如图5-2（a)所示，把被测信号放大然后整形为与其同频率的方波。电路输入正弦波频率为10HZ，振幅为1V,仿真结果如图5-2（b)所示。

图5-2（a)放大整形电路测试电路

图5-2（b)仿真结果图

3、译码显示部分的测试

频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。 在CD4017输入端加入脉冲信号，观察数码管能否显示数字，判断译码，显示部分是否能工作正常。

4、频率的测试

测量时间是频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。 先在放大整形电路输出端加一大信号矩形波脉冲，调节频率，观察数码管能否显示相应的数值，若与实际成一定比例关系则说明时基电路的t1，t2没有调到相应的大小，应小幅度调节电位器RP使得显示正确。 若上述测试正常，说明整形放大电路以上的部分能够正常工作，最后再加一小信号在放大电路的输入端，观察数码管能否显示相应结果，从而判断整个数字频率计电路的工作情况。

六、调试与结果分析

根据设计好的原理图焊接电路板，按要求正确连接好电路。将焊好的电路板与实验箱上的直流电源正确连接，输入一个幅度为1V，频率为15Hz的正弦波信号，在数码显示管上可以显示出对应的数值。数值保持一段时间，然后清零。以备下一次显示。这种用数字显示频率的电路反应迅速，显示直观。改变频率数码显示管上所显示的数字就会随之变动。

结论：根据实验现象说明该电路能够测量正弦波、三角波、锯齿波、矩形波等周期性信号的频率并能够通过数码显示管直观地显示出对应数值，即该数字频率计能够正常工作，所以实验设计方案是正确合理的。

     这个数字频率计显示的数字范围比较局限。可以扩大电路，使显示的数值范围更大，更精确。

七、设计体会

    刚拿到题目时，很茫然不知道从哪里下手，后来通过广泛查阅相关资料，还有自己的书本，总算找到了方向。知道了数字频率计和我们书本上的计数器有一些相关，是由时基电路，控制电路，放大整形电路，译码显示电路构成。我对于数字频率计的组成与功用有了了解与掌握，并且对于数字频率计的个部分电路有了各设计的方案进行了论证与设计。在设计频率计的电路过程中对于逻辑控制电路有了更深一步的认识，了解并掌握了芯片NE555、CD4011的功能与连接，并且对于译码显示器、计数器与锁存器的工作有了认识与了解。对于被测信号的处理也比从前的理论掌握的更加准确；在设计中，我发现了自己许多的不足，在设计中遇到了一些困难，设计的电路经过测试并不能达到要求的功能，导致设计失败，我对照设计好的电路图进行修改，发现时基电路部分不小心焊接错了，进行改正后，终于做出了符合要求的频率计数器。但是设计仍存在一些不足，如数值保持的时间过短，读取数值不太方便，可将CD4017的Q3输出端与Cr断开，使Q4与Cr清零端相连，这样数据保持时间就变为2秒。还有就是测量数据不够精确，可添加小数点显示电路。

 这是我第一次运用数字电路的知识，所以对一些元器件的运用并不熟练。不过我在这次课程设计中学会了仿真软件的一些基本用法，巩固了我们学习的知识。通过这次设计，我们进一步加深了对数字电路知识的认识和理解。掌握了数字频率计的设计、组装与调试方法。更加熟练的运用软件进行调试、改进电路。培养了独立思考、分析问题、解决问题的能力，并培养了自己动手能力。

总之，在这个课程设计当中，我学会了要自己查阅资料得到自己想要的信息，还有课本上不能得到的动手能力。这对我们以后的学习都是有很大帮助的。

八、参考文献

1．谢自美.电子线路设计.实验.测试.[M]武汉：华中理工大学出版社，2000

2．阎石.数字电子技术基础.[M]北京;高等教育出版社；2006

3．付家才.电子实验与实践.【M】北京；高等教育出版社，2004

4．陈晓文主编.电子线路课程设计【M】电子工业出版社,2004

 5. 王港元主编.电工电子实践指导【M】（第三版）江西科学技术出版社,2009

   6. 彭容修.数字电子技术基础【M】，华中理工大学出版社，武汉，2000

   7. 李哲英.电子技术及其应用基础（数字部分）【M】高等教育出版社.北京，         2003

   

   物理与电子信息学院数字电路课程设计成绩评定表

专业：电子信息工程班级：1102本 学号：  姓名：  

 

第二篇：简易数字频率计的设计

简易数字频率计的设计

摘 要

在进行模拟、数字系统设计、安装、调试过程中，经常要用到数字频率计。数字频率计是用于测量信号频率的电路，它实际上就是一个脉冲计数器，即在单位时间里统计的脉冲个数。频率计系统一般由输入整形电路、晶体振荡器、分频器、量程选择开关、控制电路、计数器、显示器等部分组成。

关键字：整形电路，分频电路，闸门电路，数码管显示

1 绪论

1.1 课题描述

数字频率计是用于测量信号（方波、正弦波或其他脉冲信号）的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量迅速，读书方便等优点。

1.2 设计任务与要求

（1）频率测量范围：10～9999Hz；

（2）输入电压幅度＞300mV；

（3）输入信号波形：任意周期信号；

（4）显示位数：4 位；

（5）电源： 220V 、 50Hz；

1.3 基本工作原理及框图

数字频率计电路框图如图1所示。

图1 频率计电路框图

由于计数信号须为方波信号，所以要对输入待测信号进行放大整形变成陡峭的举行脉冲，可用施密特触发器进行整形，再送至主控门。晶振产生较高的标准频率，经分频器后变成各种时基脉冲（10us,0.1ms,1ms,10ms,0.1s,1s），时基脉冲的选择由开关S选择。时基信号经控制电路产生闸门信号T（时基信号的一个周期）至主控门，被测信号经放大整形后变成脉冲信号在闸门时间T内通过主控门进行计数。若时基信号的周期为T，进入计数器的输入脉冲数为N，则被测信号的频率为f=N/T。

2 相关单元电路设计

2.1 晶振及分频电路的设计

晶振及分频电路设计如图2所示。

晶振产生较高的标准频率，经过分频器之后变成各种时基脉冲。

一个频率范围为1Hz～9999Hz的数字频率计晶振及分频电路如图3所示。该系统采用1Mhz的晶振，由74LS290（D1～D6）构成10分频、100分频、1000分频、10000分频、100000分频、1000000分频电路。产生6种时基信号（10us、0.1ms、1ms、10ms、0.1s、1s）。然后将输出的时基脉冲送入下一级进行选择。

图2 晶振及分频电路

2.2 时基信号选择电路的设计

时基信号选择电路如图3所示。

时基信号选择电路是由八选一数据选择器74LS151实现选择。当S2S1S0=000时，选择1s；S2S1S0=001时，选择0.1s，S2S1S0=010时，选择10ms；......；S2S1S0=101时，选择10us。

图3 时基信号选择电路

2.3 整形及控制电路的设计

锁存器单元电路如图4所示。

图4 整形及控制电路

整形电路主要由带有施密特触发器的反相器74LS74组成。将被测信号进行施密特整形后送入控制电路。

控制电路主要由双D触发器74LS74（D16）及与门74LS08（D17：A、D17：B）组成。选择的时基信号经D触发器产生闸门信号T。若通过开关S2S1S0选择一个时基信号，当给与门输入一个时基信号的上升沿时，则74LS74的Q端由低电平变成高电平，将主控门打开，允许被测信号通过主控门并进入计数器进行计数。相隔一个时基周期后，又给74LS74一个上升沿，其Q端由高电平变成低电平（同时=1=D），将主控门关闭，同时与门D17：B的输入端变成高电平，使计数器的清零端有效，计数器停止工作。当再相隔一个时基周期后，又将重复上述过程。

2.4 计数及锁存电路的设计

计数及锁存电路如图5所示

计数器选用4片二—五—十进制计数器74LS290（D7～D10）构成10000进制计数器。技术后的数据锁存由74LS374完成，锁在后的数据经显示译码驱动器CD4511完成数码管驱动和共阴数码管显示。

图5 计数及锁存电路

2.5 译码及显示电路的设计

译码及显示电路设计如图6所示。

译码电路由4片CD4511进行数码管驱动。显示电路由4个共阴数码管进行显示。

图6 译码及显示电路

2.6 电路元件清单

数字频率计元件清单如表1所示。

表1 元件清单

3 整体电路设计

整体电路设计如图7所示。

被测信号经过整形，与晶振分频得到的时基选择电路共同控制计数器，作为计数器的输入脉冲，然后经过74LS374的锁存，最后送入显示译码驱动器完成数码管驱动和共阴数码管显示。显示的数据到下一次计数完成后刷新。晶振采用1MHz的晶振，便于作为时基信号时的计算。显示器件由四个共阴数码管构成。

图7 整体电路设计

总 结

经过近两周的奋战，我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前，觉得课程设计只是对数电模电这两门课所学知识的单纯总结。但是通过这次做课程设计发现自动看法有点太片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己的能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。以前觉得很简单的东西，自己觉得都会都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的生活工作中，都应不断的学习，不断的动手做，不只是单纯的看懂学会。

参考文献

[1] 乐丽琴.数字电子技术[M].北京：电子工业出版社，2014.3.

[2] 蒋华勤.电子技术基础实验[M].北京：中国计量出版社，2009.

[3] 李国丽，朱维勇.电子技术实验指导书[M].合肥：中国科技大学出版社.2000.

[4] 贺素霞.模拟电子技术[M].北京：电子工业出版社，2014.

[5] 张国雄.测控电路(第4版).北京：机械工业出版社，2014.

[6] 闫石.数字电子技术基础[M].西安：高等教育出版社，2006.

[7] 蒋黎红.模电数电基础实验及multisim7仿真[M],浙江：浙江大学出版社，2007.

[8] 何国栋.Multisim基础与应用[M].中国水利水电出版社，2010.