毕业设计（论文）开题报告

 

第二篇：数字频率计毕业设计

数 字 频 率 计 的 设 计

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。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。本设计中使用的是直接测频法，即用计数器在计算1S内输入信号周期的个数。它是由模块电路组成的，包括各种集成块、逻辑器件、简单的电子器件为基础的简易数字频率计。实现了频率和周期的测量，同时，本设计还使用了扩展电路 扩大了测量范围，使用计算机辅助设计（EDA）工具，提高了设计的效率。电源电路对本设计起着至关重要的作用，所以，在本设计中还对直流稳压电源设计、保护和抗干扰技术作了介绍，同时，对本设计中所用的集成电路，以及简易数字频率计调试中作了简单说明

关键词：频率计,集成电路,译码,单稳触发器,稳压电源

Abstract Digital frequency meter is a digital display with the decimal number of the measured signal frequency measuring instruments. Its basic function is to measure sinusoidal signal, square wave signals, triangular-wave signal, and various other changes in physical quantities per unit time. Used in this design is a direct frequency measurement method, that is used in the calculation of the counter 1S the number of cycles within the input signal. It is formed by the module circuit, including a variety of Manifold, logic devices, a simple electronic devices based on a simple digital frequency meter. Achieved a frequency and period measurement, at the same time, this design also uses the expansion of the circuit expanded measurement range, the use of computer-aided design (EDA) tools, improve the design efficiency. Power supply circuit plays a vital role in this design, so also in the design of DC power supply design, protection and anti-jamming technology, introduced at the same time, this design used in integrated circuits, as well as simple digital frequency meter Brief statements were made debugging

Key Words： requency meter, integrated circuits, decoding, monostable flip-flop, regulated power supply

目 录

1引言................................................................................................................................1

2 数字频率计设计的主体内容........................................................................................1

2.1数字频率计的基本原理......................................................................................1

2.2数字频率计设计的系统框图...............................................................................1

2.2.1电源与整流稳压电路................................................................................2

2.2.2全波整流与波形整形电路........................................................................2

2.2.3分频器.......................................................................................................3

2.2.4信号放大、波形整形电路........................................................................3

2.2.5控制门.......................................................................................................3

2.2.6计数器.......................................................................................................3

2.2.7锁存器.......................................................................................................3

2.2.8显示译码器与数码管................................................................................4

3 数字频率计设计原理图................................................................................................4

3.1单元电路各模块功能..........................................................................................4

3.2电路的检测方法与步骤......................................................................................5

4 总结...............................................................................................................................6

参考文献...........................................................................................................................1

1引言

在电子测量技术中，频率是一个最基本的参量，对适应晶体振荡器、各种信号发生器、倍频和分频电路的输出信号的频率测量，广播、电视、电讯、微电子技术等现代科学领域。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器[1]。数字式频率计的测量原理有两类：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；二是间接测频法即测周期法，如周期测频法。数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。通过严格的测试后，能够较准确地测量方波、正弦波、三角波、矩齿波等各种常用的信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量 2 数字频率计设计的主体内容

2.1数字频率计的基本原理

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率[2]。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。

2.2数字频率计设计的系统框图

根据设计要求，得到如图2-1所示的电路框图：

图2-1 数字频率计框图

下面介绍框图中各部分的功能及实现方法 2.2.1电源与整流稳压电路

框图中的电源采用 50Hz 的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。

2.2.2全波整流与波形整形电路

本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过 0.5Hz ，即在 1 ％的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对 50Hz 交流市电进行全波整流，得到如图1所示[3]

图2-2 全波整流与波形整形电路的输出波形

波形整形电路对 100Hz 信号进行整形，使之成为如图2所示 100Hz 的矩形波。 波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。

2.2.3分频器

分频器的作用是为了获得 1S 的标准时间。电路首先对图1所示的 100Hz 信号进行 100 分频得到如图2（ a ）所示周期为 1S 的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图 8.5 （ b ）所示占空比为 50 ％脉冲宽度为 1S 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在 1S 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。

2.2.4信号放大、波形整形电路

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，

图2-3 分频器的输出波形

使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。

2.2.5控制门

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数[4]。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。

2.2.6计数器

计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为 9999Hz ，应采用 4 位十进制计数器。可以选用现成的 10 进制集成计数器。

2.2.7锁存器

在确定的时间（ 1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的 8 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最

好采用边沿触发方式的器件。

2.2.8显示译码器与数码管

显示译码器的作用是把用 BCD码表示的10进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。

选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。

3 数字频率计设计原理图

图3-1 数字频率计设计原理图

3.1单元电路各模块功能

电路中采用双 JK 触发器 74HC109 中的一个触发器组成触发器[5]，它将分频输出脉冲整形为脉宽为 1S 、周期为 2S 的方波。从触发器 Q 端输出的信号加至控制门，确保计数器只在 1S 的时间内计数。从触发器Q 端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。

被测信号通过 741 组成的运算放大器放大 20 倍后送施密特触发器整形，得到能被计数器有效识别的矩形波输出，通过由 74HC11 组成的控制门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。

频率计数器由两块双十进制计数器 74HC4511 组成，最大计数值为 9999Hz 。由于计数器受控制门控制，每次计数只在 JK 触发器 Q 端为高电平时进行。当 JK 触发器 Q 端跳变至低电平时， 端的由低电平向高电平跳变，此时， 8D 锁存器 74HC374 （上升沿有效）将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由于 74HC4518 为异步高电平清零，所以将 JK 触发器的 同 100Hz 脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间（ 10mS ）以后再进行。

显示译码器采用与共阴数码管匹配的 CMOS 电路 74HC4511[7] ,4 个数码管采用共阴方式，以显示 4 位频率数字，满足测量最高频率为 9999Hz 的要求。 [6]

3.2电路的检测方法与步骤

(1) 电源测试

将与变压器连接的电源插头插入220V电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为＋5V。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。

(2) 输入检测信号

从被测信号输入端输入幅值在 1V 左右频率为 1KHz 左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测[8]。

(3)输入放大与整形电路检测

用示波器观测整形电路 U1A(74HC14) 的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为 5V 左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。

(4) 控制门检测

检测控制门 U3C(74HC11) 输出信号波形[9]，正常时，每间隔 1S 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常 , 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。 (5) 计数器电路的检测

依次检测 4 个计数器 74HC4518 时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差 10 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。

(6) 锁存电路的检测[10]

依次检测 74HC374 锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第 11 脚的电平每隔 1S 钟跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。

(7) 显示译码电路与数码管显示电路的检测

检测显示译码器 74HC4511 各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。

4 总结

在数字频率计的设计当中，基本完成了设计任务书中的基本要求。本课题用PROTEUS进行虚拟频率计的软件设计，数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，联机比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。而且还存在着许多不足之处。为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，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、尖脉冲信号和其它具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。通过本课题的设计使我们对数字频率计有更深一步的了解。

参考文献：

[1]刘南平 数字频率计设计方案 现代电子设计与制作技术[M]. 20xx年第2版

[2]毕满清 电子技术实验与课程设计［M］.北京：机械工业出版社，2005

[3]张洪润．电子线路与电子技术[M]．清华大学出版社．20xx年

[4]郝波．数字电路[M]．电子工业出版社．20xx年

[5] 徐成, 刘彦, 李仁发, 等. 一种全同步数字频率测量方法的研究[J]. 电子技术应用

[6] 魏西峰. 全同步数字频率测量方法的研究[J]. 现代电子技术, 2005,

[7] 谢自美．电子线路设计?实验?测试[M]．华中科技大学出版社．20xx年

[8] 任中民．数字电子技术[M]．清华大学出版社．20xx年

[9] Mo Lin. Design and realization of frequency meter with equal precision measurement on FPGA[J]. Modern Electronic Technique, 2004,

[10] Xie Xiaodong, Li Liangchao. Design of frequency meter with equal precision measurement based on FPGA[J]. Experiment Science & Technology, 2005,

致 谢

三年的大学生活即将结束，感慨万千！在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。本文能够成功的完成，要特别感谢我们的指导老师张老师的关怀和教导，替我们解决许多设计中的问题和困难。从理论到实践，我们从中学到很多知识，提高了我们的时间操作能力，仍我们对数字频率计有更深的认识和了解。