课程设计基本要求

课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。

1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。

2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。

3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。

4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。

5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。

6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出2～3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。

7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。

8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。

课程设计任务书

学生姓名：## 专业班级： 机电112

指导教师：##

题目： 简易数字频率计设计

初始条件：

可利用单片机实验开发板进行设计，也可用通用数字逻辑芯片完成设计。

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、频率测量

　 a．测量信号：方波、正弦波，三角波；幅度：1V～5V；

频率：10Hz～ 1MHz　

b．测量误差≤0.1%

2、周期测量

　 a．测量信号：方波、正弦波，三角波；幅度：1V～5V；

频率：1Hz～1MHz

　 b．测量误差≤0.1%

3、具有自校功能；

4、数字显示测量结果。

时间安排：

6月25日：下达课程设计任务书；

6月26日：查阅资料；

6月27日-6月29日：硬件电路设计；

7月2日-7月3日：软件设计，总体调试；

7月4日-7月5日：撰写课程设计报告书；

7月6日：答辩。

一、课程设计项目名称

简易数字频率计设计

二、项目设计目的及技术要求

1、频率测量

　 a．测量信号：方波、正弦波，三角波；幅度：1V～5V；

频率：10Hz～ 1MHz　

b．测量误差≤0.1%

2、周期测量

　 a．测量信号：方波、正弦波，三角波；幅度：1V～5V；

频率：1Hz～1MHz

　 b．测量误差≤0.1%

3、具有自校功能；

4、数字显示测量结果。

三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图 )

1.可行性方案

方案一：对输入信号做分频整形处理后，再与一秒脉宽的信号共同输入与门，其输出作为计数脉冲，有计数器计数，然后锁存、译码输出到数码管显示。此方案虽然硬件电路简单，但工作速度低、精度差，难以达到设计要求，所以此方案不太理想。

方案二：采用频率/电压转换方式进行测量，将被测信号经A/D转换后进行数据处理，但该方案硬件电路复杂，灵敏度差，测量范围小，系统量化误差大。在其设计要求和性能价格方面也不太理想。

方案三：基于单片机控制实现的简易频率计电路设计系统，本控制系统以8051单片机为核心，采用部分外围电路，通过8051单片机控制脉冲的个数来测量频率。通过数码管将频率显示出来，利用单片机的定时，计数功能。先定时，当定时时间一到，立即中断定时器与计数器，再通过数据处理显示到数码管上。本设计的目的就是充分利用AT89C51单片机的资源，在尽量节省成本的基础上设计出一个既简单容易又有实际功能的频率测量器，实现对频率的测量。

综上所述，最佳方案为方案三。

2.硬件设计

2.1整体功能要求

频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。

2.2系统结构要求

数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目------频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。

图1.数字频率计整体方案结构方框图

2.3系统硬件的构成

本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。可分为以下几个模块：放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LED显示模块。各模块关系图如图2所示：

图2.数字频率计功能模块

3.频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图3所示的算法。图4是根据算法构建的方框图。

图3.频率测量算法示意图

图4.频率测量算法对应的方框图

在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10 ?³量级，则要求闸门信号的精度为10 ??量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10 ??，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合5*10 ?³的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10 ?³范围内。但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信号为0.5Hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍未1s显然是不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s，则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.

3.1整体方框图及原理

图5.测量频率的原理框图

图6.测量周期的原理框图

（1） 输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。

频率测量：测量频率的原理框图如图5.测量频率共有3个档位。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，等待时基信号的到来。时基信号有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，这样就达到了测量频率的目的。

（2）周期测量：测量周期的原理框图6.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。

（3）时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC 重复周期为 T=T1+T2。由于被测信号范围为10Hz~1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档： 10Hz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz~99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽；1kHz~999kHz档采用0.001s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间0.1ms、0.01ms、0.001ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生1kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。

（4）计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。

（5）控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图7.

图7.控制电路工作波形示意图

3.2时基电路设计

图8.时基电路和分频电路

它由两部分组成: 如图8所示，第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/((R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R3取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在R1和R3之间接了一个1K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近10KHz的频率。第二部分为分频电路,主要由4518组成，因为振荡器产生的是10kHz的脉冲,也就是其周期是0.0001s,而时基信号要求为0.001s、0.01s和0.1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q³连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。

如图9所示，555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为1000Hz、100Hz和10Hz的方波。

图9. 1kHz的方波分频后波形图

3.3闸门电路设计

如图10所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是100Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是1000Hz 。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图11，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。

图10.闸门电路

图11

3.4控制电路设计

控制电路要产生74160的清零信号，4511的锁存信号。控制电路、计数电路和译码显示电路详细的电路如图12所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。

图12. 控制电路、计数电路和译码显示电路电路图

3.5小数点显示电路设计

在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图13所示。

图13.小数点显示电路

3.6整体电路图

图14.整体电路图

四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）

由于控制电路这部分比较难搞定，所以在连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最后搞定控制电路的连接。最后完成的一块电路板，它所实现的功能就是可以测被测信号的频率和周期。

在设计的555构成多谐振荡器输出的方波信号，由于电路里面使用的电容元件，在实验的时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，把产生的方波信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使输出的信号非常接近10KHz，这样的话在后面的测量中会减小误差。在调测计数显示电路的时候，在连接4511元件的时候忘记了将4511的5端接地，导致数码管无法计数，在实验的过程中，连接好电路以后，发现没反应，然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输出信号，看看是不是和理论的一样。找出不符合理论的那部分，对照电路图进行检查修改，最后发现有的芯片的使能端没有接地，导致元件的功能没有实现。所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。不然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。在最终测量频率很低的时候，那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。

在此次课程设计中，我学会了独立思考并解决问题以及及时向同学求教不懂之处。我认识到了知识要灵活运用的重要性以及要将知识与实际相结合的道理。

五、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：文献出版社，出版年；文献内容摘要, 每篇不少于100字）

【1】李希文，赵建.电子测量技术.西安：西安电子科技大学出版社.2008.

摘要：电子计数法测频主要由三部分组成：时间基准T产生电路、计数脉冲形成电路、计数显示电路。计数显示电路的作用简单地说，就是技术被测周期信号在闸门宽度T时间内重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。在逻辑控制电路的控制下，计数器对主门输出的计数脉冲实施二进制计数，其输出经译码器转换为十进制数，输出到数码管或显示器件作显示。

【2】李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术（第三版）.北京：电子工业出版社.2008.

摘要：从硬件连接方式看，键盘通常可分为独立式键盘和矩阵式键盘两类。所谓独立式键盘是指各按键相互独立，每个按键分别于单片机的I/O口或外扩I/O芯片的一根输入线项链，通常每根输入线上按键的工作状态不会影响其他输入线的工作状态。通过检测输入线的电平就可很容易判断哪个按键被按下。独立式键盘电路配置灵活，软件简单，但在按键数较多时，会占用大量的输入口线。

【3】杨路明C语言程序设计教程.北京：北京邮电大学出版社.2005.

摘要：C语言程序由基本语句和函数组成，每个函数可完成相对独立的小任务，按一定的规则调用这些函数，就组成了解决某个特定问题的程序。C语言程序的结构非常符合模块化程序的设计思想。将大任务分解成若干个功能模块后，可以用一个或多个C语言的函数来实现这些功能模块，通过函数调用来实现完成大任务的全部功能。任务，模块与函数的关系是：大任务分成功能模块，功能模块则由一个或多个函数来实现 。因此，模块化的程序设计是靠设计函数和调用函数来实现的。

【4】康华光.电子技术基础（数字部分第五版）.北京：高等教育出版社.2006.

摘要：时序电路可分为同步时序电路和异步时序电路两大类，若电路中触发器的时钟输入端没有接在统一的时钟脉冲上火电路中没有时钟脉冲电路中各存储单元的状态更新不是同时发生的，则这种电路称为异步时序电路。根据电路是对脉冲边沿敏感还是对电平敏感。异步时序电路又分为脉冲异步时序电路和电平异步时序电路两种，异步时序电路的状态转换取决于以任意时间间隔变化的输入信号序列，各存储单元的状态转换，应存在时间差异，而可能造成输出状态短时间内的不稳定。

【5】邱关源.电路（第五版）.北京：高等教育出版社.2006.

摘要：运算放大器是一种包含许多晶体管的集成电路，它是目前获得广泛应用的多端器件一般放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后在输送出去，其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数，或电压增益。运放是一种高增益高输入阻抗低输出电阻的放大器。由于它能完成加法，积分，微分等数学运算，而被称为运算放大器。然而，它的应用远远超出上述范围。

课程设计评分表