简单数字频率计的设计与制作 课程设计说明书（优秀）_数字频率计的课程设计

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武汉理工大学《电工电子综合课程设计》说明书

简单数字频率计的设计与制作概述

频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值，依照本课程设计的初始条件使用直接测量法测量输入频率为1～9999HZ的信号，本文设计的主要思想体现在：利用放大整流电路将待测信号变成方波脉冲信号，利用时控电路使待测电路在标准的一秒脉冲内输入计数，利用十进制计数器74LS160实现脉冲计数功能，利用74LS48译码，使七段数码管显示待测信号频率N。所显示的数值N是0001~9999。电路设计方案的确定

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，稳定显示在数码管上。

根据其工作原理，可以设计出有以下两种方案。

2.1 方案一

方案一为利用锁存器和计数器设计的数字频率计。其基本原理是待测信号经过放大整形成幅值变大频率不变的方波脉冲，与时基电路产生的标准时基信号进入门闸电路，时钟电路控制计数器的计数与保持状态，高电平计数，低电平计数器处于保持状态，数据进入锁存器进行锁存显示。

其原理框图如下所示：

图1 方案一原理框图

2.2 方案二

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方案二为利用时控电路与计数器设计的数字频率计。其基本原理是待测信号经过放大整形成幅值变大频率不变的方波脉冲，与时控电路中555构成的单稳态触发器定时产生的标准1s信号同时送入计数器，使计数器在标准1s内对待测信号内含有的脉冲数进行计数，并译码显示；同时利用时控电路里的单刀双掷开关，根据芯片逻辑功能对计数器进行清零，以便计数。

其原理框图如下所示：

图2 方案二原理框图

2.3 方案分析与选择

两个方案最大的区别在于时控电路对计数的控制以及译码信号的锁存。方案一的实际原理偏复杂，用Proteus可以仿真出正确的结果，但是由于较方案二多出两块锁存器芯片，增添了实物操作、调试时的负担。方案二的核心设计知识均来自于课本，整体结构简单，元器件数目少、常见易用，能够通过仿真验证其功能实现的正确性，并且设计有清零端口使实际运用时操作更直接。

综合考虑设计原理难易程度、制作与调试易实现程度、元器件使用难易三方面，选择方案二。单元电路设计与分析

3.1 放大电路

为了能测量不同电平值与波形的周期信号和频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。由运算放大器使信号幅值扩展，其放大倍数为R7/R5。放大电路的连接图如图所示：

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图3 放大电路连接图

3.2 整形电路

波形的整形用到了555构成的施密特触发器，利用其波形变换、整形的功能将三角波、正弦波等变成矩形波，整形后变为较理想的方波脉冲。整形电路的连接图如图所示：

图4 整形电路连接图

3.3 时控电路

本文的时控电路是由单稳态触发器和一个与门组成的，而单稳态触发器是由555定时器组成，通常单稳态触发器的作用有定时、延时和噪声消除，本文是利用它的定时作用，即只有在单稳态触发器脉冲时间内，输入信号才有可能通过与门。假设输入信号经过放大整形成了被测信号，时控电路使之在输出脉冲时间内进入计数器计数，以测出被测信号频率。时控电路的连接图如图所示：

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同时，利用时控电路的单刀双掷开关SW1对计数器进行清零，方便下一次计数。

图5 时控电路连接图

该部分单元电路用到了与门74LS08，其引脚图和功能表如下图所示：

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图6 74LS08引脚图

表1 74LS08功能表

3.4 计数电路

本文要求测出频率为1～97999HZ的输入信号的频率所以必须要求构成一个四位十进制计数器。4LS160是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器。

图7 74LS160的引脚图

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表2 74LS160芯片的功能

H——高电平 L——低电平 上升沿——从低到高跳变 X——任意

异步清零RD为低电平时，不管始终端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。160的预置是同步的，当置入控制器为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0~Q3与数据输入端P0~P3一致。对于74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEPCET为高电平，则PE应避免由低至高电平的跳变，而74LS160无此种限制。160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。

在不外加门电路的情况下，可以级联成为N位同步计数器。本设计利用其计数功能，运用四个74LS160，将ENP/ENT与下一位的RCO连接，级联成一个4位10进制计数器。其连接图如下图所示：

图8 计数电路连接图

3.5 译码显示电路

它将正弦波输入信号整形成同频率的方波，系统的整形电路由施密特触发器构成，整形后的方波送到闸门一遍计数。整形电路的电路图如图所示：本设计中译码与显示电路译码器选用74LS48，为共阴型译码器，故选用共阴型数码管。引脚图与功能表如下所示：

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图9 74LS48引脚图

共阴极数码管的接地端接低电平，其他a.b.c.d.e.f.g与译码器相应的引脚相连如下图：

图10 译码显示电路的连接图

表3 74LS48功能表

武汉理工大学《电工电子综合课程设计》说明书总体电路设计与分析

4.1 总原理图及元器件清单

元器件清单详细参考附录。

图11 总原理图

4.2 电路仿真与调试

本设计的简单频率计数器分为五个模块，分别是信号放大模块、信号整形模块、时控电路模块、计数模块、译码显示模块。其中信号放大与整形模块属于模拟电子技术的范畴，时控、计数与译码显示属于数字电子技术的范畴。为了保证单元电路设计的正确性，使用Proteus绘制时查阅了大量资料，并对每个模块进行了仿真，利用内部的虚拟示波器进行检测与监控，直到每个模块都能实现各自的功能。

例如，对待测信号为500HZ正弦波的放大整形单元进行仿真测试与监控，证明电路设计与连接的正确性：

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图12 放大整形电路仿真连接图

图13 放大整形电路仿真波形图(Channel A)

当输入一频率为500HZ幅值为1V的正弦波，仿真的步骤是，在Proteus软件仿真页面中确保开关SW1和SW2接高电平，点击左下端的“play”开始进行仿真，此时显示器显示为“0000”，触发开关SW2使其有高电平到低电平，即再一次下降沿时触发它，开始仿真。一段时间稳定后显示所测信号的频率，如下图所示：

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图14 总体电路仿真图

由上图刻制被测信号频率显示为501HZ，加入的实际信号频率为500HZ，仿真存在一定的误差，误差为(501-500)/(500)*100%=0.2%，在误差范围内可以证明电路的正确性。结论与心得

5.1 电路设计思路

在设计时，要在保证能够实现所要求的功能前提下使电路结构尽量简单。首先弄清楚该电路需要几部分，作出原理框图，再根据原理框图分步设计每一部分电路，每一单元电路功能实现后，再将各部分按照要求连接在一起。对于每一块的电路设计需要根据平时积累与大量参考书的查阅，选择最佳的设计电路。在初步设计完后，检查设计是否合乎条件要求，尽可能考虑到各种影响电路功能实现的音速，以便对电路作相应的修改。同时，利用Proteus仿真软件绘制电路图，对电路进行仿真，确保电路的正确性。

5.2 元器件挑选与安装

在挑选元器件时，应优先选择项目要求的元器件类型；在选择同类元件时应考虑其性价比与节能性，优先选择功耗小的元件。

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本次设计最终实物成型选用的是面包板制作，在元器件的安装时应尤其注意其排版布局。安装之前首先应规划元器件布局，有效使用面包板，使元件排列疏密一致，整齐美观，一旦电路出现问题也容易检查。

5.3 整体电路的调试

在调试过程中，最好先测试各单元电路，保证各部分电路能够正常工作，遇故障时采取逐步缩小故障范围的方式，最后定位，再对相应的位置做检查，解决问题。