荊楚理工學院
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內容摘要
在電子技術中，頻率是最基本的引數之一，並且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關係，因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便於實現測量過程自動化等優點，是頻率測量的重要手段之一。
我們生活的環境中存在著各種各樣的波：矩形波，三角波，低頻波，高頻波等等。有時我們需要測量得到它準確的頻率值，因此就用到了數字頻率計。
本課題要設計的是簡易數字頻率計電路，要求：
① 測量訊號範圍：方波、正弦波，幅度：0.5～5v，頻率：1～9999hz；
② 最大讀數：9999hz，用四個數碼管顯示。閘門訊號的取樣時間為1s；
③ 電路具有啟、停控制，用於啟動和停止頻率的連續顯示，停止時對計數器清零。
2．用中、小規模的積體電路設計數字頻率計電路，畫出單元電路圖，整機邏輯框圖和邏輯電路圖。
3．閘門訊號可以改為1s、0.1s、0.01s、0.001s四個檔位，用乙個開關切換量程。
關鍵字：放大整形數顯清零鎖存頻率解碼
目錄一、概述 5
二、方案設計與論證 5
1．測頻法 5
2. 測周法 6
3. f/v與a/d法 6
4. 測壓法 8
三、單元電路設計與分析 8
1 放大整形電路 8
2 閘門電路 9
3 計數器 9
4 鎖存器 10
5 解碼顯示電路 11
四、總原理圖及元器件清單 12
1．總原理圖 12
2．元器件清單 13
五、結論 14
六、心得體會 14
七、參考文獻 14
通過訊號放大整形電路將被測頻率fx產生乙個cp脈衝，通過不同頻率的脈衝產生高低電平時間均長度為1s，0.1 s，0.01s，0.
001s的方波訊號。用計數器來測量cp脈衝在單位時間內的個數。通過74ls273鎖存資料，再通過解碼器翻譯，使數碼顯示管數值n。
數碼顯示器由四隻led數碼管構成，均用十進位制數表示，即數字顯示器可以顯示出的數字範圍是0~9999。響應時間不超過12秒，接上待測訊號fx後，顯示器所限數字n，極為待測訊號的頻率值。
數字頻率計是直接用十進位制數碼管顯示待測訊號頻率的一種測量裝置，它可以測量張玄伯，方波，三角波的頻率，通過555定時器構成的施密特觸發器經輸入訊號整形為方波，並利用計數器測量單位時間內的馬車個數，最後利用鎖存器鎖存，穩定電路將頻率數值顯示在數碼管上。
常用的頻率測量法有以下四種。
測頻法的基本思路是：對頻率為f的週期訊號，用乙個標準閘門訊號（閘門寬度為tg）對被測訊號的重複週期數進行計數，當計數結果為n時，其訊號頻率為f=n/tg,如圖2-2所示
圖2-2測頻法原理圖
測頻法的測量誤差與訊號頻率有關：訊號頻率越高，誤差越小；而訊號頻率越低，則測量誤差越大。因此，測頻法適合於對高頻訊號的測量，頻率越高，測量精度也越高。
週期/頻率測量是採用兩個計數器，分別對被測訊號f和高頻標準計數訊號fs進行計數，其測量原理如圖2-1所示。
圖2-1測週期
在確定的檢測時間內，若對被測訊號 f的計數值為n1，對高頻訊號 f的計數值n2，則所測的訊號頻率為f=1/t=n1/(n2*ts)=n1*fs/n2
可見，週期/頻率法需要進行除法運算才能得到訊號頻率，這用中小規模數字積體電路卻較難實現，因此，該方法不適合本設計要求。
這種頻率測量方法是先通過f/v變換，把頻率訊號轉換成電壓訊號；然後再通過a/d轉換把電壓訊號轉換成數碼訊號，再對數碼訊號進行計數，從而得到所測訊號的頻率。
本設計選擇了測頻法，由於測頻法的測量誤差與訊號頻率有關：訊號頻率越高，誤差越小；而訊號頻率越低，則測量誤差越大。用測頻法所獲得的測量資料，在閘門時間為1s時，不需要進行任何換算，計數器所計資料就是訊號頻率。
另外，在訊號頻率較低時，如1~100hz，可以通過增大閘門時間來提高測量精度。
從數字頻率計的基本原理出發，根據設計要求可得到如圖2-3所示的電路框
（1）放大整形電路
為了能測量不同電平值與波形的週期訊號的頻率，必須對被測訊號進行放大與整形處理，使之成為能被計數器識別的脈衝訊號。訊號放大可以採用一般的運算放大電路，波形整形可以採用555定時器構成的施密特觸發器來將正弦波。
（2）閘門電路
用於擷取1s,0.1s,0.01s,0.001s的輸入脈衝的個數。由乙個四口開關和四個脈衝產生器構成。
（3）計數器
計數器的作用是對輸入脈衝進行計數。根據設計要求，所測頻率的範圍為「1--9999」，則應採用四位十進位制計數器，可以選用現成的十進位制整合計數器74ls160晶元。
（4）鎖存器
在確定的閘門訊號時間內，計數器的計數結果（被測訊號的頻率）必須經鎖存器鎖定後才能獲得穩定的顯示值。鎖存器通過觸發脈衝的控制，將測得的資料寄存起來，送顯示解碼器。鎖存器可以採用一般的8位並行輸入暫存器。
為使資料穩定最好採用邊緣觸發方式的74ls273器件。
（5）、解碼顯示器
顯示解碼器的作用是把bcd碼表示的十進位制數轉換成能驅動數碼管正常顯示的段訊號，已獲得數字顯示。顯示解碼器的輸出方式必須與數碼管匹配。
圖2-3設計電路的框圖
測壓法的基本原理是：把電容量通過電路轉換成電壓量，然後把電壓量經模數轉換器轉換成數字量顯示。
放大整形電路由正反饋運算放大電路及電阻,電容組成的幅度擴充套件電路和555構成的施密特觸發電路構成如圖3-1
圖3-1 放大整形電路
放大器lm324及電阻r10、r12和r13構成訊號幅度擴充套件電路，當輸入訊號較小時，整合運放將輸入訊號的幅度放大。用555構成的施密特觸器將輸入的正弦波，三角波等其他變化波形變換成矩形脈衝波形。
閘門電路由四個脈衝發生器dclock和乙個四口開關sw-rot-4組成，如圖3-2
圖3-2 閘門電路
脈衝發生器dclock產生閘門訊號為1s,0.1s,0.01s,0.001s的脈衝訊號，開關sw-rot-4用於選擇不同的閘門。
計數電路用4個同步十進位制加法器計數器74ls160構成。在閘門訊號到來之前，清零訊號對計數器進行清零，當閘門訊號到來時對輸入脈衝進行計數，計數結束後將計數結果送入鎖存器。
計數電路如圖3-3
圖 3-3計數器電路
鎖存器選用74ls273將計數器在閘門訊號結束時的將計數器的計數值進行鎖存，使顯示器上獲得穩定的測量值，當時鐘脈衝clk的正跳變來到時，鎖存器的輸出等於輸入，將計數器的輸出值送到鎖存器的輸出端。
圖3-4 鎖存器電路
解碼器課採用共陰極顯示解碼器7448，將所測訊號進行解碼，結果送入數碼管進行顯示。解碼顯示電路如圖3-5
圖3-5 解碼顯示電路
數字頻率計的設計總原理圖如圖4-1
圖4-1 總原理圖
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