一、問題引入
在許多情況下，要對訊號的頻率進行測量，利用示波器可以粗略測量被測訊號的頻率，精確測量則要用到數字頻率計。
二、設計目的
本設計與製作專案可以進一步加深我們對數位電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數位電路系統設計、製作與除錯的方法和步驟。
三、設計要求
設計並製作出一種數字頻率計，其技術指標如下：
（1）頻率測量範圍： 10 ～ 9999hz 。
（2）輸入電壓幅度 >300mv 。
（3）輸入訊號波形：任意週期訊號。
（4）顯示位數： 4 位。
（5）電源： 220v 、 50hz
四、所需儀器儀表
示波器、音訊訊號發生器、邏輯筆、萬用表、數字積體電路測試儀、直流穩壓電源。
五、設計內容、方法與步驟：
1、設計內容
1）數字頻率計的基本原理
數字頻率計的主要功能是測量週期訊號的頻率。頻率是單位時間（ 1s ）內訊號發生週期變化的次數。如果我們能在給定的 1s 時間內對訊號波形計數，並將計數結果顯示出來，就能讀取被測訊號的頻率。
數字頻率計首先必須獲得相對穩定與準確的時間，同時將被測訊號轉換成幅度與波形均能被數位電路識別的脈衝訊號，然後通過計數器計算這一段時間間隔內的脈衝個數，將其換算後顯示出來。這就是數字頻率計的基本原理。
2）系統框圖
從數字頻率計的基本原理出發，根據設計要求，得到如圖 8.3 所示的電路框圖。
下面介紹框圖中各部分的功能及實現方法
（1）電源與整流穩壓電路
框圖中的電源採用 50hz 的交流市電。市電被降壓、整流、穩壓後為整個系統提供直流電源。系統對電源的要求不高，可以採用串聯式穩壓電源電路來實現。
（2）全波整流與波形整形電路
本頻率計採用市電頻率作為標準頻率，以獲得穩定的基準時間。按國家標準，市電的頻率漂移不能超過 0.5hz ，即在 1 ％的範圍內。
用它作普通頻率計的基準訊號完全能滿足系統的要求。全波整流電路首先對 50hz 交流市電進行全波整流，得到如圖1所示 100hz
圖1 數字頻率計框圖
的全波整流波形。波形整形電路對 100hz 訊號進行整形，使之成為如圖2所示 100hz 的矩形波。
圖2 全波整流與波形整形電路的輸出波形
波形整形可以採用過零觸發電路將全波整流波形變為矩形波，也可採用施密特觸發器進行整形。
（3）分頻器
分頻器的作用是為了獲得 1s 的標準時間。電路首先對圖1所示的 100hz 訊號進行 100 分頻得到如圖2（ a ）所示週期為 1s 的脈衝訊號。然後再進行二分頻得到如圖 8.
5 （ b ）所示占空比為 50 ％脈衝寬度為 1s 的方波訊號，由此獲得測量頻率的基準時間。利用此訊號去開啟與關閉控制門，可以獲得在 1s 時間內通過控制門的被測脈衝的數目。
分頻器可以採用第 5 章介紹過的方法，由計數器通過計數獲得。二分頻可以採用觸發器來實現。
（4）訊號放大、波形整形電路
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，
圖3 分頻器的輸出波形
使之成為能被計數器有效識別的脈衝訊號。訊號放大與波形整形電路的作用即在於此。訊號放大可以採用一般的運算放大電路，波形整形可以採用施密特觸發器。
（5）控制門
控制門用於控制輸入脈衝是否送計數器計數。它的乙個輸入端接標準秒訊號，乙個輸入端接被測脈衝。控制門可以用與門或或門來實現。
當採用與門時，秒訊號為正時進行計數，當採用或門時，秒訊號為負時進行計數。
（6）計數器
計數器的作用是對輸入脈衝計數。根據設計要求，最高測量頻率為 9999hz ，應採用 4 位十進位制計數器。可以選用現成的 10 進製整合計數器。
（7）鎖存器
在確定的時間（ 1s ）內計數器的計數結果（被測訊號頻率）必須經鎖定後才能獲得穩定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發脈衝控制，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，最好採用邊沿觸發方式的器件。
（8）顯示解碼器與數碼管
顯示解碼器的作用是把用 bcd 碼表示的 10 進製數轉換成能驅動數碼管正常顯示的段訊號，以獲得數字顯示。
選用顯示解碼器時其輸出方式必須與數碼管匹配。
3）實際電路
根據系統框圖，設計出的電路如圖4 所示。 圖中，穩壓電源採用 7805 來實現，電路簡單可靠，電源的穩定度與波紋係數均能達到要求 .
對 100hz 全波整流輸出訊號的分頻採用 7 位二進位制計數器 74hc4024 組成 100 進製計數器來實現。計數脈衝下降沿有效。在 74hc4024 的 q7 、 q6 、 q3 端通過與門加入反饋清零訊號，當計數器輸出為二進位制數 1100100 （十進位制數為 100 ）時，計數器非同步清零。
實現 100 進製計數。為了獲得穩定的分頻輸出，清零訊號與輸入脈衝「與」後再清零，使分頻輸出脈衝在計數脈衝為低電平時保持一段時間（ 10ms ）為高電平。
圖 4 數字頻率計電路圖
電路中採用雙 jk 觸發器 74hc109 中的乙個觸發器組成觸發器，它將分頻輸出脈衝整形為脈寬為 1s 、週期為 2s 的方波。從觸發器 q 端輸出的訊號加至控制門，確保計數器只在 1s 的時間內計數。從觸發器端輸出的訊號作為資料暫存器的鎖存訊號。
被測訊號通過 741 組成的運算放大器放大 20 倍後送施密特觸發器整形，得到能被計數器有效識別的矩形波輸出，通過由 74hc11 組成的控制門送計數器計數。為了防止輸入訊號太強損壞整合運放，可以在運放的輸入端並接兩個保護二極體。
頻率計數器由兩塊雙十進位制計數器 74hc4511 組成，最大計數值為 9999hz 。由於計數器受控制門控制，每次計數只在 jk 觸發器 q 端為高電平時進行。當 jk 觸發器 q 端跳變至低電平時， 端的由低電平向高電平跳變，此時， 8d 鎖存器 74hc374 （上公升沿有效）將計數器的輸出資料鎖存起來送顯示解碼器。
計數結果被鎖存以後，即可對計數器清零。由於 74hc4518 為非同步高電平清零，所以將 jk 觸發器的同 100hz 脈衝訊號「與」後的輸出訊號作為計數器的清零脈衝。由此保證清零是在資料被有效鎖存一段時間（ 10ms ）以後再進行。
顯示解碼器採用與共陰數碼管匹配的 cmos 電路 74hc4511 ,4 個數碼管採用共陰方式，以顯示 4 位頻率數字，滿足測量最高頻率為 9999hz 的要求。
2 方法與步驟
1) 器件檢測
用數字積體電路檢測儀對所要用的 ic 進行檢測，以確定每個器件完好。如有興趣，也可對 led 數碼管進行檢測，檢測方法由自己確定。
2) 電路連線
在自製電路板上將 ic 插座及各種器件焊接好；裝配時，先焊接 ic 等小器件，最後固定並焊接變壓器等大器件。電路連線完畢後，先不插 ic 。
3) 電源測試
將與變壓器連線的電源插頭插入 220v 電源，用萬用表檢測穩壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應為＋ 5v 。如果輸出電壓不對，應仔細檢查相關電路，消除故障。
穩壓電源輸出正常後，接著用示波器檢測產生基準時間的全波整流電路輸出波形。正常情況應觀測到如圖 13.5(a) 所示波形。
4) 基準時間檢測
關閉電源後，插上全部 ic 。依次用示波器檢測由 u1(74hc4024) 與 u3a 組成的基準時間計數器與由 u2a 組成的觸發器的輸出波形，並與圖 13.6 所示波形對照。
如無輸出波形或波形形狀不對，則應對 u1 、 u3,u2 各引腳的電平或訊號波形進行檢測，消除故障。
5) 輸入檢測訊號
從被測訊號輸入端輸入幅值在 1v 左右頻率為 1khz 左右的正弦訊號，如果電路正常，數碼管可以顯示被測訊號的頻率。如果數碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入訊號頻率，則作進一步檢測。
6 ）輸入放大與整形電路檢測
用示波器觀測整形電路 u1a(74hc14) 的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、訊號幅值為 5v 左右的矩形波。如觀測不到輸出波形，或觀測到的波形形狀與幅值不對，則應檢測這一部分電路，消除故障。如該部分電路正常，或消除故障後頻率計仍不能正常工作，則檢測控制門。
7) 控制門檢測
檢測控制門 u3c(74hc11) 輸出訊號波形，正常時，每間隔 1s 時間，可以在螢屏上觀測到被測訊號的矩形波。如觀測不到波形，則應檢測控制門的兩個輸入端的訊號是否正常 , 並通過進一步的檢測找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障後頻率計仍不能正常工作，則檢測計數器電路。
8) 計數器電路的檢測
依次檢測 4 個計數器 74hc4518 時鐘端的輸入波形，正常時，相鄰計數器時鐘端的波形頻率依次相差 10 倍。如頻率關係不一致或波形不正常，則應對計數器和反饋門的各引腳電平與波形進行檢測。正常情況各電平值或波形應與電路中給出的狀態一致。
通過檢測與分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障後頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。
9) 鎖存電路的檢測
依次檢測 74hc374 鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況各電平值應與電路中給出的狀態一致。其中，第 11 腳的電平每隔 1s 鐘跳變一次。
如不正常，則應檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障後頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。
10) 顯示解碼電路與數碼管顯示電路的檢測
檢測顯示解碼器 74hc4511 各控制端與電源端引腳的電平，同時檢測數碼管各段對應引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析找出故障。
六、課程設計驗收
1、硬體製作實物完成情況，演示設計與除錯的結果
2、設計方案與說明書
數字頻率計
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VHDL數字頻率計設計報告
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