《數字電子技術課程設計報告》
題目： 數字頻率計
學院專業
班級姓名
指導教師
2023年 12月14 日
(1)會運用電子技術課程所學到的理論知識，獨立完成設計課題。
(2)學會將單元電路組成系統電路的方法。
(3)熟悉中規模積體電路和半導體顯示器件的使用方法。
(4)通過查閱手冊和文獻資料，培養獨立分析和解決實際問題的能力。培養嚴肅認真工作作風和嚴謹的科學發展。
頻率計技術指標：
頻率測量範圍：10～9999hz
輸入電壓幅度：300mv～3v
輸入訊號波形：任意週期訊號
顯示位數： 4位
電源： 220v50hz
3.1 設計方案的選定與說明
數字頻率計是一種用數字顯示的頻率測量儀表，它不僅可以測量正弦訊號、方波訊號和尖脈衝訊號的頻率，而且還能對其他多種物理量的變化頻率進行測量，諸如機械振動次數，物體轉動速度，明暗變化的閃光次數，單位時間裡經過傳送帶的產品數量等等，這些物理量的變化情況可以有關感測器先轉變成週期變化的訊號，然後用數字頻率計測量單位時間內變化次數，再用數碼顯示出來。
3.1.1方案設計與論證
交流電訊號或脈衝訊號的頻率是指單位時間內產生的電振動的次數或脈衝個數。用數學模型可表示為：
f=式中f——頻率。n——電振動次數或脈衝數。t——產生n次電振動或脈衝所需要的時間。
首先必須把各種被測訊號通過放大整形電路，使其成為規矩的數碼訊號，以便於計數器計數。實現頻率測量的另一必備環節是時基電路。所謂時基電路，就是產生時間標準訊號的電路裝置。
通常要求精確穩定，所以採用1mhz或5mhz石英晶體振盪器做成標準時間訊號發生器。一般計數器則採用十位計數器，n進製的計數器也就是n分頻器，其n進製訊號也可作為n分頻訊號。
如圖所示為數字頻率計系統原理總框圖，被測量訊號經過放大與整形電路傳入十進位制計數器，變成其所要求的訊號，此時數字頻率計與被測訊號的頻率相同，時基電路提供標準時間基準訊號，此時利用所獲得的基準訊號來觸發控制電路，進而得到一定寬度的閘門訊號，當1s訊號傳入時，閘門開通，被測量的脈衝訊號通過閘門，其計數器開始計數，當1s訊號結束時閘門關閉，停止計數。根據公式得被測訊號的頻率f=nhz。
圖 數字頻率計系統原理方框圖
邏輯控制電路的乙個重要的作用是在每次取樣後還要封鎖主控門和時基訊號輸入，使計數器顯示的數字停留一段時間，以便觀測和讀取資料。簡而言之，控制電路的任務就是開啟主控門計數，關上主控門顯示，然後清零，這個過程不斷重複進行。控制電路如圖所示：
圖 邏輯控制電路
3.2論述方案的各部分工作原理
3.2.1時基電路
為了獲得較為穩定的時間基準訊號，以便準確的控制主控門的開啟時間，其電路見圖3.2.1所示：
vcc圖3.2.1 時基電路
本設計採取用555定時器組成的多諧振盪器如圖3.2.1所示。
接通電源後，電容被充電，當上公升到時，使為低電平，同時放電三極體t導通，此時電容c通過和t放電，下降。當下降到時，翻轉為高電平。電容器c放電所需的時間為
當放電結束時，t截止，將通過、向電容c充電，由上公升到所需的時間為
當上公升到時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，於是在電路的輸出端就得到乙個週期性的矩形波。其振盪頻率為
3.2.2放大整形電路
為保證測量精度，在整形電路的輸入端加一前置放大器。對幅值較低的被測訊號經放大後再送入整形器整形。如圖3.2.2為放大整形電路原理圖。
此電路採用電晶體3dg100與74ls00等組成，其中3dg100為放大器，可對週期訊號進行放大再傳入整形器中對訊號進行整形。
圖3.2.2 放大與整形電路電路
3.2.3邏輯控制電路
邏輯控制電路的作用主要是控制主控門的開啟和關閉，同時也控制整機邏輯關係。
本設計採用74ls123組成邏輯控制電路，先啟動脈衝置成1，其餘觸發器置成0，然後時基電路傳入脈衝，控制電路開始工作。被測訊號通過閘門進入計數電路，於是計數器解碼器同時工作，從而記下所測訊號頻率值。
當控制電路轉為其他狀態時，閘門關閉，計數器停止工作，數碼管繼續顯示所測頻率值。直到有一次迴圈，計數器清零，數碼管顯示消失，到此為止，頻率計完成一次測量。
脈衝訊號可由兩個單穩態觸發器74ls123產生，它們的脈衝寬度由電路的時間常數決定。由74ls123的功能得出，當1、觸發脈衝從1a端輸入時，在觸發脈衝的負跳變作用下，輸出端可獲得一負脈衝，其波形關係正好滿足圖所示的波形ⅳ和ⅴ的要求，手動復位開關s按下時，計數器清零。邏輯控制電路如圖3.
2.3所示：
圖3.2.3 邏輯控制電路
3.2.4計數器
為了提高計數速度，可採用同步計數器。其特點是計數脈衝作為時鐘訊號同時接於各位觸發器的時鐘脈衝輸入端，在每次時鐘脈衝沿到來之前，根據當前計數器狀態，利用邏輯控制電路，準備好適當的條件。當計數脈衝沿到來時，所有應翻轉的觸發器同時翻轉，同時也使用所有應保持原狀的觸發器不該變狀態。
由於頻率計的測量範圍10～9999hz，因此採用十進位制計數器74ls90，它不僅可用於對脈衝進行計數，還可用於分頻；此電路則需分頻，n位進製計數器就是n分頻器。
被測訊號由閘門開通送入計數器，記錄所測訊號頻率值傳入解碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關閉，計數器停止工作；電路則繼續工作進行下次迴圈，計數器清零，顯示器數值消失，頻率計完成一次測量。數字頻率計測週期基本原理如圖3.2.
4所示圖3.2.4 數字頻率計測週期基本原理圖
當被測訊號的頻率較低時，採用直接測頻方法由量程誤差一起的測量誤差太大，為了提高測低頻時的準確度，應先測週期，然後計算。
被測訊號經過放大整形電路變成方波，加到門控電路產生閘門訊號，如，則閘門開啟的時間也為10ms，在此期間內，週期為的標準脈衝通過閘門進入計數器計數。若。則計數器記得的脈衝數=10000個。
若以毫秒為單位，則顯示器上的讀數為10.000。
以上分析可見，頻率計測週期的基本原理正好與測頻相反，即被測訊號用來控制閘門電路的開通與關閉，標準時基訊號作為計數脈衝。
3.2.5鎖存器
鎖存器是構成各種時序電路的儲存單元電路，其具有0和1兩種穩定狀態，一旦狀態被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈衝電平敏感的儲存單元電路，它們可以在特定輸入脈衝電平作用下改變狀態。
在確定的時間內計數器的技術結果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，將測量的資料寄存起來，送入解碼顯示器。鎖存器可以採用一般的8位並行輸入暫存器。
此電路採用74ls273鎖存器，其作用是將計數器在1s結束時鎖記得的數進行鎖存，使顯示器上能穩定地顯示此時計數器的值。當1s計數結束時，通過邏輯電路產生訊號送入鎖存器，將此時計數的值送入解碼顯示器。
選用兩個8位鎖存器74ls273可以完成上計數功能。當時鐘脈衝cp的正跳變來到時，鎖存器的輸入等於輸入，即q=d，從而將計數器的輸出值送到鎖存器的輸出端正脈衝結束後，無論d為何值，輸出端q的狀態仍保持原來的狀態的q不變。所以在計數期間內，計數器的輸出不會送到解碼顯示器。
圖3.2.5 鎖存器晶元
數字頻率計
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