《電子技術》課程設計報告
題目簡易數字頻率計
學院（部） 資訊學院
專業班級學生姓名
學號12 月 10 日至 12 月 24 日共 2 周
指導教師（簽字
摘要3關鍵詞3
技術要求3
一·系統綜述
1.設計方案的選擇4
2.整體框圖及原理5
二·單元電路設計
1.訊號產生電路6
2.時基電路6
3.放大整形電路6
4.計數控制電路7
5.計數控制的選擇開關電路11
6.計數鎖存電路11
7.數碼管選擇控制電路12
8.報警電路13
9.單位選擇電路13
10.整體電路13
三·設計小結
1.結束語13
2.參考文獻14
3.鳴謝14
4.元器件明細表14
5.收穫與體會，存在的問題17
評語18
簡易數字頻率計的設計
摘要數字頻率計是採用數位電路製成的實現對週期性變化訊號的頻率的測量。本設計是基於在數、模電理論課上學過或沒學過的整合器件和必要的閘電路構建的簡易頻率計，用數碼管顯示頻率計數值。在設計過程中，所有電路**均基於multisim**軟體。
本課程設計介紹了簡易頻率計的設計方案及其基本原理，並著重介紹了頻率計各單元電路的設計思路，原理及**，整體電路的工作原理，控制器件的工作情況。設計共有三大組成部分：一是原理電路的設計，本部分詳細講解了電路的理論實現，是關鍵部分；二是單元電路設計與分析，這部分詳細介紹各單元電路的選擇、設計及工作原理分析，並介紹有關引數的計算及元器件引數的選擇等；三是是對本次課程設計的總結。
關鍵詞 multisim 頻率計 ttl晶元分頻計數鎖存器
技術要求
1.被測訊號的頻率範圍100hz～100kh
2.輸入訊號為正弦訊號或方波訊號
3.四位數碼管顯示所測頻率，並用發光二極體表示單位
4.具有超量程報警功能
5.測量範圍內精度不低於%1
一、系統綜述
一．設計方案的選擇
訊號的頻率就是訊號在單位時間內所產生的脈衝個數，其表示式為f=n/t，其中f為被測訊號的頻率，n為計數器所累計的脈衝個數，t為產生n個脈衝所需的時間。計數器所記錄的結果，就是被測訊號的頻率。如在1s內記錄1000個脈衝，則被測訊號的頻率為1000hz。
測量頻率的基本方法有兩種：計數法和計時法，或稱測頻法和測週期法。
1、計數法
計數法是將被測訊號通過乙個定時閘門加到計數器進行計數的方法，如果閘門開啟的時間為t，計數器得到的計數值為n1，則被測頻率為f=n1/t。改變時間t，則可改變測量頻率範圍。如圖1
圖 1 測頻法測量原理
設在t期間，計數器的精確計數值應為n,根據計數器的計數特性可知，n1的絕對誤差是n1=n+1,n1的相對誤差為δn1=(n1-n)/n=1/n。由n1的相對誤差可知，n的數值愈大，相對誤差愈小，成反比關係。因此，在f以確定的條件下，為減少n的相對誤差，可通過增大t的方法來降低測量誤差。
當t為某確定值時（通常取1s），則有f1=n1,而f=n，故有f1的相對誤差：δf1=(f1-f)/f=1/f從上式可知f1的相對誤差與f成反比關係，即訊號頻率越高，誤差越小；而訊號頻率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用於對高頻訊號的測量，頻率越高，測量精度也越高。
2、計時法
計時法又稱為測週期法，測週期法使用被測訊號來控制閘門的開閉，而將標準時基脈衝通過閘門加到計數器，閘門在外訊號的乙個週期內開啟，這樣計數器得到的計數值就是標準時基脈衝外訊號的週期值，然後求週期值的倒數，就得到所測頻率值。首先把被測訊號通過二分頻，獲得乙個高電平時間是乙個訊號週期t的方波訊號；然後用乙個一直週期t1的高頻方波訊號作為計數脈衝，在乙個訊號週期t的時間內對t1訊號進行計數，如圖2
圖 2 計時法測量原理
若在t時間內的計數值為n2,則有：
t2=n2*t1 f2=1/t2=1/(n2*t1)=f1/n2
n2的絕對誤差為n2=n+1
n2的相對誤差為δn2=(n2-n)/n=1/n
t2的相對誤差為δt2=(t2-t)/t=(n2*t1-t)/t=f/f1
從t2的相對誤差可以看出，週期測量的誤差與訊號頻率成正比，而與高頻標準計數訊號的頻率成反比。當f1為常數時，被測訊號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。
根據本設計要求的效能與技術指標，首先需要確定能滿足這些指標的頻率測量方法。由上述頻率測量原理與方法的討論可知，計時法適合於對低頻訊號的測量，而計數法則適合於對較高頻訊號的測量。但由於用計時法所獲得的訊號週期資料，還需要求倒數運算才能得到訊號頻率，而求倒數運算用中小規模數字積體電路較難實現，因此，計時法不適合本實驗要求。
測頻法的測量誤差與訊號頻率成反比，訊號頻率越低，測量誤差就越大，訊號頻率越高，其誤差就越小。但用測頻法所獲得的測量資料，在閘門時間為一秒時，不需要進行任何換算，計數器所計資料就是訊號頻率。因此，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。
二．整體框圖及原理
數字頻率計一般由振盪器、分頻器、訊號的放大整形電路、控制器、計數解碼器、顯示器等幾部分組成。由振盪器產生一標準頻率訊號，經分頻分別得到控制脈衝及門控選通脈衝；控制脈衝經控制電路分別產生計數器的清零訊號和計數鎖存訊號；待測訊號經放大、限幅、整形之後，檢測門與選通訊號合成，產生計數訊號；計數訊號與鎖存訊號、清零復位訊號共同控制計數器工作在計數、清零和鎖存狀態，然後通過數碼顯示器件顯示訊號頻率。數字頻率計的原理框圖如圖3所示。
圖3：數字頻率計的電路原理結構圖
圖3所示的工作原理是基於直接測頻法來檢測被測訊號的頻率。直接測量頻率是通過晶振、分頻，得到固定脈寬（1s）的門控訊號去控制檢測控制門，同時在門控訊號上公升沿到來之前和下降沿到來之後分別產生計數器的清零訊號和鎖存訊號。帶測訊號整形後的脈衝訊號在控制訊號作用時間內計數，得到的計數值就是待測訊號的頻率
二、單元電路設計
1.訊號產生電路
產生待測訊號，本次課程用訊號發生器代替
2.時基電路
由兩部分組成，第一部分為頻率產生電路，產生穩定的工作時鐘頻率；第二部分為分頻電路，產生測頻所需的各種控制訊號
3、放大整形電路
待測訊號為正弦訊號或者是方波訊號，由於幅值不一。訊號脈衝整形電路的作用就是將待測訊號整形為統一的幅值脈衝波形，以便於計數器計數。
方案一：
由比例放大器和電壓比較器組成放大整形電路一，如圖3.1所示。
方案二：
由三極體和施密特觸發器組成放大整形電路二，三極體對訊號進行放大，施密特觸發器對訊號進行整形。電路如圖3.2所示
方案對比：方案二中的電路相對於方案一的電路而言更加複雜，且電晶體放大電路必須選擇正確的靜態工作點位置，否則容易失真。而且施密特觸發器有電平限制，不如電壓比較器整形來的方便，相對而言電壓比較器靈敏度高，因此選擇方案一。
圖3.1：放大整形電路一
圖3.2：放大整形電路二
如圖一電路所示，當訊號幅度很小時，可調整電位器r1來調整放大倍數，經比較器輸出，得到和輸入訊號同頻率的脈衝波，作為后級計數器的計數脈衝波。當待測訊號為幅值是3v的正弦訊號時，整形後的輸出波形如圖3.3所示。
模組封裝模組如圖3.4所示。
圖3.3：整形前後的訊號波形
圖3.4訊號整形電路封裝
4、計數控制電路
控制電路是數字頻率計正常工作的中樞部分。控制電路包括計數器清零訊號，鎖存訊號產生電路，檢測控制閘電路和高低頻切換電路等，其關鍵任務是在檢測門控制訊號到來前及時產生計數器的清零訊號，在門控訊號結束時立即產生鎖存訊號。其時序要求如圖五所示
在較高頻率時(如高於1khz)可以選用1s的計數脈寬門控訊號(0.5hz),而在低頻時(如低於1khz)，可以選用10s計數脈衝門控訊號，為了在低頻時10s 計數時間內顯示器能不閃爍的顯示資料，需設定資料鎖存器。因此鎖存器的鎖存訊號應在下一次顯示資料到來之前一直有效。
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