簡易數字頻率計的設計

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簡易頻率計

一、設計任務與要求

1．設計制作一個簡易頻率測量電路，實現數碼顯示。

2．測量范圍：10Hz~99.99KHz

3．測量精度： 10Hz。

4. 輸入信號幅值：20mV~5V。

5. 顯示方式：4位LED數碼。

二、方案設計與論證

頻率計是用來測量正弦信號、矩形信號、三角形信號等波形工作頻率的儀器，根據頻率的概念是單位時間里脈沖的個數，要測被測波形的頻率，則須測被測波形中1S里有多少個脈沖，所以，如果用一個定時時間1S控制一個閘門電路，在時間1S內閘門打開，讓被測信號通過而進入計數譯碼器電路，即可得到被測信號的頻率fx。

任務要求分析：

頻率計的測量范圍要求為10Hz~99.99KHz，且精度為10Hz，所以有用4片10進制的計數器構成1000進制對輸入的被測脈沖進行計數；要求輸入信號的幅值為20mV~5V，所以要經過衰減與放大電路進行檢查被測脈沖的幅值；由于被測的波形是各種不同的波，而后面的閘門或計數電路要求被測的信號必須是矩形波，所以還需要波形整形電路；頻率計的輸出顯示要經過鎖存器進行穩定再通過4位LED數碼管進行顯示。

經過上述分析，頻率計電路設計的各個模塊如下圖：

方案一：

根據上述分析，頻率計定時時間1s可以通過和電容、電阻構成的產生1000Hz的脈沖，再進行分頻成1Hz即周期為1s的脈沖，再通過把脈沖正常高電平為1s；放大整形電路通過與非門、非門和二極管組成；閘門電路用一個與門，只有在定時脈沖為高電平時輸入信號才能通過與門進入計數電路計數；計數電路可以通過5個十進制的計數器組成，計數器再將計的脈沖個數通過鎖存器進行穩定最后通過4個LED數碼顯像管顯示出來。

方案二：

頻率計定時時間1s可以直接通過和電容、電阻構成的產生1Hz的脈沖，再通過把脈沖正常高電平為1s；放大整形電路可以直接用一個具有放大功能的施密特觸發器對輸入的信號進行整形放大，其他模塊的電路和方案一的相同。

通過對兩種方案的分析，為了減少總的電路的延遲時間，提高測量精確度，所以選擇元件少的第二種方案。

三、單元與參數計算

：

用555_VIRTUAL定時器和電容、電阻組成產生1Hz的脈沖，根據書中的振蕩周期 ： T=（R1+R2）C*ln2 取C=10uF，R1=2KΩ，T=1s，計算得：R2=70.43KΩ，再通過T_FF把脈沖正常高電平為1s的脈沖，元件的連接如下：

經示波器仿真，產生的脈沖的高電平約為1S。

放大整形電路：

用一個74HC14D_4V的含放大功能的施密特觸發器對輸入脈沖進行放大整形，把輸入信號放大整形成4V的矩形脈沖，其放大整形效果如下圖：

閘門電路：

用一個與門74LS08作為脈沖能否通過的閘門，當定時信號Q為高電平時，閘門打開，輸入信號進入計數電路進行計數，否則，其不能通過閘門。

計數電路：

計數電路用5（4）片74192N計數器組成100000（10000）進制的計數電路，74192N是上升沿有效的，來一個脈沖上升沿，電路記一次數，所以計數的范圍為0~99999（5000）。但計數1S后要對計數器進行清零或置零，在這里用清零端，高電平有效，當計數1S后，Q為低電平，Q’為高電平，所以用Q’作為清零信號，接線圖如下：

鎖存顯示電路：

當計數電路計數結束時，要把計得脈沖數鎖存通過數碼顯示管穩定顯示出來。鎖存器用2片74ls273，時鐘也是上升沿有效，當Q為下降沿時，Q’恰好是上升沿，所以用Q’作為鎖存器的時鐘，恰能在計數結束時把脈沖數鎖存顯示，電路的接線圖如下：

四、總電路工作原理及元器件清單

1．總原理圖

2．電路完整工作過程描述（總體工作原理）

555組成的多諧振蕩器產生1Hz的脈沖，經過T觸發器整形成高電平時間為1S的脈沖，高電平脈沖打開閘門74LS08N，讓經施密特觸發器74HC14D放大整形的被測脈沖通過，進入計數器進行1S的計數。當計數結束時，T觸發器的Q為下降沿，Q’剛好為上升沿，觸發鎖存器工作，讓計數器輸出的信號通過鎖存器鎖存顯示，同時，高電平的Q’信號對計數電路進行清零，此后，電路將循環上述過程，但對于同一個被測信號，在誤差的允許范圍內，LED上所顯示的數字是穩定的。

3．元件清單

元件序號 型號 主要參數 數量 備注

1 74192 5 加法計數器

2 74LS273 2 鎖存器

3 DCD_HEX 4 LED顯示器

4 555_VIRTUAL 1 定時器

5 T_FF 1 T觸發器

6 CAPACITOR_RATED 電容10Uf、額定電壓50V 1 電容

7 CAPACITOR_RATED 電容10Nf、額定電壓10V 1 電容

8 RES 阻值2KΩ 1

9 RES 阻值 1

10 74LS08 1 雙輸入與門

11 74HC14D_4V 1 施密特觸發器，放大電壓4V

12 AC_VOLTAGE 1 可調的正弦脈沖信號

五、仿真調試與分析

把各個模塊組合起來后，進行仿真調試以達到任務要求。

① 在信號輸入端輸入10Hz的交流脈沖，仿真，結果如下：

說明仿真的結果準確

② 在信號輸入端輸入300Hz的交流脈沖，仿真，結果如下：

仿真結果準確

③ 在信號輸入端輸入3KHz正弦脈沖，仿真，結果如下：

④輸入20KHz的正弦脈沖，仿真，結果如下：

仿真結果結果與實際的結果相差20Hz，這說明頻率越高，誤差越大。經分析，這是由于各個元器件存在著延遲時間，1S的脈沖，經過各個元器件的延遲，計數時間會大于1s，頻率越高，誤差越大，所以計數的時間要稍微小于1S，調小時基電路的R3為70.23KΩ，仿真，結果如下：

還是存在誤差，經過多次調節R3仿真，最后確定R3為70.06 KΩ時對于各個頻率的測試都比較準確，20KHz時仿真結果如下：

所以R3為70.06KΩ是測得的各個頻率值都比較準確，且電路設計都符合測任務要求。

六、結論與心得

在這次課程設計的過程中，我收獲不少。首先，我學會了把一個電路分成模塊去設計，最后再整合，這樣可以把一個復雜的電路簡單化了，并且這樣方便與調試與修改；其次，設計有助了我去自學一些元器件的功能，去運用它；再次，我也初步會用multisim軟件設計電路；最后，這次課程設計也提高了我查找問題、思考問題和解決問題的能力，還鍛煉了我的耐性。

在這次課程設計中也遇到了很多問題，首先，是對元器件了解不多，對于要實現某種功能不知道用那一種元件，所以問同學，上網收索，再了解這種元件的邏輯功能，學會去用它；其次，不大會用電路設計軟件，一開始用EWB軟件設計，對模塊仿真可以，但整合整個原理圖仿真卻不行，通過示波器觀察輸出波形發現脈沖走了一小段卻停止了，以為是電路有問題，就查找了很多遍才找出問題，原來在那個軟件仿真時是不允許存在兩個信號，所以重新用multisim設計，才可以；最后，在用multisim仿真高頻率時仿真速度極慢，所以調整了軟件的仿真最大步長，但問題又出現了，信號紊亂，數碼管顯示數字不一，然后就猜想會不會是元件的問題，太高頻率元件來不及反應就輸出結果，但上網尋找答案，原來是軟件的仿真步長會影響仿真的精確度，所以，某一范圍的頻率仿真，要用相應的最大仿真步長。

這個題目的設計花了自己不少心血，有時甚至一整天在弄，但是當自己成功地設計出電路時所獲得的那一份成就感是無法表達的，所以整個電路的設計過程充滿著苦惱與樂趣。

七、參考文獻

[1] 閻石 《數字電子技術基本教程》靠前版 ，清華大學出版社，2007.08。