简单数字频率计1 - 图文

《电工与电子技术基础》课程设计报告

题 目 简易数字频率 学院（部 汽车学院 专 业 汽车运用工程 班 级 22021002 学生姓名 苏奋 学 号 2202100218 6 月 5 日至 6 月 12 日 共 1 周

指导教师（签字）

一、课题名称与技术要求

<1>名称：简单数字频率计

摘要

数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。本设计中使用的是直接测频法，即用计数器在计算1s内输入信号周期的个数；并使用了模拟软件Multisim进行仿真。应用石英晶体振荡器构成稳定的多谐振荡器，并用74LS160和74LS161进行分频得到时基信号。时基信号作为闸门信号来控制计数器74LS160工作，进行计数，通过译码显示电路在数码显示管上显示最终结果。并且，时基信号还要通过555构成的单稳态触发器产生锁存信号和清零信号，锁存信号使输出稳定，清零信号清空计数器，为下次计数做准备。当输入频率超过量程时，电路会自动报警。

关键字：直接测频法 时基信号 放大整形 震荡 分频 计数 锁存 清零

<2>主要技术指标和要求：

1. 被测信号的频率范围为100HZ～100KHZ 2. 输入信号为正弦信号或方波信号

3. 四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位 4. 具有超量程报警功能

扩展

1. 被测信号的频率范围扩展到1HZ～999.9KHZ

2. 测量频率分为3档1HZ～9999HZ，10HZ～99.99KHZ，100HZ～999.9KHZ 3. 输入信号可为正弦信号、三角波信号和方波信号 4. 可测被测信号的周期

第一章 系统综述

1.1 总体思路对比与选择：

一、总体思路：

将输入信号进行放大整形之后，利用闸门信号（时基信号）对被测信号进行脉冲计数，然后通过译码显示电路进行读数。

二、实现方式： ? 直接计数式测频：

将经过整形放大的待测信号，送入闸门信号中，在一个闸门信号周期错误！未找到引用源。对待测信号进行计数，所得的计数值错误！未找到引用源。与被测信号的频率错误！未找到引用源。有如下关系：

测频法误差：

图1 测频法的示意图

? 直接计数式测周期：

将被测信号作为闸门信号，把频率为错误！未找到引用源。的时基信号输入闸门信号中，计数器对其进行计数，所得的计数值错误！未找到引用源。与被测信号频率错误！未找到引用源。有如下关系：

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。/错误！未找到引用源。

测周期法输入误差：

? 等精度测频率：

测量输入信号的多个（整数个）的周期值，再进行倒数运算求得频率。与直接测量法相比，其优点是：可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。

错误！未找到引用源。fc

三、实现方式对比与选择：

方案一与方案二测量方便快捷。方案三，准确度最高。虽然第三个方案有着测量精

度上的优势，但实现方法比较复杂，做到闸门信号、标准信号和待测信号的同步比较困难，基于我们现在的学科水平，还不能够设计该电路。在方案一和方案二中都不可避免地有错误！未找到引用源。1的误差，其中测频率法在低频段误差远大于高频段, 而测周期法在高频段误差远大于低频段。所以通常对于高频信号, 采用直接测频率法, 对于低频信号, 采用测周期法。本次题目要求测量的频率范围为100HZ~100KHZ（高频），用方案一测量误差更小。

综上所述，最终选择方案一的测量方法。

1.2 整体框图：

被测信号

整个简易数字频率计分为放大整形，计数（包括清零、锁存），译码显示电路，报警电路；其中计数部分还要加入由振荡器产生的经过分频处理的闸门信号，用以控制计数和选择档位。

报警电路 译码显示电路 振荡器 时基电路/分频 放大整形 清零/计数/锁存 闸门电路 1.3 功能划分及原理：

一、放大整形

由于输入的信号可以是正弦波，方波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以在通过整形之前通过放大处理。因为当输入信号电压幅度较小时，就不能驱动后面的整形电路，这时就需要将输入信号进行放大。

二、时基/分频

由石英晶体构成的多谐振荡器产生出40MHZ的稳定频率信号，其振荡频率与RC阻容件无关，只跟石英晶体本身的串联谐振频率有关，而串联谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸决定，所以石英晶振的荡频率十分稳定。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。将来自振荡器的信号进行分频，根据不同的档位，将分频器外接档位开关，产生宽度不同的闸门信号，从而测得不同频率范围下的频率值。

三、清零及锁存

根据待测脉冲和闸门信号，周期性的清零，以便记录新的数据。每次计数结束，计数器将计数结果传输给锁存电路，锁存器将结果保留一点时间，并传输给译码显示电路，使之能够显示出稳定的频率值，到下次计数结束时重新锁存。清零信号与锁存信号都要与待测脉冲和闸门信号密切配合，使得在每一个计数周期内，系统可以完成各项工作稳定读出频率值。闸门信号、清零信号和锁存信号的时序关系如下图所示：

四、译码/显示：

将锁存器中存储的稳定的计数值，传输给七段数码管的驱动芯片，从而驱动七段数码管显示相应的数值。本题目中提供了四个七段数码管，在不同的档位下其对应的数位不同，这要与计数电路与分频电路相配合，选取最优的实现方案。

五、报警电路

本题目中加入了报警电路，这在很多电气设备里都是必要的，当外界的信号不符合要求，为了避免产生不良后果，报警电路会提醒操作人员立即停止操作，进行必要的检验和调整。本实验要求在频率高于Hz时报警器报警。需要在计数电路计数值溢出时发出驱动报警器的信号。在此选用蜂鸣器作为报警器件。

第二章 单元电路设计

2.1 各单元电路设计方案对比及选择

一、振荡器的选择

方案一：石英晶体构成的多谐振荡器

由于石英晶体的品质因数Q值很高，因而具有很好的选频特性，另外它具有一个极为稳定的串联谐振频率fs，而fs只由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，而与电路中的R、C数值无关。

方案二：555定时器构成的多谐振荡器

555定时器只需外接少量R、C元件，就可构成多谐振荡器产生所需脉冲，震荡周期可根据其外接的电阻电容计算，振荡频率f=1.44/{(R1+2R2)C}.

555构成的多谐振荡器

当接通电源Vcc后，电容C1上的初始电压为0，Vo=1，放电管截止，电源通过R1、R2向C充电。Uc上升至2Vcc/3时，RS触发器被复位，使Uo=0，放电管导通，电容C1通过R2到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Vcc/3时，输出又翻回到1状态，放电管截止，电容C1又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩形波信号。

对比与选择：

由于此电路对频率的稳定性和多谐振荡器的精度要求较高，相对于555定时器构成的多谐振荡器电路，石英晶体多谐振荡器产生的频率更稳定精确，故应采用频率稳定性很高的石英晶体振荡器。

二．放大整形电路： 1.放大电路的选择：

由于不清楚被测信号的强弱的情况，所以在通过整形之前通过放大处理。

方案一：共射分压式偏置放大电路，利用晶体管的放大效应。

分压式偏置放大电路原理图

方案二：集成运算放大器：改变外加电阻来调节电压放大倍数。

运算放大器

对比与选择：

方案一采用模拟电子的三极管放大电路，但它的放大倍数只要由晶体管放大倍数决定。这样放大倍数的调节就不太方便；方案二结构简单，电压放大倍数调节简单，只需要调节外接电阻值就可以很方便地调节放大倍数了。故选用集成运算放大器。

2.整形电路地选择：

由于输入的信号可以是正弦波，方波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以要通过整形电路将正弦波转化成矩形波。

方案一：用过零电压比较器：正向端接地（电压为零），反向端的电压大于（小于）零，会输出反向（正向）的最大值，从而实现正弦信号转化为方波信号（输出双向稳压管的稳压值）。

过零电压比较器

方案二：555构成的施密特触发器：当输入电压幅值增大或减小时，电路状态翻转对应不

同的阈值电压，其差值叫做回差电压。由555构成的施密特触发器如果在5脚上加上控制电压，可改变回差电压，提高电路的抗干扰能力。

对比与选择：

过零电压比较器在实际中会产生延迟，形成过渡状态，使得产生的方波不理想。 施密特触发器则避免了这样的问题，若加上了控制电压还可以提高电路的抗干扰能力。故采

用555构成的施密特触发器。

三、清零/计数/锁存控制电路的选择：

产生清零信号和锁存信号，并与计数信号配合，完成整个的计数过程，是本题目的一个难点，怎样选取控制信号，才能使清零/计数/锁存有序进行，换句话说就是要处理好时序问题。

方案一：利用闸门信号本身控制清零/计数/锁存：

本次所采用的计数芯片是74160，它具有异步清零功能，当Rd端为低电压，立即清零。故可以把闸门电压的低电平直接用作清零信号，且在此时段计数器不工作。而在闸门信号处于高电平时，系统处于计数状态，正常计数。当闸门关闭时，电压跳变，可以用作锁存器的锁存信号，把计数器的输出锁存起来，送到译码显示电路。故闸门信号本身具有完成所有功能的可能性。

方案二：由两个单稳态触发器产生清零信号和锁存信号：

以计数闸门的关闭驱动锁存器锁存，在经历一个tw后锁存信号发生跳变，用以产生清零信号，在下一个tw时间内，清零信号异步清零，tw后清零结束，准备好下次计数。 对比与选择：直接用闸门信号控制清零/计数/锁存容易实现，但其过程太过理想，实际中无法实现，且不能抵抗任何干扰，故不采用；而用555振荡器构成的单稳态触发器，可以调节暂稳态时间tw,从而可以有顺序地计数、锁存、清零，准备下次计数。系统运行稳定。故采取单稳态触发器。

四、量程转化电路的选择：

本题目所要求的测频范围较宽，但显示系统只有四位数码管，在测较高频率时将忽略最低

位，只显示高位。故在测量不同频率范围时对精确度的要求不同，要分多个档位，以尽量提高每个档位显示的精确度。根据设计，分为三个测量档位：1Hz~9999Hz,10Hz~99.99KHz,100Hz~999.9KHz;

方案一： 闸门宽度不变，计数系统不变，不同量程通过显示系统的变换而变换；

把闸门宽度定为1S，利用74160级联成量程为1MHz的计数器，每次从个位片向上计数，当出现向10KHz进位时显示系统向高位移一位，再出现向100KHz进位时，再向高位移动一位后显示。该方案要使用到移位寄存器74194，做移位显示用。

档位控制 计数电路 6个74160 74194 74194 译码显示电路 档位控制

方案二：利用分频的不同，产生不同宽度的闸门信号（1s、0.1s、10ms），根据待测信号

的频率范围确定闸门信号的宽度，进行计数。在此种方案中，计数电路与译码显示电路的连接方式不变，待测频率越高，闸门选取越窄，使得每次计数的个数保持的相同的数量级，以此来变换档位。

方案对比与选择：方案一属于自动控制系统，方案二属于手动转换，但方案二的可靠性更高一些，更节约芯片，易于调整。故选用方案二。

2.2 单元电路具体设计

2.2.1 时基及分频电路

多级分频后的波形图

该电路由两部分组成，一部分是由石英晶体多谐振荡器构成的时基电路，由它产生40MHZ的稳定频率；另一部分是由74LS161和74LS290构成的分频电路。石英晶体振荡器产生40MHZ的脉冲，然后经过74LS161进行对信号进行2=8分频、74LS290对信号进行10分频得到占空比为50%的方波信号。 74LS161是同步四位二进制加计数器，有异步清零，同步置数功能；74LS290是异步二—五—十进制计数器，有异步清零、异步置数功能。此处分频为得到占空比为50%的方波，选用5421BCD码十进制计数。分频电路由一个74LS161和七个74LS290组成，经74LS161一次八分频输出5MHZ的频率，通过74LS290继续进行10分频，共经过8级分频，最终得到0.5HZ的信号。其间产生0.5HZ，5HZ，50HZ的时基信号。振荡分频电路接线图如下：

3

时基分频电路接线图

2.2.2 放大整形电路

放大整形电路接线图

放大整形电路的作用是将待测信号整形为可测且统一幅值的脉冲信号，以便于计数器计数。该部分电路使用集成运算放大器对幅值较小的被测信号进行放大，可通过调整电位器来调整放大倍数，经555构成的施密特触发器整形输出和输入信号同频率的脉冲波进行计数。

经放大整形后的波形图

2．2.3 量程转换电路

量程转换电路接线图

该频率计数器计频部分分三个档位：1HZ～9999HZ，10HZ～99.99KHZ，100HZ～999.9HZ。档位选择可用8选1数据选择器74LS151实现，通过手动拨盘控制选择档位。不同的分频信号分别接到数据选择器的数据输入端D1～D6，地址输入端A2A1A0（CBA）用手动开关控制。档位分配：D1～D3为频率测量；D1（001）—1HZ，D2(010)—10HZ，D3（011）—100HZ；D4～D6为周期测量档位。档位显示通过3线-8线译码器74LS138和六个发光二极管实现，通过开关选择合适档位，其对应的二极管发光显示。

当选择1HZ～9999HZ档位时，石英晶体多谐振荡器产生的40MHZ稳定频率信号经一级74LS161的8分频和七级74LS290的10级分频，获得0.5HZ（2s）的脉冲信号，则时基信号为1s,计数电路中四个74LS160计数芯片分别对应个、十、百、千位的计数，通过锁存、译码，最终显示在数码显示管上。当选择10HZ～99.99KHZ档位时，石英晶体多谐振荡器产生的40MHZ稳定频率信号经一级74LS161的8分频和六级74LS290的10级分频，获得5HZ(0.2s)的脉冲信号，则时基信号为0.1s,此时第二个数码显示管后的小数点（用发光二极管）亮起，计数电路中四个74LS160芯片分别对应HZ的十、千、百、万位，即从00.01KHZ读到99.99KHZ。当选择100HZ～999.9KHZ档位时，石英晶体多谐振荡器产生的40MHZ稳定频率信号经一级74LS161的8分频和五级74LS290的10级分频，获得50HZ(0.02s)的脉冲信号，则时基信号为0.01s，此时第三个数码显示管后的小数点（用发光二极管）亮起，四个74LS160芯片分别对应HZ的千、百、万、十万位，即从000.1KHZ读到999.9KHZ。

2.2.4清零/锁存电路：

选用两个单稳态触发器作为清零和锁存芯片：

以闸门信号的下降沿作为触发信号，触发锁存信号，把计数结果存入锁存器，在tw时间后，以锁存信号的下降沿触发清零信号，在tw时间内，完成对计数器的清零，准备好下次的计数。

在分频之后的闸门脉冲，以下降沿触发555构成的单稳态触发器的输入端，形成一个输出信号的tw的平台，同时锁存信号。用锁存信号的下降沿触发清零信号，但单稳态触发器的输出是一个tw的高电平，故要经过非门把高电平转化为低电平，接入所有74290芯片的Rd端，进行清零。

需要注意到的是，要在闸门信号的一个低电平段完成两次单稳态触发器的触发，必须使得闸门脉宽大于tw,应该在输入端接一个RC微分电路，使得输入脉冲变窄之后再接入单稳态触发器。

运用公式：错误！未找到引用源。 计算得：R=100Ω,C=10μＦ;

清零锁存信号发生电路接线图

2.2.5 计数/译码/显示电路

计数译码显示电路接线图

由于74LS160是十进制加数器，计数后，锁存信号从CLK端输入，当锁存信号有上升沿时，锁存器送数，用74LS48实现解码，分别将QDQCQBQA接至译码器74LS48的D、C、B、A端，再将74LS48中的a、b、c、d、e、f、g端接至数码管对应的各端，通过数码显示管显示计数结果。

2.2.6 报警电路

报警电路接线图

当所测信号超过所选档位量程时，报警电路会自动报警。每当四位数码显示管上最高显

示为9999，量程已满，此时千位为9（千位74160片的QDQCQBQA=1001）若第三位再来一个进位脉冲时，则超量程，需报警提示并重新选择合适量程。该报警电路由一个555构成的单稳态振荡器和一个蜂鸣器构成。当QA和QD都保持高电平，百位来一个进位脉冲时，这三个信号通过一个与非门，形成一个占空比很大的脉冲驱动后面的单稳态振荡电路产生延时信号，延时为Tw=1.1RC=1.1*47μF*95.3KΩ=5s，这时输出信号就驱动蜂鸣器报警5s，提示操作切换档位

第三章 系统综述及总体电路图

在此电路设计中，首先用石英晶体多谐振荡器产生40MHZ稳定频率的脉冲信号，经

74161和74290分频分别得到0.5HZ、5HZ、50HZ的时基信号，不同量程档位的选择，外用手动拨盘控制。同时将被测信号通过集成运算放大器和555构成的施密特触发器进行放大整形，整形后的脉冲波形和之前经分频得到的时基信号通过与门送入计数器进行计数。用两个555构成的单稳态触发器分别产生一个锁存信号和一个清零信号，在时基信号的下降沿时触发单稳态触发器产生锁存信号，再用锁存信号的下降沿触发单稳态触发器产生清零信号，为

下次技术做准备。对被测信号进行计数，用74LS175锁存计数结果，74LS48对二进制码解码并输出通过数码显示管显示数字结果。

总体电路接线图

参考文献

【1】 林涛主编 《数字电子技术基础》 清华大学出版社 【2】 林涛 林薇主编 《模拟电子技术基础》 清华大学出版社

【3】 杨欣 王玉凤 刘湘黔主编 《电子设计从零开始》 清华大学出版社 【4】 黄智伟主编 《全国大学生电子设计竞赛技能训练》 清华大学出版社

【5】 从宏涛等主编 《multisim 8 仿真与应用实例开发》 清华大学出版社

元器件明细表

序 号 名 称 非门（一端输入） 型号参数 数量 备注 1 2 3 4 5 74LS04D HC-49/U_40MHz 74LS161N 74LS00N 74LS290N 2 1 1 1 7 选用十进制（5421BCD） 石英晶体 四位二进制计数器 非门（二端输入） 二—五—十进制计数器 6 7 8 9 10 11 3-8译码器 八选一数据选择器 74LS138N 74LS151N SEVEN_SEG_COM 1 1 4 4 4 4 数码管 十进制计数74LS160N 器 寄存器 74LS175N BCD七段译74LS48N 码器 12 13 14 15 16 17 18 19 集成放大器 3354AM 3输入端与74LS10N 非门 发光二极管 LED_RED 拨盘开关 555定时器 2 1 6 1 4 1 1 若干 DSWDK_3 LM555CM 集成运算放3554AM 大器 与门 74LS08N 电阻、电容 20 蜂鸣器 1 附图

一端、二端输入非门：

三端输入与非门： 石英晶体：

集成运算放大器： 74LS161管脚图：

74LS290具有以下功能：

置“9”功能：当R9（1）=R9（2）=1时，不论其他输入端状态如何，计数器输出QDQCQBQA=1001，而（1001）2=（9）10，故又称为异步置数功能。 置“0”功能：当R9（1）和R9（2）不全为1，并且R0（1）=R0（2）=1时，不论其他输入端状态如何，计数器输出QDQCQBQA=0000，故又称为异步清零功能或复位功能。

计数功能：当S9（1）和S9（2）不全为1，并且R0（1）和R0（2）不全为1时，输入计数脉冲CP，计数器开始计数。计数脉冲由CP0输入，从Q0输出时，则构成二进制计数器；计数脉冲由CP1输入，输出为QCQBQA时，则构成五进制计数器；若将QA和CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出为QDQCQBQA时，则构成十进制（8421码）计数器；若将Q3和CP0相连，计数脉冲由CP1输入，输出为QDQCQBQA时，则构成十进制（5421码）计数器。因此，74LS290又称为“二—五—十进制型集成计数器”。

其管脚图如图所示： 74LS160管脚图：

七段译码器74LS48 :

从74161来的信号为十进制数的BCD码，要将其显示在数码管上，需要经过译码，译码所用的芯片是74LS48-BCD七段译码器。

4位集成寄存器74 LSl75:

清零 时钟 输 入 输 出 工作模式 RD CP D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 0 1 1 1 × ↑ 1 0 × × × × 0 0 0 0 异步清零 数码寄存 数据保持 数据保持 D0 D1 D2 D3 × × × × × × × × D0 D1 D2 D3 保 持 保 持 555定时器：

555原理图

555管脚分布图

清零端 低高触发端TH 触发端 × 0 1 × 1 0 Q 放电管T 功 0 0 导通 直接清零 1 1 0 1 1 保持上一状态 导通 截止 置0 置1 1 0 1 0 1 截止 保持上一状态 置1 保持上一状态

收获、体会与存在的问题

收获与体会：

回顾这一周和队友一起忙碌的时光，感觉还是很充实的，在这次简单数字频率计课程设计中我学到了很多课本上学不到的知识，将理论联系于实践，运用课本知识进行电子设计，并初步学会了Multisim软件的使用。

感谢设计期间李三财老师和一位不知名老师的悉心指导和答疑，让我们在遇难时能经老师点拨豁然开朗，获益匪浅，并且少走很多弯路，给设计节省很多时间。

我们在振荡分频电路中，为得到占空比为50%的时基信号，初次选用的是74161和74160芯片进行分频，但分频到最后产生的不是占空比为50%的方波，而是占空比很小的矩形波，为解决这个问题，经查资料讨论，最终选定74161和74290分频。因为74290有5421BCD码的十进制计数功能，可以将信号分频为方波。在量程换挡问题上我们遇到了困难，经几天讨论，由于能力有限，我们决定选用手动控制和译码器设计该部分电路。清零和锁存信号的产生也让我们充分认识到了555定时器的强大功能。

再之，经过我全方位地查资料，找出了问题的所在，这方面提高了我的发现问题和解决问题的能力。在这次的课程设计过程中，我发现耐心是非常重要的，我也艰难地克服我的性子急，容易急躁的缺点，最终完成实现这个设计。

通过数字频率计的设计，检验和总结了我们之前所学的知识，磨练了我们的意志。尽管设计中遇到了很多的问题，但我们依然坚持并乐观面对和解决问题，翻阅大量资料，通过协

同合作，最终完成了设计。但同时也让我们知道了，付出就会有收获，做任何事情还应有一丝不苟、认真的态度！

存在的问题：

由于经验和知识的缺乏，本次设计我们小组存在的问题较多。

我们在量程转换方面仍旧不太完美，自动也可以实现，但因能力及时间均有限，最终还是选择了手动控制。其次，由于电路设计中使用过多元器件，会产生很大的延时，造成测量误差较大，大大降低了数字频率计的精度。

方案设计中我们只考虑了幅度较小信号的测量，可通过放大整形进行脉冲计数，从而得到被测信号的频率，而无法对幅值较大的大信号频率进行测量，因为没有设置衰减档，所以大信号输出时会失真。本考虑加一个衰减档，对大幅值信号进行衰减测量，但如何分辨大、小信号又成了不会解决的问题。

最后在用Multisim软件对电路仿真时，分频电路部分仿真结果出来太慢，未找清原因，想是所用芯片过多，分频速度降低，遗憾的是，整体电路也未能仿真出结果。

评 语

评审人:

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gjep.html