一课程设计题目：数字频率计的设计
二、功能要求
（1）主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。
（2）率范围：分四1Hz~999Hz、01kHz~9.99kHz、1kHz~99.9kHz、10~999KHZ
(3)周期范围：1ms~1s。
（4）用3个发光二极管表示单位，分别对应3个高档位。
三频率计设计原理框图
正弦波
数字频率计原理框图
1
测试电路原理：在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s 的闸门信号。
改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。
让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。
测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关。
被测信号
频率测量算法对应的方框图
四、各部分电路及仿真
1 整形电路部分
整形电路的目的是将三角波、正弦波变成方便计数的脉冲信号。
整形电路可以直接用555定时器构成施密特触发。
本次设计采用555定时器，适当连接若干个电阻就可以构成触发器
图1-1 整形电路
将555定时器的THR和TR1两个输入端连在一起作为信号输入端，则可得到
显示电路
闸门产生
输入电路闸门计数电路
施密特触发器，为了提高其稳定性通常要在要在CON端口接入一个0.01uf左右的滤波电容。
但使用555定时器的时候输入的电压应该要大于5V，本次设计直接用信号源来做输入信号，并且信号源的振幅为10V，没有用放大电路将信号放大。
2 时基电路
时基电路时用来控制闸门信号选通的时间，由于本次设计的频率计测试范围是0到999KHz，故时基信号要有1ms 10ms 100ms 1s，基于上述，还需要一个分频器分出不同的频率。
设计过程如下：可用一个多谐振电路产生频率为1KHz的脉冲信号（即T=1ms），然后使用分频器产生10ms 100ms 1s。
多谐振电路可以采用555定时器或者晶体振荡器来完成。
本次设计采用555定时器实现，本次设计的精确度要求比较低，而且555定时器组成的多谐振荡起的最高振荡频率只能最多1MHz，而我们将用555定时器产生1Kz的频率，满足在该范围之内。
分频器采用10分频，可用74LS90或者74LS160。
图2-1555定时器构成的多谐振振荡器
555多谐振振荡器设计参数：设计一个震荡周期为1ms，输出的占空比
2
3 q
12 12
12
12
1
18
12
2
23
(2)ln20.001
10
3ln21
0.0011
48
3ln23100.69
48
R R
q
R R
R R
T R R C s
C nf
R C
R k
C
R R k
-
+
==
+
=
=+=
=
=
===Ω
⨯⨯
==Ω
占空比
周期
图2-2时基分频电路
时基电路的调测
首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1=8.2KΩ ，R2=5.1KΩ，C=0.01μF。
把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为1KHz。
同时输出信号的频率也要稳定。
测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信号。
测出来的信号频率和理论值很接近。
说明电路能正常工作。
3 闸门信号
时基信号分频得的频率虽然是1ms 10ms 100ms 1s，但是它们占空比
2
3
q=，但闸门信号要求的是高电平的持续时间分别是1ms 10ms 100ms 1s，故还需要将它们一个周期的时间变为高电平，可选用4017BD。
图3-1闸门信号电路
图3-1的4017BD的脚引
CP接分频之后周期为1ms 10ms 100ms 1s，图中用信号
源来代替，信号源中的参数设为：占空比
2
3
q ，频率100Hz（对应的周期为10ms）
（注：也可以用1kHz 1Hz 10Hz来测试）。
将其作为闸门选通的信号，跟整形之后的波形用一个与非门连在一块。
如下图
图3-2
图3-34017BD的脚引
CP接分频之后周期为1ms 10ms 100ms 1s，图中依旧暂
时用信号源来代替，信号源中的参数设为：占空比
2
3
q ，频率100Hz，与555定时
器构成的整形电路用与非门连接。
图3-4
4显示译码计数电路
这部分电路省去了锁存器，因为只有在高电平才计数，那么高电平一过，就不计数，也就是相当于锁存，直到下一个高电平在重新清零和计数。
计数器用3个74LS90来连接，译码器用4511BD，采用共阴驱动八段数码管显示器。
电路图如下
图4-1显示译码计数电路
图4-1中用了一个矩形脉冲信号来测试一下显示译码计数电路的正确性。
如果能显示计数，则电路正确，否则，还需修改。
其中74LS90的R0和R1脚引是用来清零信号的。
5逻辑控制电路
逻辑控制电路是整个电路图中比较关键的部分，用来控制清零信号的。
用4017BD后接入个RC延迟电路作为控制电路。
电路图如下
图5-1控制电路设计方案
图5-1中，4017BD脚引
CP接分频之后周期为1ms 10ms 100ms 1s，图中依
旧暂时用信号源来代替，信号源中的参数设为：占空比
2
3
q ，频率100Hz。
6 手动换挡电路及量程显示电路
图6-1手挡换挡及量程显示电路下面用表格说明其工作原理：
开关J1
74LS138
A B C端口
74LS138
Y0 Y1 Y2
74LS151
A B C
74LS151
输出Y
J1三个按钮都不打上0 0 0 0 1 1 1 0 0 Y=
4
D
J1只打第一
个按钮
1 0 0 1 0 1 0 1 0 Y=2D J1只打第二
个按钮
0 1 0 1 0 1 0 0 1 Y=1D J1只打第三
个按钮
001 111 000 Y=0D
故，当J1开关不打的时候，设为0档，此时LED灯不亮，将74LS151的脚引D接分频之后周期T=1s的时基信号，此时测量的范围为1Hz~999Hz ，可以用灯4
不亮来指示量程
当J1开关打第一个按钮的时候，设为1档，此时LED1灯亮，将74LS151 D接分频之后周期T=100ms的时基信号，此时测量的范围为1kHz~9.99kHz，可的脚引
2
用LED1指示量程。
当J1开关打第二个按钮的时候，设为2档，此时LED2灯亮，将74LS151 D接分频之后周期T=10ms的时基信号，此时测量的范围为10kHz~99.9kHz，可的脚引
1
用LED2指示量程.
当J1开关打第三个按钮的时候，设为3档，此时LED3灯亮，将74LS151 D接分频之后周期T=1ms的时基信号，此时测量的范围为100kHz~999KHz，可的脚引
用LED3指示量程。
7总的电路图
如下图所示
8电路存在的问题以及改进
电路中缺少了一个量程溢出的报警电路，缺少了这个电路会导致严重的后果，没有报警电路就不知道什么时候该手动换挡
初步的改进方法：当有溢出的时候，则第三个计数器的Qd端会从1到0跳变，可以考虑加上一个边沿触发器。
五、整机原件清单
六心得体会
在设计计数器电路时，我首先复习了以前学过的知识，然后用学过的知识对电路进行分析，在经过多次推算之后，最后终于把电路设计出来了。
在设计过程中也遇到很多问题，在和同学和老师讨论之后，顺利解决了遇到的问题，同时也巩固了以前学过的知识，在这次电子设计中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时；也是必不可少的。
这次电子设计加强了我们动手、思考核解决问题的能力。
七参考文献
1.张顺兴. 数字电路与系统设计. 第1版. 南京：东南大学出版社，2004
2.邹其洪. 电工电子实验与计算机仿真. 第1版. 北京：电子工业出版社，200
3.9
3.王玉秀. 电工电子基础实验. 第1版. 南京：东南大学出版社，2006
4.孙肖子. 模拟电子技术基础. 第1版. 西安：西安电子科技大学出版社，2001.1。