《数字频率计》技术报告
一、问题的提出
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。

频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速地跟踪捕捉到被测信号频率的变化。

而频率计则能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化。

在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在生产测试中。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。

数字频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种物理量的变化频率进行测量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以由有关传感器先转变成周期变化的信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出来。

二、解决技术问题及指标要求
1、技术指标
被测信号：正弦波、方波或其他连续信号；
采样时间：1秒（0.1秒、10秒）；
显示时间：1秒（2秒、3秒．．．．．．）；
LED显示；
灵敏度：100mV；
测量误差：±1H z。

数字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。

其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。

一般T=1s，所以应要求定时器尽量输出为1s的稳定脉冲。

2、设计要求
可靠性：系统准确可靠。

稳定性：灵敏度不受环境影响。

经济性：成本低。

重复性：尽量减少电路的调试点。

低功耗：功率小，持续时间长。

三、方案可行性分析（方案结构框图）
1、原理框图
宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。

因此数字频率计在测量物理量方面应用广泛。

数字四、具体电路原理介绍
本实验主要由555时基电路、计数显示电路、控制电路和电源电路等组成。

555时基电路提供1s 的脉冲输出，用该1s 的脉冲触发控制电路产生一定宽度的闸门信号，当闸门开通时，被测信号进入闸门，作为计数器的时钟信号，计数器
开始计数，1s 结束后闸门关闭，停止计数并且保持计数N ，之后清零，开始下一周期的计数。

则可得被测信号的频率f=N Hz 。

逻辑控制电路的一个重要作用是在每次采样后还要封锁主控门和时基信号输入，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据，然后再清零，重复下一次采样。

这样就达到了测量频率的目的。

总的波形原理如下图：
根据数字频率计的基本原理，本文设计方案的基本思想是分为五个模块来实现其功能，即整个数字频率计系统分为电源模块、标准信号产生模块、门控模块、信号接收模块和译码模块，并且利用4013,4518，40106,555等芯片，实现了闸门控制信号、计数电路、显示电路等功能。

1、电源模块
如下图所示，本实验的电源电路采用单项桥式整流，电容滤波，最后经过滤波器输出稳定的直流电压。

输入为220v 的交流电，输出为9v 的直流电压，用于向整个电路提供电源和高电平。

定时脉冲
门控 被测信号
计数 保持 清零
2、标准信号产生模块
555时基电路：本实验采用555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器。

由电容C 进行充放电。

经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。

由于接入了二极管D5和D6，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径。

放电经过的电阻值可由滑动变阻器调节。

变阻器调节占空比的同时，也调节了脉冲输出的周期。

调节电位器，使最后由5引脚输出大约周期为1s 的单脉冲
3、门控模块
门控信号产生电路：主要用来控制主控门的开启和关闭，还有整机逻辑关系。

本实验的控制电路主要由4013双D 触发器、4518计数器、4081与门、40106施密特触发器组成。

具体工作过程如下：
电源电路
220V 9V
由定时器发出的第一个脉冲，输入到计数器4518的使能端，使得Q1=0,Q0=1，Q1和Q0连接的与门D 和B 输出仍为0；而脉冲输入的另一个与门A 输出变为1，启动双D 触发器4013，使4013的输出Q 为1，随之采样信号的闸门打开，被测信号进入计数器。

触发器B 的S 端变为1，则Q =0，4081的与门A 的输出变为0，脉冲信号停止进入D 触发器A 。

当第二个脉冲到来时，Q1=1，Q0=0，此时与门B 仍为0，而与门D 变为1，所以双D 触发器A 的复位端置1，Q 变为0，所以闸门关闭，停止采样。

此时计数停止，保持锁定。

同时，双D 触发器B 的S 端输入也为0，所以输出Q =0，4081的与门A 仍为0，脉冲信号也不能进入D 触发器A 。

当第三个脉冲到来，Q1=1，Q0=1，D 触发器A 仍为复位状态，而此时与门B 输出变为1，D 触发器的复位端R=1，Q =1，则使得与门A 打开，同时使得计数器的清零端置位，计数器清零。

当与门B 输出为1时，经过两个施密特触发器，使得4518的复位端置位，使得Q1和Q0很快清零，所以Q1=Q0=1的状态只能维持很短的时间，很快就回到初始状态。

总之，三个脉冲的工作状态依次是计数，锁存和清零，所以该电路是以三
定时脉冲
4518Q0端输出 4518Q1端输出
计数 保持 清零
个脉冲为一个周期，循环工作的。

4、信号接收模块
被测信号是高电平时，与门输出与被测信号相同的波形；当被测信号
是低电平时，与门关闭，输出为低电平。

计数器在门控信号为高电平期间计数高电平的数目，即在标准时间内，被测信号通过周期信号的数量，该数量除以标准时间，就是被测信号的频率。

计数完成后，此时会有信号控制数码管清零，并进入下一周期计数，实时更新被测信号的频率。

5、译码模块
在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。

技术的时候数码管显示连续累加的数字。

当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。

然后将数码管清零。

为了提高计数速度，可采用同步计数器。

其特点是计数脉冲作为时钟信号同时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，在每次时钟脉冲沿到来之前，根据当前计数器状态，利用逻辑控制电路，准备好适当的条件。

当计数脉冲沿到来时，所有应反转的触发器同时反转，同时也使所有应保持原状的触发器不改变状态。

本实验采用的计数器是CD4518。

计数器将输出结果传给译码器，译码器将译码结果显示在数码管上。

本实验采用的是CD4511。

它是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，其特点是：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。

五、验证过程中出现的问题及解决办法
问题一：555时钟信号发生端没有信号输出
解决方法：经检查，555的引脚2和6没有接在一起，无法实现电位器改变接入阻值的功能。

把它们用线接到一起。

问题二：各个器件的电源不能正常工作
解决方法：检查发现，每个器件左上默认接入电源，右下默认接地的引脚没有正常连接，分别与电源和地相连。

并且把电源输出焊接牢固。

问题三：第一次焊好时，LED灯亮了，后来在13、14引脚由一电阻接入地后，没有了显示。

解决方法：与拿来是接入的电阻太大，流过LED的电流过小。

改接一个500欧的电阻。

问题四：LED显示后，没有进位
解决方法：把IC5:B的EN引脚和IC5:A的Q3引脚接在一起。

EN引脚是第二片IC5的使能端。

问题五：IC1:A的引脚Q1有正确输出，但是Q0没有
解决方法：原来每个器件有自己的电源。

再单独给IC1:A接入电源后，正常输出。