数字频率计设计与仿真1 引言在现代电子技术中，频率是基本的参数之一，并与许多电子参量的测量方案和测量结果有密切的关系。

因此我们对于频率的认识显得就更为重要。

频率的测量方法有很多，其中数字频率计具有测量精度高、使用方便和测量迅速等优势，是目前测量频率的主要手段。

Multisim 是以Windows 为基础的一种仿真工具，适合用于数字电路或者模拟电路的设计工作。

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图1-1 频率计方框图数字频率计是一种最基本的测量仪器，是通信设备、计算机应用、音频视频设备等等科研生产领域里不测或缺的测量设备之一，是一种用十进制数字显示被测信号的频率的数字的测量仪器，迄今为止已经有几十年的发展历史，频率计的基本功能是用来测量三角波信号、正弦波信号及方波信号等单位时间内变化的物理量。

因而其实际运用范围是很广泛的。

在早期，人们对于数字频率计的研究主要表现在扩大测量范围和提高精确度，而这些技术现在已日却成熟，现在人们对数字频率计又提出很多新的要求，例如价格低，操作方便，高精度，高稳定度甚至还包括数据处理和分析功能。

较老的频率计是输主门 十进制计数器显示器主门触发器 十进制计数器时基振荡器 输入放大器多芯片同步十进制技术，新型频率计要求芯片的数量要少，这样器件越少的话对于频率计的技术就会更准确，误差也会越小。

一个基本的频率计的方框图如图1-1所示。

而本课题涉及的主要内容是对输入信号的整形，闸门电路控制输入信号，以及对脉冲的计数，锁存和译码，通过该项设计可以将数字电路和模拟电路的理论知识运用到实际的设计中去，具有方便快捷，容易测量等特点。

2 选择测量方式信号频率指的是信号在单位时间内周期信号变化的次数，其表达式可写为f=N/T ，其中f 指被测信号的频率，N 为信号所累计的脉冲的个数，T 是产生N 个脉冲所需要的时间参数。

该表达式其所记录的结果就是被测信号的频率。

如在1s 的时间内记录了100个脉冲，则该被测信号的频率就是100HZ 。

对于频率的测量方法大体可以分为两种：一种是直接测频法，就是在一定的测量时间内测量被测信号的脉冲个数，因此又可称为计数法。

该方法是将被测信号经过脉冲形成电路以后加到闸门电路的一个输入端，只有在闸门被开通的T 秒时间内，被测信号的脉冲才被送到十进制计数器里进行计数。

如果在闸门打开的时间为T ，计数器在T 的时间内得到的计数数值为N 1，则被测信号的频率f= N 1/T ，如图2-1所示就是直接测频法的测量原理。

图 2-1 直接测频法测量原理对于直接测频法，信号的频率越高，误差就越小；而信号的频率越低，测量误差反而越大。

所以直接测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。

被测信号 计数值N 1标准闸门 T另一种是间接测频法，例如周期测频法。

周期测量法是把被测信号用来控制闸门的开闭，将标准时基脉冲信号通过闸门电路加到计数器上，闸门电路在外来信号的一个周期内被打开，则计数器所得到的计数数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后再求周期值的倒数，这样就可以得到所测信号频率值了。

首先将被测的信号通过二分频后，得到一个高电平时间内是一个信号周期为T 的方波信号；然后用另一个周期T 1的高频方波信号来作为计数脉冲信号，在一个信号周期为T 的时间内对周期为T 1信号进行计数，如图2-2所示为间接测频法的测量原理图。

图2-2 间接测频法的测量原理如果在T 时间内的计数值为N 2,可以得到：T 2=N 2*T 1 ，f 2=1/T 2=1/(N 2*T 1)=f 1/N 2由上述表达式可知：N 2绝对误差是N 2=N+1，N 2相对误差是δN2=(N 2-N)/N=1/N ，T 2相对误差是δT2=(T 2-T)/T=(N 2*T 1-T)/T=f/f 1。

由T 2的相对误差可知，周期测量误差是与信号频率成正比的，但是却与高频的标准计数信号频率成反比例。

当f 1是常数时，被测的信号频率越低误差越小，测量精度也就可以越高。

本章小结：通过对上述频率测量的两种原理和方法的比较可以很明确的看出来周期测量法适合对频率较低信号的测量，而计数法则适合于对频率较高信号的测量，选择测量方法不仅要考虑此因素，还要考虑测量时候的实现难易程度，因为用周期测量法所得到数据还需要通过f=1/T 求倒运算才可以得出信号的频率，而求倒数运算很难用中小规模数字集成电路来实现，因此周期测量法不适合本实验。

而计数法所得到的测量数据，被测信号信号二分频 高频信号T在闸门时间为一秒的时间内不需要进行任何换算，数码管所显示的数字就是被测信号的频率。

所以，本设计采用计数法测量，即直接测频法。

3 设计原理及整体电路分析直接测频法的设计原理框图如图3-1所示。

图3-1 设计原理框图首先有个被测信号fx ，但此信号可以是任意形状，例如正选波，三角波和各种不规则的波行，然后就必须把这个波变成规则的矩形脉冲波，这时侯需要一个整形电路，经过整形电路后就会形成与被测信号同频率的矩形脉冲，再将脉冲送入闸门电路。

555振荡器由555定时器构成的，其作用是产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间，作为计数器的时钟信号，计数器开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。

闸门电路是由一个与非门组成，在闸门电路开通的情况下，开始计被测信号中有多少个上升沿，当计数完后，此时数码管显示计数完成后的数字。

锁存器作用是把计数器在1s 结束时的计数值进行锁存，从而使显示器上获得稳定的测量值，因为计数器在1秒时间内要完成很多输入脉冲，如果不加锁存器，显示器上的值会随输入的变化而变化，不便于读数。

控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号，如下图3-2所示 整形电路 脉冲形成 闸门电路 计数电路锁存电路控制电路 时基电路 555振荡器 BCD 码七段显示被测信号图3-2 控制电路示意图本章小结：在设计电路时，自己认为最重要的部分应该是时基电路和整形电路，整形电路是为了得到同频率的标准矩形方波，而时基电路是为了产生标准的时基信号，只有这两部分设计仿真成功，电路设计就完成了一半，这都整个电路仿真是否起着决定的作用4单元电路设计4.1 脉冲形成电路脉冲形成电路是由信号发生器和整形电路组成的，当输入一个信号是正弦波或是三角波或其他周期变化的波形，先经过一个由二极管组成的双向限幅器，再经过由555组成的施密特触发器进行整形，最后得到标准的矩形脉冲信号。

电路图如图4-1所示。

施密特触发器限幅器图4-1 脉冲形成电路限幅器起一个滤波作用。

只有当输入信号在一定范围内时才能完全通过限幅器，这时输出电压才会随着输入电压变化而变化。

而当输入信号超过这一范围时，输出电压或保持不变或二极管截止。

555定时器构成施密特触发器的电路图如图4-2所示,波形图如图4-3所示。

图4-2 555定时器构成施密特触发器图4-3 构成施密特触发器输入输出波形图4-2中，V CO(5)端接10nF，起滤波作用，以提高电压的稳定性，清0端4接高电平V CC,将两个比较器输入端6和2连在一起，作为施密特触发器的输入端。

其工作波形如图4-3所示。

当Ui＜1/3Vcc时，输出V o为高电平。

当1/3Vcc＜Vi＜2/3Vcc,状态保持不变。

当Vi≥2/3Vcc时，输出V o=V Ol,状态发生一次翻转。

Vi由最大值逐步下降，当Vi下降至Vi≤1/3Vcc时，使输出V o= V oH，状态又发生一次翻转。

由此可见该电路上限触发电平为V t+=2/3Vcc，下限触发电平为V t-=1/3Vcc。

4.2 时基电路时基电路是由555定时器构成的多谢振荡器，如图4-4所示，工作波形如图4-5所示，它的功能是产生标准的一秒脉冲。

图中V CC (8)和RST(4)接高电平，CON(5)接10nF 的电容，起滤波作用，将THR(6)和TRI(2)连在一起，作为输入信号的Ui输入端，三极管T D输出端DIS(7)通过通过电阻R6(10.7KΩ)接到电源V CC。

电路接通电源时，由于555定时器内部电容C还未充电，V CC通过555定时器电阻(R1+R2)对电容C充电，电路进入暂稳态。

在暂稳态期间，随着电容C的充电，V CON的电位不断升高，当V CON≥2/3Vcc时，这时电路输出V0翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。

在此同时，555定时器内部的三极管T D导通，电容C放电，电路进入另一暂稳态。

然而随着电容C的继续放电，V CON的电位逐渐下降，当下降到V CON≤1/3Vcc时，电路又一次发生自动翻转。

此后，如此反复，形成多谐振荡。

电路充电时，得到的暂稳态持续时间为t1 = 0.7(R6+R7)C3电容放电时，得到的暂稳态持续时间为t2 = 0.7 R7C3从而得到，电路输出矩形脉冲的周期为T = t1+t2 = 0.7(R6+2R7)C3图4-4 时基电路图4-5 工作波形4.3 闸门电路闸门电路是由一个与非门组成，如下图4-6闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲，标准时间信号一秒脉冲到来时，闸门开通，这时，脉冲形成电路的被测信号脉冲通过闸门进入计数器，从而计数；当标准时间脉冲结束时，闸门关闭，这时被测信号无法通过闸门，也就无法计数。

图4-6 闸门电路4.4 计数器计数器采用74LS90异步计数器，当一秒脉冲到来时，闸门开通，被测信号通过闸门计数器计数，标准时间脉冲结束时闸门关闭，如图4-7为74LS90引脚图。

图4-7 74LS90引脚图之所以采用74LS90计数器，是因为它有很多好处，其一74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，功能表如表4-1所示。

它可以灵活的构成8421BCD和5421BCD 码计数器，分别是Q A接B，Q D接A。

表4-1 74LS90功能表复位输入输出R1 R2 S1 S2 Q D Q C Q B Q AH H L X L L L LH H X L L L L LX X H H H L L HX L X L 计数L X L X 计数L X X L 计数X L L X 计数表中H为高电平、L为低电平、×为不定状态。

其二74LS90计数器设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。

其三74LS90计数器多种分频方式，即五分频，十分频，六分频，九分频，其中，十分频中又有8421码十分频和5421码十分频。

4.5 锁存器本课题锁存器的作用是将计数器在一秒结束时的计数值进行锁存，使在显示器上获得稳定的数值。

选用8D锁存器74LS273可以完成上述锁存器，要想完成锁存功能必须使清除端保持高电平，引脚图如4-8所示其中1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，11脚CLK为锁存控制端。