《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22021002186 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～100KHZ2.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～999.9KHZ2.测量频率分为3档1HZ～9999HZ，10HZ～99.99KHZ，100HZ～999.9KHZ3.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：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。

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。

被测信号放大整形 清零/计数/锁存 译码显示电路 时基电路/分频 闸门电路振荡器 报警电路三、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 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。