数字频率计的设计-利用Multisim

数 字 逻 辑 课 程 设 计

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频 率 计

数

第 1 章 概 述 ..................................................................................................................................................... 1 1.1 课程设计要求 ...................................................................................................................................................... 1 1.2 原理 ........................................................................................................................................................................ 1 1.3 被测信号与闸门信号对应关系 ....................................................................................................................... 1 1.4 设计完成情况 ...................................................................................................................................................... 1 1.5 主要指标 ............................................................................................................................................................... 2 第 2 章 设 计 ..................................................................................................................................................... 3 2.1 总体设计 ............................................................................................................................................................... 3 2.2 信号输入处理模块 ............................................................................................................................................. 3 2.3 闸门信号产生模块 ............................................................................................................................................. 4 2.4 显示模块 ............................................................................................................................................................... 5 2.5 计数模块 ............................................................................................................................................................... 5 2.6 量程切换方式 ...................................................................................................................................................... 5 2.7 采用手动切换量程的设计 ................................................................................................................................ 6 2.8 采用自动切换量程的设计 ................................................................................................................................ 7 2.9 自动切换量程模块 ............................................................................................................................................. 7 第 3 章 总 结 ..................................................................................................................................................... 9 3.1 器件列表 ............................................................................................................................................................... 9 3.2 不足之处 ............................................................................................................................................................... 9

3.2.1 小数点控制 ................................................................................................................................................ 10 3.2.2 显示模块 .................................................................................................................................................... 10 3.2.3 功能拓展 .................................................................................................................................................... 10 参考文献 ............................................................................................................................................................. 10

第 1 章 概 述

1.1 课程设计要求

设计一个数字频率计，对输入信号计数，显示输入信号的频率。 基本功能：

输入信号为方波，幅度范围0~5V，频率范围10~999Hz，三位数码管显示频率。 深入要求：

1) 输入信号可以为矩形波、三角波、正弦波，幅度范围0~5V；

2) 频率范围10~99kHz；用三位数码管显示最后的频率，单位为Hz和KHz两档，自动切换；

3) 查资料，分析时基对精度的影响。

1.2 原理

数字频率计是采用数字电路制作成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。频率计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。基本原理为通过时基电路产生一个已知长度的信号，将输入信号与这一已知长度信号进行相与对得到的信号进行计数。这一已知长度信号称为闸门信号，通常有1s、 0.1s、0.01s等。

1.3 被测信号与闸门信号对应关系

闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长，则每测一次频率所需的时间间隔就越长。闸门时间越短，测得的频率值刷新就越快，但测得的频率的精度就会受到影响。表 1-1 列出了这种对应关系

表 1-1

闸门信号频率

0.5Hz 5Hz 50Hz 500Hz

闸门时间

1s 0.1s 0.01s 0.001s

测量频率范围 1Hz—9.999kHz 10kHz—99.99kHz 100kHz—999.9kHz 1MHz—9.999MHz

1.4 设计完成情况

本次设计已经实现其基础功能，对于深入功能也做了一定探讨。实现了矩形波、三角波、正弦波等常见波形及幅度范围内周期信号的测量；量程的切换是难点，所以只是

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完整的实现了手动切换量程，自动切换量程部分实现，还存在一些问题需要解决。

与要求不同的是，本设计采用的是4位数码管。

1.5 主要指标

1) 两个档位：10—9999Hz、10kHz—99.99kHz 1) 闸门信号：1s、0.1s

2) 待测信号：矩形波、三角波、正弦波，幅度范围0~5V 3) 供电源：220V 50Hz ~ 4) 测量误差：未进行全部测量

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第 2 章 设 计

2.1 总体设计

总体设计方案如图 2-1所示。共分为四个主要的模块：闸门信号产生模块、信号输入处理模块、计数模块、显示模块。

反馈信号信号输入处理模块被测信号信号放大整形计数器计数脉冲4位LED数码管波形整形分频器量程控制门锁存信号锁存器显示译码器显示模块全波整流220V50Hz计数模块闸门信号产生模块整流稳压5V直流电源

图 2-1 总体设计图

2.2 信号输入处理模块

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，使之成为能被计数器有效识别的信号。放大采用一般的运算放大电路即可，整形可用施密特触发器。

电路图如图 2-2 所示。放大器理论上能够放大20倍输入信号，最大到电源轨±5V，为了防止输入信号电压过大，又加入了稳压管。

仿真时输入信号为三角波，频率为1000Hz，幅值为1V。输出信号为幅值为5V、频率为1000Hz的方波信号。如图 2-3 所示。

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图 2-2 信号输入处理模块

图 2-3 信号输入处理模块仿真结果

2.3 闸门信号产生模块

闸门信号产生模块如图 2-4 所示。结合实际使用，采用220V 50Hz的交流电源作为示波器的供电源。经过降压、全波整形与稳压结构产生周期脉冲信号，再接入分频器与施密触发器产生标准闸门信号。

同时，还可以产生5V直流源作为各个芯片的Vcc，采用了三端稳压集成器件7805，加入电容以过滤交流信号。

仿真结果如图 2-5 所示，输出为5V 0.5Hz方波信号。同时还有5V稳压信号。

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图 2-4 闸门信号产生模块

图 2-5 闸门信号产生模块仿真结果

2.4 显示模块

显示模块的作用是把测得的BCD码表示的十进制数转换成数码管能够直接显示的信号，以获得直观的数字显示。为了显示出所选量程，还应加入量程选择指示灯，高频信号显示时还应加入小数点控制。

利用74LS00与七段数码管连接即可，较为简单，在此不再作电路分析。

2.5 计数模块

计数模块的作用是对输入脉冲进行计数并进行锁存，可采用十进制计数器级联，为了获得稳定的计数显示，需要对测得的数据进行锁存。锁存器采用一般的八位并行输入寄存器，且要采用边沿触发式器件。

2.6 量程切换方式

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切换量程的目的是为了切换不同的闸门信号，从而使得计数器不至于产生溢出影响测量。分为手动切换和自动切换，手动切换需要加入超量程指示器，让使用者明白当前量程不足以完整测得频率，需要切换高一级量程；自动切换需要设计相关的电路，使得计数器发生溢出时能够自动切换到高量程，同时在未溢出时自动切换到低量程，而无需使用者操作。

2.7 采用手动切换量程的设计

手动切换方式逻辑简单，易于实现。因此先行设计手动切换方式。总设计图如图 2-6 所示。

在低量程档（<9999Hz），闸门信号为1s。计数器在闸门信号高电平期间计数，当闸门信号产生下降沿时，经过反相器后使得锁存器恰好产生上升沿锁存计数值，在此之后，清零信号使得计数器得以清零，以便进行下一次计数。

当使用低量程测量>9999Hz的信号时，会使计数器产生溢出，溢出信号经锁存器锁存，超量程指示灯亮起提示使用者切换至高量程。锁存器同时配有清零端。高量程档的闸门信号时间为0.1s，计数时间缩短，最终计得的数目减少，从而使得计数器不产生溢出。

图 2-6 手动切换量程设计总图

主要器件：

1) 四个74LS160D构成计数模块；

2) 两个74LS273DW构成锁存器用于数字稳定显示； 3) 74LS08D充当控制门； 4) S1为量程切换开关；

5) XFG3为10Hz的闸门信号源； 6) XFG2为待测信号源，输出为方波； 7) X1为超量程指示灯； 8) X2为kHz档小数点指示灯；

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9) DCD_HEX为虚拟仪器，是七段数码管； 10) 74LS74D为D触发器，用以锁存溢出信号。

图 2-6 所示为低频信号的仿真结果。图 2-7 所示为输入14kHz测试信号的仿真局部截图。

图 2-7 高量程档测试

2.8 采用自动切换量程的设计

自动切换量程的设计逻辑控制电路难以实现。本次设计只是简单的实现了部分功能。小数点不能自动控制移动，在1kHz—9.999kHz时就会切换到高量程，会伴有异常显示的数字。如图 2-8 所示。

图 2-8 自动切换量程设计总图

2.9 自动切换量程模块

采用加减计数器设计量程控制电路的设计思路是：当超量程信号有效时档位控制计数器加一，档位递增；当欠量程信号有效时档位控制计数器减一，档位递减。本文以单时钟控制的加减计数器74191 为例讨论实现方法，电路设计原理如图2 所示。

在图2 中，OVERFLOW 为测量计数器的超量程信号，高电平有效。考虑到74191

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的加/ 减控制端DNUP 为电平方式，采用D 触发器对超量程信号进行锁存以保证档位控制计数器稳定切换量程。最高位BCD 码计数器的4 位输出D3、C3、B3、A3 经或非门产生测量值最高位的状态信号HIGHEST，当最高位测量值为0 HIGHEST 有效。信号HIGHEST 和显示锁存信号LD 相与形成欠量程信号DOWNFLOW，高电平有效。

当测量计数器溢出时OVERFLOW 信号产生一个正脉冲，触发D 触发器输出1，并经过反相器使74191 加减使能端DNUP 为0（允许加计数操作）。同时，D 触发器输出信号的变化（通过或门）使74191 的计数脉冲端CLK 获得一个上升沿实现增加档位的操作。当下一测量周期采样开始前CR 清零脉冲产生，D 触发器被清零，允许OVERFLOW 信号再次触发。所以，一个测量周期只允许增加一阶档位。

当某个测量周期中采样计数器没有溢出，OVERFLOW 信号无效，D 触发器输出保持0，74191 加减控制端DNUP 为1（允许减计数操作）。若采样结束时测量值的最高位为零，即锁存信号LD 有效时最高位状态信号HIGHEST 也有效，则使欠量程信号DOWNFLOW 为1。DOWNFLOW 信号的变化（通过或门）使74191 的计数脉冲端CLK 获得一个上升沿实现降低档位的操作。

如果在一个测量周期内DOWNFLOW 信号和OVERFLOW 信号都无效，则74191 没有有效的计数脉冲触发沿，量程档位保持不变。

图 2-9 加减计数器切换量程电路

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第 3 章 总 结

3.1 器件列表

本次设计所用器件较多，统计难免有疏漏，下表所示为主要器件。

表 3-1 器件列表

器件名称 变压器 桥式整流器 电阻 电容 LM7805CT 1N4733A 集成运算放大器 施密特触发器 74LS160D 74LS153D 74LS175D 74LS74D 74LS04D 74LS191D 74LS08D 74LS32D 74LS273DW DCD_HEX S1

PROBE_DIG_RED 220V 50Hz源

功能描述 降压

将全波信号转为半波信号 1kΩ、20kΩ 过滤交流信号 三态稳压管 稳压管 放大 波形整形 十进制计数器 多路复用器 D触发器 D锁存器 六反相器 加减计数器 2输入四与门 2输入四或门 八位D锁存器 虚拟仪器，七段数码管 量程切换开关 指示灯 信号源

数量 2 2 多 2 1 2 1 1 6 1 1 1 1 1 1 2 2 4 1 2 1

3.2 不足之处

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3.2.1 小数点控制

手动控制切换量程指示用指示灯来代替小数点，况且小数点在刚切换量程时就已亮起，存在问题；自动控制中并没有想到如何自由控制小数点的移动。 3.2.2 显示模块

显示模块只是简单的用七段数码管显示出了数字，然而并没有完全的利用到数码管的特性，用米字型的数码管是可以拼出Hz与kHz的，限于时间，未做深入探讨。量程的指示效果也不是很理想。 3.2.3 功能拓展

查阅资料可知频率计不仅仅限于测量频率，还可以实现测量脉冲信号宽度等功能。本次设计所做的指只是一点微小的工作。

参考文献

[1] 王革思. 数字电路原理、设计与实践教程[M]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,

2007. 186-193

[2] 沈利芳,李晓丽,屈云豪,张永芳. 频率计量程自动切换的两种实现方法[J].电子测

试，2014(22):33-34

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