上 海 电 力 学 院

课题名称 数字频率计 课题代码 201

院（系） 电力与自动化工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学号及姓名 时 间

指导教师签名：

教研室主任（系主任）签名：

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任务书

一、 目的

1、了解并掌握电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。 2、通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握

合理选用的原则；进一步掌握电子仪器的正确使用方法。 3、学会使用EDA软件Multisim对电子电路进行仿真设计。 4、初步掌握普通电子电路的安装、布线、调试等基本技能。

5、提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写课程设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。 二、 设计内容、要求及设计方案 1、任务

设计并制作1个数字式频率计。 2、基本要求

1）被测信号为TTL脉冲信号。 2）显示的频率范围为00~99Hz。 3）测量精度为±1 Hz。 4）用LED数码管显示频率数值。 3、扩展部分

1）输入信号为正弦信号、三角波，幅值为l0mV。 2）显示的频率范围为0000~9999Hz。 3）提高测量的精度至0.1Hz。 4、设计方案

频率是指单位时间（1s）内信号振动的次数。从测量的角度看，即单位

时间测得的被测信号的脉冲数。电路的方框图如图1所示。被测信号送入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这些脉冲加到主门的A输入端，门控双稳输出的门控信号加到主门的B输入端。在主门开启时间内，脉冲信号通过主门，进入计数器，则计数器记得的数，就是要测的频率值。

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图1 数字式频率计框图

如果主门的开启时间为Ts，计数器累积的数字为N，则被测的频率为fO＝N/T。 5、可选元器件

锁存器74LS273；计数器74LS90; 定时器555；单稳态触发器74LS123;

显示译码器74LS47；共阳极数码管：电阻、电容若干。 三、 设计进度安排（时间及地点）

第19周：讲授设计方法；学生上机进行仿真设计、答疑；仿真实现设计

课题，演示仿真设计结果，经指导教师认可。领取面包板和元器件。

第20周：安装电子电路，在电子实验室调试，指导教师指导。调试通过

后，演示硬件设计结果，由指导教师验收签字，拍照留档。周五进行答辩，上交课程设计报告。

电自楼指定办公室、电子实验室。 四、 考核形式及成绩评定办法

设计过程中的工作表现、答疑情况；仿真设计结果演示、硬件设计作品演示；答辩。 5级分制。

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一、整体方案设计

频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图1-1所示的算法。图1-2是根据算法构建的方框图。

图1-1 频率测量算法示意图

被测信号

图1-2频率测量算法对应的方框图

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。该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。但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信号为0.5Hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍是1s显然是不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s，则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10. 二、整体方框图及原理

输入电路 闸门 计数电路 闸门产生 显示电路 4

图2-1

输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。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则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。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衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。

频率测量：测量频率的原理框图如图2-1，被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号由555定时器构成一个较稳定的单稳，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。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。

计数显示电路：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。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。

控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图2-2

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图2-2 控制电路波形工作示意图

三、单元电路设计 1、时基电路设计

VCC5VR2430ΩR14VCC5V8VCCRSTDISTHRTRICONGND1OUTU133456710912ABCDENPENTU2QAQBQCQDRCO14131211153456710912ABCDENPENTU3QAQBQCQDRCO141312111510kΩ50%Key=A762R3500Ω5~LOAD~CLRCLK~LOAD~CLRCLKLM555CM74161NC11uFIC=0VC210nFIC=0V74161N 图3-1 时基电路与分频电路

它由两部分组成:

如图3-1所示，第一部分为555定时器组成的振荡器 (即脉冲产生电路),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/((R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R3取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。第二部分为分频电路,主要由74161组成（74161的管脚图，功能表详见附录）。

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如图3-2所示，555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz、10Hz和1Hz的方波。

图3-2 1kHz的方波分频后波形图

2、闸门电路设计

如图3-3所示，通过555定时器来构成单稳形成门控电路。单稳的脉宽为T=1.1RC。为了使门控电路的有效开通时间为1秒，选择电容为C=4.7uF，所以电阻R=193.4?。当由时基电路产生并分频的信号输入闸门电路，则Uc充电，然后放电，这是的输出即使一个一秒宽的波形，如图3-4所示。

VCCVCCU3AJ15VU5193.4kW RSTDISA1VCCOUT6R11kΩ47402N92THRTRI0Key = Space8V212 V R271kΩ10U2B7402NU64.7uF 1CONGND0U40.01uF 0555_VIRTUAL 图3-3 闸门电路

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图3-4

3、控制电路设计

通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。控制电路要产生74161的清零信号，74373的锁存信号。

图3-5 计数锁存显示电路

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计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。ET是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据74373（74373的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，74373不送数。如果不让74373锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。 4、信号放大处理的设计。

图4-1，是放大处理被测信号的电路图。被测信号通过第一个运放放大5倍左右，通过由运放构成的施密特后，波形处理为矩形波，通过二极管与与门后将波形调整为全部大于零。

14715U8761520 V U9V1D10XFG1R310kΩ313U10A1136161N57197432N241205741R440kΩ0420V320 V 74115 图3-6

整体电路图

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VCC147155VV1D1U10AU8761520 V U90XFG1R310kΩ3131136204161N57197432N20V320 V 12057414R440kΩ74115U3U70VCC5VU11AQAQBQCQDRCO14131211153456ABCD7408JVCC5VVCC7ENP10ENT91~LOAD~CLRCLK0VCC3456ABCDQAQBQCQDRCO1413121115U1A74F00D242526277ENP10ENT912~LOAD~CLRCLK182823U12A74LS161D7404N192021222310VCCU3AJ174LS161DU133478131417181D2D3D4D5D6D7D8D1Q22Q53Q64Q95Q12156QVCC7Q168Q19VCCA1VCCRSTDISOUT04U16A5V5VU530kW 1~OC11ENGU1433346R11kΩ7402NU2B92THRTRI1774F04NXSC1GT74LS373N0Key = Space8V212 V 293031353236DCD_HEXU15DCD_HEX71kΩR27402NU650uF 1CONGNDABCD0U40.01uF 0555_VIRTUAL

图3-7

元件清单 元件名称 74161 74373 555定时器 741 二极管 六反相器 四、调试问题分析

1、信号放大整形部分分析：当给的信号是TTL脉冲信号时，如果信号幅值大小

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数量 2片 1片 2片 2片 1个 1个 元件名称 7400 7408 283 数量 1片 1片 两个 电阻10、40、30K? 各一个 电容50、0.01uF 防抖动开关 各一个 一个 合适可以直接加到计数器的CP脉冲端，但是当信号幅值较小，并且信号是正弦波或者三角波的情况下，就必须对信号进行处理，经过放大整形等处理后再作为被测信号输入计数器的CP端。这里通过运算放大电路和施密特触发器组成信号处理电路，在multisim10仿真过程中，刚开始通过函数信号发生器给了电路一个幅值为1v的的正弦信号，发现信号能变成方波，但是方波信号有负值，而实际上要求的脉冲信号只有1和0两种状态，即高电平和低电平，需要把方波信号在0以下的部分处理掉，因此我们又在施密特触发器输出端接了一个或门，还有二极管，很好地利用二极管的单向导电性，让方波信号本身和其通过二极管后的信号一起经过7432或门，这样就把信号变成了符合要求的脉冲信号。 2、计数器部分分析：原来两个161芯片异步连接。具体是：用个位数161芯片通过与非门输出1变成0，下跳沿触发控制十位数161芯片计数，但由于芯片延时等原因，使得此种方法行不通。后改接成两个芯片同步触发，通过个位数计数器的与门控制十位数计数器的使能端，才使得芯片得以正常工作。

3、用555定时器组成的单稳态触发器，刚开始选用连续脉冲作输入信号，但由于脉冲信号的频率与电容充放电时间长短不好确定，最好将输入信号改为单次脉冲。而Multisim10元件库里并没有单次脉冲，只好人为的通过开关来打到高低电平。而手动控制，会带来误差，因此加入了一个防抖动开关，有效避免了人手触动开关时的影响。

4、Multisim10元件库中的555-VIRTUAL，与课本中常用的555芯片管脚功能不同，在连接的过程中多次出错，后一一对应其功能，终于将555定时器加上相关的元器件连接构成了单稳态触发器。

5、单稳态触发器的脉宽，需要调整为1S，来控制计数脉冲的作用时间，这是本电路最重要的一部分。而脉宽Tw=1.1RC，在RC的选择过程中，理论上的数值应用到仿真实验中，得不到理想的脉宽，而在具体做调试的过程中，也有较高的误差，因此我们也根据实际情况对电阻和电容的参数进行了相应的更改。 6、锁存器部分，刚开始忘了接使能端的使能信号，使得锁存器根本没起作用。后加上使能信号，仿真实验选用了DED-HEX作为频率显示器。而在实际实验中，由于DED-HEX数量有限，改用了283芯片，该芯片具有锁存和显示功能，但由于其管脚较多，功能表较为复杂，同时实验台上有类似DED-HEX的显示元件，我们

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最终选用其作为频率显示器。

7、由于仿真时，只用总的开关来控制电路，开关闭合时从0000开始计数，而实验台操作时，在没有没有关闭开关的情况下，给第二次单次脉冲，计数器在第一次的计数结果上累加，因此，我们又改接电路，将单次脉冲通过导线引到了两片161计数器的CR清零端。这样就使得电路在不关总开关的情况下，给多次单个脉冲，电路也能够正常计数，而不是累加。 五、个人部分分析总结 计数器功能分析：在数字频率计中计数器通过一定时间内计数输入的经处理后形成的矩形波，而得到一定时间内经过的脉冲的次数，而单位时间内的次数就是被测波形的频率。

元件选择及电路分析：用两片74161计数器实现计数功能，可实现两位十进制数计数，显示8421BCD码，采用反馈置数端法来实现十进制计数，将两片芯片的置数端置为0000。两片161芯片的

（11）和

（14）经过与非门反馈到置数

端load（9),第一片芯片的（11）和（14）经过与门接到第二片（高位）

VCC161芯片的ENT(10),这样当CP脉冲一个一个到达的时候，只有第一块芯片输出5V为1001（十进制数9）时，等下一个脉冲到达，第二块芯片才使能，状态变为0001，此时第一块芯片状态为0000，计数为10.就这样循环下去，通过低位芯片的输出信号控制高位芯片的使能，使其能实现从1到99连续的计数 其仿真图如下： VCC5V3U3U70VCC5VU11AQAQBQCQDRCO14131211153456VCCABCD7408JVCC5VVCC03456ABCDQAQBQCQDRCO1413121115U1A74F00D242526277ENP10ENT1182829~LOAD~CLRCLK7ENP10ENT912~LOAD~CLRCLKU12A74LS161D7404NV120 Hz 5 V 0VCC5V01920212223074LS161DU133478131417181D2D3D4D5D6D7D8D1Q22Q53Q64Q95Q12156QVCC7Q168Q19U145VU1529323031DCD_HEX1~OC11ENG3335343674LS373NDCD_HEX

经仿真测试能正常计数与进位 在实物连接中有以下问题：

将第二片芯片的预置连接的1001接成了1010. 计数器没有进行清零，在再次进行测试时发生了累加

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使能端忘记进行使能连接。

通过调整 顺利地将计数器调整正确。 六、结论与收获

这次设计课程让我们自己动手，通过小组合作的形式，从设计到仿真到实物连接，再到调试，全部依靠我们自己，发挥自己的创造力，自己动手搜集资料，在这个过程中，小组中的我们不仅学到了知识，对以往学到的知识进行了实际的演练， 也让我们在这种辛勤劳动、合作第一的氛围中变得更加团结。 七、致谢

在整个设计过程中，感谢老师，在我们调试的过程中一直陪着我们，一直到晚上9点多，感谢老师们的指导与帮助。感谢那些对我们电路提出建议的同学，谢谢！ 八、元器件管脚图与功能表

?1?555定时器

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

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?2?74HC04（六反相器）

?3?74LS161

?4?74LS373

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当E端口为“1”时，输出Q1-Q8为高阻态，当E端口为“0”时，输出有效

当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；

?5?741

1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚

?6?74LS00

?7?283

BL：数字灯熄灭及显示状态控制端，在多位数中可用于位扫描显示控制。 RBI：多位数字中无效零值的熄灭控制信号输入端。

RBO多位数字中无效零值的熄灭控制信号输出端，用于控制下位数字的无效零值熄灭。该值为“无效零熄灭”工作状态下输出为 0电平，否则为 1 电平。 DPI：小数点显示及熄灭控制端。

LE：BCD码信息输入控制端,用于控制计数器 BCD码向寄存器传送。

QA、QB、QC、QD为寄存器 BCD码信息输出，可用于整机信息寄存及处理。 V：LED显示管公共负极，可用于微调数码管显示亮度。 VD：电源正极，推荐工作电压为 VD =+5V。

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VS：电源地端。

?8?7408

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?9?7432

九、参考文献

[1]邓海.基于CPLD的防抖动开关电路的设计[J].科技广场,2008,7期 [2]黄秋萍,王汉祥.无抖动开关的研究与设计[J].电子与封装,2010年11期 [3]康华光,邹寿彬,秦臻.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006

[4]康华光,陈大钦,张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006

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