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近代无线电实验报告
08300720047 张仕宇
自动量程数字频率计
实验要求
一、任 务
设计制作一个自动量程数字频率计。
二、要 求
1. 显示位数:四位,最大显示数为 9999。
闸门时间:分 10ms、 100ms、 1s 三种,根据被测频率 F 的大小自动切换。
测量量程:
第一档: 100Hz~ 999.9kHz (闸门时间为 10ms)
第二档: 10Hz~99.99kHz (闸门时间为 100ms)
第三档: 1Hz~ 9.999kHz (闸门时间为 1s)。
要求具有小数点指示的闸门切换。
自动量程要求:
当计数器数值大于 9999 时(溢出),量程自动升高一档,当计数值小于 0800 时,量程
自动降低一档。
输入被测信号: 10Hz~ 1MHz方波或正弦波,幅度为 3mV~ 3V(有效值)。
显示器件:采用七段数码管。
实验报告
近代无线电实验报告
08300720047 张仕宇
一、前言
频率和周期是电信号在时域内重要的特征。 测量信号的频率和周期也是认识一个信号的
重要手段。 以测频和测周期原理实现的频率计的设计方案很多。 传统的设计中多使用分立元
件, 这种方案成本低,并且具有一定的可靠性。本实验报告介绍了使用分立元件设计自动量程数字频率计的具体实现原理和方案,并给出了实验结果和误差分析。
二、设计原理和方案
直接测频法原理
频率测量可采用直接测频方法, 先对输入信号整形, 变换为数字信号的电平, 然后对其
进行测量。测量时,采用一个脉宽为 T 的闸门信号控制被测信号作为计数器的输入如图 1 所示,计数值为 n,则被测信号频率为:
F = n/T
若采用 T 为单位时间,则可直接将计数结果转换为 BCD 码并显示。
图 1 直接测频法
在被测信号频率较高时通常采用直接测频法, 这种方法的计数值会产生± 1 个字的误差。
很明显,被测信号频率一定时,采用闸门时间 T 越大,相应的误差越小。当闸门时间与被
测信号的周期比值较大时,这种方法有较好的效果。
2.自动换档技术
当被测信号的频率范围变化较大时, 若采用单一门限时间的闸门信号, 对于高频被测信
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08300720047 张仕宇
号,得到计数值 n 过大,会造成计数器溢出,并且测量时间过长;对于低频被测信号,得到
计数值 n 过小,会造成较大误差。为了解决这一矛盾,可采用自动换档技术,根据被测信号
频率 f 的大小自动切换闸门时间。例如,本实验要求分三档测量量程:
第一档: 100Hz~ 999.9kHz
(闸门时间为
10ms);
第二档: 10Hz~99.99kHz
(闸门时间为
100ms);
第三档: 1Hz~ 9.999kHz
(闸门时间为
1s)。
由于三档闸门时间均可以当做是单位时间,
实际设计时可直接将计数器的计数值输出到
数码管显示,只需要根据当前所使用的闸门时间档位改变小数点的位置即可。
3.量程转换预定值设定
量程转换的预定值设置不当,频率计将不能稳定地工作。例如采用读数大于 9999 为升
量程,而小于 0999 为降量程,当频率的读数正好为 1000 时,由于测量有一个字的原理误差,
量程将在相邻的两个量程之间跳动而不能最终稳定。 为了保证闸门时间能最终稳定, 升量程
与降量程的读数之比应稍大于十比一,因此通常采用读数大于 9999 时为升量程,而读数小
于 0800 时为降量程。
采用这样的量程转换预定值对于电路设计也是十分便利的,根据
BCD
计数器的特性,
在闸门时间计数过程中,如果第
4 位计数器(最高位)的输出
Q4D
出现下降沿,则意味着
计数器已溢出(即计数值大于
9999 ),启动升量程机制;如果在计数过程中第
3 位计数器的
输出
Q3D
未出现过上升沿,则意味着计数值小于
0800,启动降量程机制。
4.设计方案框图
简单数字频率计的原理框图如图 2 所示。
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被测信号
放大整形
计数模块
锁存译码
数码管
主闸门
电路
清零信号
锁存信号
闸门
信号
清零电路
锁存电路
晶体振荡器
分频电路
自动量程
控制电路
图 2 自动量程频率计原理框图
三、硬件电路设计
本实验电路主要由以下 5 个模块构成: 晶振分频模块、 锁存清零模块、 自动量程控制模
块、计数显示模块和放大整形模块。下面对每个模块进行详细说明。
1、晶体振荡器和分频电路
采用器件: 10M 晶振、 74LS04 、74LS390
( 1)晶体振荡器电路图如图 3 所示,它能产生 10MHz 的方波信号。
图 3 10MHz 晶体振荡器
( 2)分频电路如图 4 所示,通过 74LS390 级联,对 10MH
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