数字电路课程设计说明书-数字频率计.docx

摘要

数字频率计主要由五部分电路组成：放大整形电路部分，由555定时器构成单稳态触发器构成的时基和闸门电路，计数电路部分、锁存电路部分以及译码显示电路部分。被测信号经过整形送入计数器时钟脉冲端，当门控信号到来后，闸门电路开启，计数器实现计数功能，一定时间后计数停止，锁存使能端置零，计数结果被锁存，通过数码管显示被测信号频率。

关键字：频率计；定时；计数；锁存；译码

目录

TOC\o1-3\h\z\u摘要 1

目录 2

一、任务设计和要求 3

1.1 设计任务 3

1.2 设计要求 3

二、系统设计 3

2.1系统要求 3

2.2方案设计 3

2.3系统工作原理 4

三、单元电路设计 4

3.1放大整形电路 4

3.2时基和闸门电路 5

3.3计数电路 6

3.4锁存电路 8

3.5译码和显示电路 9

四、电路仿真 10

五、结论 10

六、参考文献 10

七、总结 10

一、任务设计和要求

设计任务

设计一款数字频率计。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。其基本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号以及其他信号的频率

设计要求

能够对输入信号进行放大整形，输入电压幅度为5mV-5V，测量时间小于1.5s。

输入波形信号包括：正弦波、锯齿波、三角波、矩形波等周期信号。

计算输入信号频率并锁存，频率范围为1-9999Hz。

显示测的频率，用4位数字显示。

二、系统设计

2.1系统要求

输入信号到达系统时，先对信号进行放大并保证在低于4V，确保后续模块能够检测到该频率；同时，时基和闸门电路释放一段持续一定时间（1s）的高电平送入计数模块，计数器在这段时间内计算输入信号的频率，将结果传入锁存模块，在等待时基信号的下降沿触发后，将内容传入译码器再经由数字显示器显示频率。当单位时间内，频率超过最大量程（9999Hz）后触发报警系统。

2.2方案设计

系统采用由时基和锁存电路、放大整形电路、计数电路、和数码显示电路四部分组成。时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），经过非反向放大器与555构成的施密特整形电路放大整形，由四片74LS160十进制和两片74LS374锁存器将所测得频率传给四片7448译码器，最后通过数码管显示出来。当频率超过最大量程时触发报警系统。此外，当四片74LS160的CLR端置0时，时基和锁存电路的信号可以是系统计数清零。

设计方案框图如图2-1所示：

图2-1设计方案框图

需要的主要电路元件如下表所示：

表2-1设计主要所需元器件

编号

元器件名称

个数

编号

元器件名称

个数

1

91.3MΩ电阻

1

8

74LS04

1

2

20kΩ电阻

1

9

74LS160

4

3

100kΩ电阻

1

10

74LS374

2

4

100Ω电阻

1

11

7448

4

5

10nF电容

2

12

七段共阳极显示器

4

6

555定时器

1

13

交互按钮式DPST开关

1

7

施密特触发器

1

14

探查灯泡

1

2.3系统工作原理

频率即单位时间（1s）内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为：f=N/T。

图中放大整形电路的作用是将被测信号转换为方波脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率。时基信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确的等于1s，在时基脉冲的上升沿到来时闸门开启，计数器开始计数；在同一脉冲的下降沿到来时，闸门关闭，计数器停止计数。

当计数达到最大量程，代表最高位的元件将向报警器发送一个进位信号表示超出量程。同时计数器将计数结果输送到锁存器，将结果锁存，并把所存结果输送到译码器来控制七段显示器，这样，可以将被测信号的频率以数字的方式显示在数码管上。

如果将计数器的CLR端置于低电平，当时基电路向计数电路发送脉冲信号时，计数器将归零，为下一次测量做准备，实现可重复使用。

三、单元电路设计

3.1放大整形电路

3.1.1电路结构及工作原理

XFG1为Multisim软件自带的波形发生器，能产生不同频率，占空比可调的三角波、正弦波和方波，所产生信号可代替被测外界周期信号，方便进行仿真。

非反向放大器运算放大器、R1和R2组成，可以将输入信号放大R2/R1倍，确保输入信号能够被后续电路观测到。

74HC14的核心部分为施密特电路，施密特触发器有两种不同电压的阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压，在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压；在输入信号