数字频率计_百度知道
数字频率计
1，用数字电路设计一个简易数字频率计
2，可测正弦波，方波至少两种波形测量范围1HZ~10KHZ
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简易频率计一、设计任务与要求1．设计制作一个简易频率测量电路，实现数码显示。2．测量范围：10Hz~99.99KHz 3．测量精度： 10Hz。4. 输入信号幅值：20mV~5V。5. 显示方式：4位LED数码。二、方案设计与论证频率计是用来测量正弦信号、矩形信号、三角形信号等波形工作频率的仪器，根据频率的概念是单位时间里脉冲的个数，要测被测波形的频率，则须测被测波形中1S里有多少个脉冲，所以，如果用一个定时时间1S控制一个闸门电路，在时间1S内闸门打开，让被测信号通过而进入计数译码器电路，即可得到被测信号的频率fx。任务要求分析：频率计的测量范围要求为10Hz~99.99KHz，且精度为10Hz，所以有用4片10进制的计数器构成1000进制对输入的被测脉冲进行计数；要求输入信号的幅值为20mV~5V，所以要经过衰减与放大电路进行检查被测脉冲的幅值；由于被测的波形是各种不同的波，而后面的闸门或计数电路要求被测的信号必须是矩形波，所以还需要波形整形电路；频率计的输出显示要经过锁存器进行稳定再通过4位LED数码管进行显示。经过上述分析，频率计电路设计的各个模块如下图：方案一：根据上述分析，频率计定时时间1s可以通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1000Hz的脉冲，再进行分频成1Hz即周期为1s的脉冲，再通过T触发器把脉冲正常高电平为1s；放大整形电路通过与非门、非门和二极管组成；闸门电路用一个与门，只有在定时脉冲为高电平时输入信号才能通过与门进入计数电路计数；计数电路可以通过5个十进制的计数器组成，计数器再将计的脉冲个数通过锁存器进行稳定最后通过4个LED数码显像管显示出来。方案二：频率计定时时间1s可以直接通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1Hz的脉冲，再通过T触发器把脉冲正常高电平为1s；放大整形电路可以直接用一个具有放大功能的施密特触发器对输入的信号进行整形放大，其他模块的电路和方案一的相同。通过对两种方案的分析，为了减少总的电路的延迟时间，提高测量精确度，所以选择元件少的第二种方案。三、单元电路设计与参数计算时基电路：用555_VIRTUAL定时器和电容、电阻组成多谐振荡器产生1Hz的脉冲，根据书中的振荡周期 ： T=（R1+R2）C*ln2
取C=10uF，R1=2KΩ，T=1s，计算得：R2=70.43KΩ，再通过T触发器T_FF把脉冲正常高电平为1s的脉冲，元件的连接如下：
经示波器仿真，产生的脉冲的高电平约为1S。放大整形电路：用一个74HC14D_4V的含放大功能的施密特触发器对输入脉冲进行放大整形，把输入信号放大整形成4V的矩形脉冲，其放大整形效果如下图： 闸门电路：用一个与门74LS08作为脉冲能否通过的闸门，当定时信号Q为高电平时，闸门打开，输入信号进入计数电路进行计数，否则，其不能通过闸门。计数电路：计数电路用5（4）片74192N计数器组成000）进制的计数电路，74192N是上升沿有效的，来一个脉冲上升沿，电路记一次数，所以计数的范围为0~9）。但计数1S后要对计数器进行清零或置零，在这里用清零端，高电平有效，当计数1S后，Q为低电平，Q’为高电平，所以用Q’作为清零信号，接线图如下： 锁存显示电路：当计数电路计数结束时，要把计得脉冲数锁存通过数码显示管稳定显示出来。锁存器用2片74ls273，时钟也是上升沿有效，当Q为下降沿时，Q’恰好是上升沿，所以用Q’作为锁存器的时钟，恰能在计数结束时把脉冲数锁存显示，电路的接线图如下： 四、总电路工作原理及元器件清单1．总原理图 2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）
555组成的多谐振荡器产生1Hz的脉冲，经过T触发器整形成高电平时间为1S的脉冲，高电平脉冲打开闸门74LS08N，让经施密特触发器74HC14D放大整形的被测脉冲通过，进入计数器进行1S的计数。当计数结束时，T触发器的Q为下降沿，Q’刚好为上升沿，触发锁存器工作，让计数器输出的信号通过锁存器锁存显示，同时，高电平的Q’信号对计数电路进行清零，此后，电路将循环上述过程，但对于同一个被测信号，在误差的允许范围内，LED上所显示的数字是稳定的。3．元件清单元件序号 型号 主要参数 数量 备注
5 加法计数器
4 LED显示器4 555_VIRTUAL
1 定时器5 T_FF
1 T触发器6 CAPACITOR_RATED 电容10Uf、额定电压50V 1 电容7 CAPACITOR_RATED 电容10Nf、额定电压10V 1 电容8 RES 阻值2KΩ 1 9 RES 阻值 1 10 74LS08
1 双输入与门11 74HC14D_4V
1 施密特触发器，放大电压4V12 AC_VOLTAGE
1 可调的正弦脉冲信号五、仿真调试与分析把各个模块组合起来后，进行仿真调试以达到任务要求。① 在信号输入端输入10Hz的交流脉冲，仿真，结果如下： 说明仿真的结果准确② 在信号输入端输入300Hz的交流脉冲，仿真，结果如下： 仿真结果准确③ 在信号输入端输入3KHz正弦脉冲，仿真，结果如下： ④输入20KHz的正弦脉冲，仿真，结果如下： 仿真结果结果与实际的结果相差20Hz，这说明频率越高，误差越大。经分析，这是由于各个元器件存在着延迟时间，1S的脉冲，经过各个元器件的延迟，计数时间会大于1s，频率越高，误差越大，所以计数的时间要稍微小于1S，调小时基电路的R3为70.23KΩ，仿真，结果如下： 还是存在误差，经过多次调节R3仿真，最后确定R3为70.06 KΩ时对于各个频率的测试都比较准确，20KHz时仿真结果如下：
所以R3为70.06KΩ是测得的各个频率值都比较准确，且电路设计都符合测任务要求。六、结论与心得
在这次课程设计的过程中，我收获不少。首先，我学会了把一个电路分成模块去设计，最后再整合，这样可以把一个复杂的电路简单化了，并且这样方便与调试与修改；其次，设计有助了我去自学一些元器件的功能，去运用它；再次，我也初步会用multisim软件设计电路；最后，这次课程设计也提高了我查找问题、思考问题和解决问题的能力，还锻炼了我的耐性。在这次课程设计中也遇到了很多问题，首先，是对元器件了解不多，对于要实现某种功能不知道用那一种元件，所以问同学，上网收索，再了解这种元件的逻辑功能，学会去用它；其次，不大会用电路设计软件，一开始用EWB软件设计，对模块仿真可以，但整合整个原理图仿真却不行，通过示波器观察输出波形发现脉冲走了一小段却停止了，以为是电路有问题，就查找了很多遍才找出问题，原来在那个软件仿真时是不允许存在两个信号，所以重新用multisim设计，才可以；最后，在用multisim仿真高频率时仿真速度极慢，所以调整了软件的仿真最大步长，但问题又出现了，信号紊乱，数码管显示数字不一，然后就猜想会不会是元件的问题，太高频率元件来不及反应就输出结果，但上网寻找答案，原来是软件的仿真步长会影响仿真的精确度，所以，某一范围的频率仿真，要用相应的最大仿真步长。这个题目的设计花了自己不少心血，有时甚至一整天在弄，但是当自己成功地设计出电路时所获得的那一份成就感是无法表达的，所以整个电路的设计过程充满着苦恼与乐趣。七、参考文献
阎石 《数字电子技术基本教程》第一版 ，清华大学出版社，2007.08
采纳率：60%
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基于STM32的模数结合简易波形发生器.doc
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文档介绍：
基于STM32的模数结合简易波形发生器
第33届电子设计大赛作品设计报告说明书
物理与电信工程学院
2016年12月
一、系统方案选择与比较:
(一)方案一:利用模数结合实现,在模拟电路上产生函数信号波形,而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用NE55多谐振荡器产生方波,利用数字电位器与数字电容改变波形信号频率,用数控运放对信号幅度进行增益或衰减。
(二)方案二:模拟电路实现,全采用模拟电路,可用正弦波发生器产生正弦波信号,然后过零比较产生方波,再经积分电路产生三角波。这种方法电路简单,并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号,存在较大难度。原因是积分电路的积分时间常数通常不变,而随着方波频率改变,积分器输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波幅度,就得同时改变积分时间长度的大小。
(三)方案三:数字电路实现,采用DDS方法,任何频率的波形都可看做由一系列的取样点所组成,可事先将各波形的数据点存储在ROM中,再通过时钟的控制顺序从ROM中读出,再经D/A转化器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。
(四)方案四:数字电路与模拟电路结合,利用STM32产生频率可调的方波信号,通过外部硬件电路将方波信号进行积分,将依次得出三角波与正弦波信号。信号幅度的增益通过调节同相放大器运放的
反馈电阻来进行修改。
(五)方案选择:
为了利用所学的模电与数电的知识,我们期初选择了方案一进行作品的前期设计制作,即是用数字电位器与数字可变电容对整个系统的参数进行调节,后来发现此方法中数字电位器的阻值变化范围与阻值级数达不到我们需要的阻值范围,数字可变电容的变化范围与所需的容值相差三个数量级,于是放弃了此方案。最终选择的则是方案四,即是数字电路产生稳定可调的方波信号,通过模拟电路对信号进行整形与幅度处理。
二、系统各模块的理论分析与计算
(一)方波产生电路:
用NE555构成多谐振荡器,通过数字电位器和数字可变电容,改变其产生的脉冲波的频率与占空比,方波产生电路如图:
(二)方波产生电路计算公式:
充电时间:T1=R1*C2;
放电时间:T2=R2*C2;
脉冲占空比:q=R1 /R1+R2;[当R1=R2时,方波的占空比为50%] 周期:T=(R1+R2)*C
(三)仿真效果图:
由上述各计算公式可知,方波发生器的频率及占空比由R1与R2及C2决定,因此我们初步的想法则是使用程序控制的数字电位器与数字可变电容来获取不同频率及占空比的方波信号。
(四)相关资料:
(1)高精度数字电位器X9C104:
该集成电路由输入控制,计数器和译码器,非易失存储器及电阻阵列构成。数字电位器集成芯片内部有100个左右的电阻阵列, 通过逻辑电平的改变致使其内部的模拟电子开关按一定次序相连,最终使得其阻值变化呈阶梯式或增量式。其电阻值变化范围为:40欧姆—100K欧姆,变化级数为1010欧姆。
(2)数字可变电容max1474:
对于数字可变电容,我们发现国内很少有人在使用,并且多数是英文版的数据手册。
最终我们查询到一篇清华大学关于数字电容的汇
报文档。它的原理与数字电位器相似,也是通过模拟开关控制其内部的电容器阵列,最终产生不同的容值的电容接入电路中。其变化范围为:0.424pF—10.93Pf,变化级数为:0.34PF。
但因数字电位器不能像普通电阻一样两端都接入工作电路,而是需要一端接地,另一端接入电路。其阻值变化为阶梯式,不能够满足多谐振荡器的特殊电阻值的要求。并且数字电容器的实际变化幅度比振荡器需要的幅度相差三个数量级。正是因此,我们放弃了使用数字电位器与数字可变电容组成的程序控制、硬件电路搭建的频率可调得方波信号发生器。
(二)数字电路产生的可调方波:
利用STM32芯片内部的高精度定时器,通过程序控制延时时间,输出不同频率的脉冲信号,从而可获得不同频率的方波信号。
下为在PC上利用逻辑分析仪获取的方波时序信号:
(三)积分运算电路(方波转三角波):
(1)仿真电路:
(2)仿真效果:
(3)计算公式:
(4)误差分析原因:
1)集成运放不理想,由于运放的输入偏置电流,失调电流,输入失调电压影响,将使逐渐上升,形成输出误差电压。另外如果通频带不宽,那么对快速变化的输入信号反应迟钝,将会出现滞后现象,所以应选择低漂移集成运放或场效应管运放。
2)积分电容同样也会造成误差。由于电容存在泄露电阻,会使
渐下降,同时又由于存在着电容的吸附效应,也会造成误差。所以应选择泄漏电阻大的电容器,如薄膜电容,聚苯乙烯电容器等。
3)实际效果图:
(四)RC无源积分电路(三角波转正弦波):
(1)仿真电路图:
(2)仿真效果图:
(3)积分条件:
1)时间常数τ远大于输入矩形波的脉宽;
(4)实际效果:
(五)负电源的产生:
由于运放芯片需要双电源工作,故电路中应当有一可以将源电源电压镜像的模块,我们选取了ICL7660镜像电压产生芯片:
我们将源电源电压输入至芯片的八脚,即可在五脚获得一个与源电源电压镜像的电压。其输入电压的幅值范围为:0.4V—18.6V。
(六)稳压电路:
我们工作的主控芯片STM32与显示屏OLED需要稳定且波纹低的电压源供电,为了简化测试时候的接线,我们不使用两个外部
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数字电路设计报告
设计课题：
简易频率计数器
专业班级：
13 电信卓越班
学生姓名：
学　　号：　　　　　　　
指导教师：
设计时间：
简易数字频率计的设计与实现
一、设计任务与要求
1．掌握使用小规模电路组合成专门功能电路的设计方法和步骤；
2．设计的电路实现对0~999,1000进制计数器频率的精确测量；
3． 掌握影响测量脉冲波形参数的定时原件数值的计数方法。
二、方案设计与论证
数字频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种物理量的变化频率进行测量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以有关传感器先转变成周期变化的信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出来。
方案一、使用石英晶体稳频的多谐振荡器作为时基单元
??? 右图为由ＴＴＬ门电路组成的Ｓ石英晶体稳频的多谐振荡器的电路结构和电路符号。可以看出将石英晶体与对称式多谐振荡器的电容串联起来，就组成了右图的石英晶体振荡器。
2.方案二、使用555定时器接成的多谐振荡器作为时基单元
??? 右图为由５５５定时器和外接元器件Ｒ１，Ｒ２，Ｃ构成的多谐振荡器，脚２与脚６直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外接触发信号，利用电源通过Ｒ１，Ｒ２向电容Ｃ充电，以及Ｃ通过Ｒ２向放电端Ｄｃ放电，使电路产生自激振荡。
通过分析，使用555构成的自激多谐振荡器可以调节时基信号，使测量范围更加广，测量更加精确再结合设计电路性能指标、器件的性价比，本设计电路选择方案二。
三、单元电路设计与参数计算
简易数字频率计由主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。
总体设计图
简易数字频率计原理图
3.1振荡器电路设计
555定时器的内部结构
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图（A）
及管脚排列如图（B）所示。
它由分压器、比较器、基本R--S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5的等值电阻串联而成。分压器为比较器、提供参考电压，比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放、组成。高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R—S触发器端的输入信号。基本R--S触发器的输出状态受比较器、的输出端控制。
555定时器的工作原理
由555定时器组成的多谐振荡器如图(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。
设电容的初始电压＝０，t＝０时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端＝＝０<ＶＣＣ，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置１，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容Ｃ充电，逐渐升高。当上升到时，输出由０翻转为１，这时，触发顺保持状态不变。所以0<t<期间，定时器输出为高电平１。
时刻，上升到，比较器的输出由１变为０，这时，，触发器复０，定时器输出。
期间，，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的，Ｑ的状态不变，的状态仍为低电平。
时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R---S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。
通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，
其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。
555定时器的振荡周期
由图（D）可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。
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数字频率计主要由4个基本单元组成：可控制的计数锁存、译码显示系统、石英晶体振荡器及多级分频系统、带衰减器的放大整形系统和闸门电路。该原理电路我们将设计4个基本单元电路，而后利用四个基本单元电路绘制整机框图，画出总电路图，并且对电路图进行原理分析，利用Multisim、Protel软件进行绘制原理图和仿真模拟实验现象，记录调试分析的结果。
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数字频率计的课程设计
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