纯模拟+数字电路频率计电路设计与制作 1~9999Hz精度1Hz

ID:290305 · 发表于 2019-7-20 17:17

分享一个前几天做的设计，制作一个简易频率计，下面是我的文档和PPT，原理图在文档中，请自行参考

1.1设计任务分析

设计一个能够测量正弦波信号频率的电路。具体要求如下：

测频范围为1~9999Hz，精度为1Hz。

测量数字为四位数，需使用四个七段数码管。

用数码管显示测频结果。

使用74LS48进行译码显示。

当信号频率超过规定的频段时，设有超量程显示。

如使用LED灯提示超量程。

发挥部分：扩大频率计的测频范围（超量程换档）。

测试条件：在输入信号峰值为100mV的情况下测试。
1.2设计方案选择

方案一：采用的是中小规模数字集成电路

实现频率的测量，虽然其功能扩展不易实现，智能化程度也不高，也不太符合目前数字频率计的发展要求，但是对目前的我们来说，电路构成的基本原理相对容易理解，设计原理简单，是全硬件电路实现，电路稳定、精度高，大大的缩短了生产周期。不需要编程，实现起来相对简单。其主要元器件基本是我们所学习过的，就算没有学过，查阅资料理解起来也相对容易。

方案二：采用单片机

采用单片机则可以很容易地解决方案中的问题，实现设计要求。也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。由于用到单片机，控制电路计数等功能通过编写程序实现，减少了相关硬件的使用，降低了成本。而且利用C语言程序有很强的可修改性另外由于使用了功能较强的 AT89C51 芯片，使本系统可以通过对软件改进而扩展功能，提高测量精度。但是单片机不能提高我的数模电知识，所以不予考虑此方案。

方案三：采用可编程器件的技术

在设计方法、硬件电路的实现上都要比方案一和方案二简洁、新颖，而且采用可编程逻辑器件（PLD）的 EDA 技术也是现代电子产品开发的方向，应用这种技术来实现数字频率计的设计是可行的。但从系统设计的要求上看，要能实现测量频率是 1HZ～ 9999HZ 的范围，以频率1HZ 为例，使用直接测频的方法，要达到测量精度，需要主门连续开启 100 秒。再就是EDA技术也不再本人目前的认知范围内，所以不予考虑此方案。

综上，本设计最终考虑采用方案一。

第2章硬件电路设计2.1系统总体框图

图2.1.1 电路总体框图

2.2 各模块方案设计总体概述

2.2.1 放大整形电路

对被测信号进行预处理，先由三极管组成的放大电路经行放大再由施密特触发器经行转换成脉冲信号，如下图2所示。

图2.2.1 放大整形电路

放大电路设计原理：双极结型三极管BJT是一种三端器件，是放大电路的最重要的组成部分之一。BJT有两种类型：NPN型和PNP型。从三个杂质区域各自引出一个电极，分别为发射极e、集电极c、基极b。BJT的最重要的特性之一是具有电流控制（即电流放大）作用，利用这一特性可以组成各种放大电路。放大电路的功能是将微弱的信号不是真地放大到需要的数值。输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。在本设计中采用BJT的共射极连接方式的放大电路。并用小信号模型来分析该放大电路，电路图及小信号模型图如图3所示。

图2.2.2 基本共射极放大电路

估算rbe：

rbe=rbb’+(1+β)26(mV)/IEQ（mA）

IEQ≈βIBQ=β（VCC-VBEQ）/Rb

电压增益AV：

Vi=ibRb+ibrbe

Vo= -ic(Rc‖Rl)=-βibRl

Av =Vo/Vi=(-βibRl)/(ibRb+ibrbe)

施密特触发器：

施密特触发器在电子电路中常用来完成波形变换、幅度鉴别等工作，电路具有以下工作特点：

电路的触发方式属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入电压达到某一定值时，输出电压会发生跳变。由于电路内部正反馈的作用，输出的电压波形的边沿很陡直。
在输入信号增加和减少时，施密特触发器有不同的阈值电压，正向阈值电压Vt+和负向阈值电压Vt-。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压用△Vt表示（△Vt=Vt+ - Vt-）。它是一种阈值开关电路，具有突变输入—输出特性的门电路。根据输入相位、输出相位关系的不同，施密特触发器有同相输出和反相输出两种电路形式。其电压传输特性曲线分别如图4所示。

图2.2.3 施密特电路的传输特性

施密特触发器的应用：

波形变换，可将三角波、正弦波等变成矩形波。
脉冲波的整形，数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲，如图5。
脉冲鉴幅，幅度不同、不规则的脉冲信号时加到施密特触发器的输入端时，能

选择幅度大于欲设值的脉冲信号进行输出。

图2.2.4 用施密特触发器实现波形变换图

2.2.2 时基电路

方案一：由晶体振荡器构成时钟信号。优点是产生的信号非常稳定，但价格高。

方案二：由定时器555构成的多谐振荡器产生1KHz的时钟信号。优点是结构简单，易于实现，但有一定的误差存在。

最后选用方案二，由于方案一在Multisim13.0中没有合适的晶体振荡器，大多频率过高，不好分频，直接采用方案二，可以节省一定的电路，同时为了解决由555定时电路带来的带载不足的问题，即后接负载有限的问题，在时钟输出时进行适当的放大。

555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路。555定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。

555定时器的内部结构如下图6所示：

图2.2.5 555定时器内部结构

多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。由于矩形波中含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生器,触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。

由555定时器组成的多谐振荡器产生方波图如图7所示：

图2.2.6 方波图

时基电路总体原理图如图8所示：

图2.2.7 时基电路

对555定时电路组成的多谐振荡器分析：

接通电源以后电容C被充电，当VTRI上升到2VS/3时，使VOUT为低电平，同时放电三极管导通，此时电容C通过R2和T放电，VTRI下降。当VTRI下降到VS/3时，VOUT翻转为高电平。电容器C放电的时间为

T1=R2Cln2≈0.7R2C

当放电结束时，三极管截止，VS将通过R1、R2向电容C充电，VTRI由VS/3上升到2VS/3所需的时间为

T2=（R1+R2）Cln2≈0.7(R2+R1)C

当VTRI上升到2VS/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出就得到了一个周期性的矩形波。其振荡的频率为

f=1/(T1+T2) ≈1.43/(2R2+R1)C

分析原理图如下，从图中可以看出理论的输出波形时按一定的周期循环出现的，从而形成一定频率的矩形波如图9所示。

图2.2.8 555定时器分析

2.2.3 控制电路

此模块使用CD4017和74LS160组成，其中CD4017是内部为除10的计数器及二进制对10的译码电路，而74LS160 是十进制计数器，也就是说它只能记十个数，从0000-1001（0-9）到9 之后再来时钟就回到0首先时钟CLK，之后是输出RCO ，CLR是复位引脚，此为低电频有效LOAD是置数信号，当它为低电平时，在时钟作用下读入D0到D3，为了使160正常工作ENP和ENT接1，另外D0到D3是置数端，Q0到Q3是输出端。

其中74LS160输出管脚Q0到Q3波形图如图10所示。

图2.2.9 Q0~Q3输出波形

控制模块整体电路原理图如图11所示。

图2.2.10 控制电路原理图

2.2.4 计数显示电路

采用十进制计数器（74LS160）连接成为4位十进制计数器，计数范围为0至9999，将计数形成的BCD码（频率值的大小）进行译码，在译码前经行锁存，锁存后清零，给下一次测量做准备，并在数码管中显示出来。如图12是显示电路原理的一部分，负责显示，由译码器译码，而译码器接锁存器，锁存器接计数电路，得到计数输出。

图2.2.11 计数显示电路

第3章原理图绘制3.1原理图仿真总体图

图3.1.1原理仿真图

第4章硬件实物焊接调试4.1硬件实物焊接

图4.1.1 电路板反面

图4.1.2 电路板侧面

图4.1.3 电路板正面

4.2硬件实物调试

使用的主要的仪器有：数字电源，示波器，函数发生器，台式万用表。

在电路的调试过程中，主要出现的问题有：

芯片易被烧毁；

解决办法：对于含有芯片的电路，或者出问题的部分有芯片参与，首先分析芯片在电路中的作用，观察芯片不工作时，电路会有什么故障，出现什么样的现象，并与之前发现的问题相对比。

检查的步骤如下：先检查供电是否正常，其次检查输入的波形信号是否正常，最后检查有没有输出信号及输出信号与理想输出信号的差距。如果正常，就可以开始检查后续电路，看是否有问题，一般是电容易被损坏。

电路结构复杂，解决问题困难。

此时需要对电路进行分模块测试，观察每个模块是否都能输出正确波形，然后把每个模块进行合并进行最终调试。

555定时电路组成的多谐振荡器测试过程：

图4.2.1 555振荡器调试

图4.2.2 555定时器产生的波形

总结

本次电子技术课程设计的核心是利用已学过的数模电及电路分析基础知识，实现一些工程目的。在这个过程中，可以锻炼自己的实际动手能力，对于一些电路规律、芯片的使用方法及运算放大器的应用有了进一步的理解。更为重要的一点是，作为本科生，没有任何的工程经验，经过这次课设，我们可以更好的了解到要解决实际工程需要问题考虑哪些问题，需要注意哪些地方，需要对自己设计的电路了如执掌。作为自动化专业的学生，分析问题、解决问题及动手的能力尤为重要，在课程设计的过程中，这些能力可以得到更好的培养。

本次课题主要设计了一款简易频率计，测试了频率计的测量精度以及工作性能，技术指标达到的要求有测频范围达1~9999HZ，误差为1HZ,并使用数码管显示测频结果，当信号频率超过规定的量程时，实现了超量程提示，比如实现了发光二极管的点亮。

主要完成工作：

（1）系统硬件设计包括降压电路、放大整形电路、时基电路、控制电路、计数显示电路组成的频率测量电路。合理选择二极管、BJT、电容电阻以及各种芯片设计频率测量电路。

（2）系统硬件设计由查阅相关电源类文献，在multisim13画出电路图，进行仿真验证及调试，然后用洞洞板和各种元器件进行焊接调试。

本次设计尚有几处地方需要完善：

电路设计复杂导致查询问题困难。
频率测量精度有待提高。

针对此次课设，我有如下建议：

（1）可以适当扩宽课设选题范围，对于自动化这种偏向硬件设计的专业，可以在原有基础上开设一些综合能力需求更高的题目，可以参考电子设计大赛的选题，降低难度，作为课设的题目。

（2）可以适当提供更多的器件选择，让同学们可以更多的选择设计方案，而不用因为器件选择的原因限制了同学们的想法。

（3）可以加大课程设计的硬件焊接的验收力度，对于一些已经验收的成品可以收上去，减少作弊的概率。这样一方面可以进一步提高课程设计的质量，也可以真正让同学们学到更多的东西。

收获与体会：

在本次课程设计当中，我制作了一个简易频率计，虽然结果并不像仿真那样完美，但也大致实现了目的。在课程设计的整个过程中，从选题到参数计算，到修正电路焊接的问题，都是我一人完成。在此过程中，我收获了不少知识。从555定时器输出方波到放大整形电路输出方波，到计数控制电路，再到译码显示电路，我认识到了自己的数模电及电路的基础知识仍然有待提高。

在此次课设中，我还学会了书本上或者老师没有教过的东西，在拿到了种类繁多的芯片后，我开始毫无思绪，不知道该从那一步着手。经过对题目要求及仿真原理图分析后，决定先把芯片的数据手册仔细翻阅一遍，了解每个芯片的功能及引脚图，在完场此项工作后，将芯片引脚图及周边元器件在纸上画下来，再按照该图纸进行焊接。这样可以减少很多麻烦，比如，走线走着走着就不知道怎么走了，元器件没地方放了等等。虽然这样可以减少焊接出现的问题，但还是存在一些我无法解释的玄学问题，对于这些问题，我积极在相关的电子技术论坛上找答案或思路，网站论坛包括：电子发烧友、电源网、51黑电子论坛、datasheet官网等。在这些前辈们的交流中，我吸取了不少硬件设计的经验，不仅仅使本次课设，对于以后做竞赛及硬件学习也有着很大的帮助。

当然也非常感谢我的指导老师胥老师，他一丝不苟，严谨认真的工作态度深深的影响着我，在我的课程设计中，每个环节都离不开老师的悉心指导，给予了我巨大的帮助。

附录2：系统主要图纸