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学号
课程设计
（ 2021级本科）
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二 〇 二 四 年 月 设计依据： 数字频率计通过在一定时间间隔T内计数周期性信号的重复变化次数N，来计算频率，公式为 f = N/T 。这要求频率计能够准确地产生时间基准信号，并能将被测信号转换为可以计数的脉冲信号。一个典型的数字频率计包括放大整形电路、闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路等部分。这些组成部分共同工作，实现对输入信号频率的测量。在设计过程中，选择合适的元器件至关重要。例如，计数器和定时器的选择会影响测量精度和响应速度。信号整形电路通常采用比较器实现，而显示电路可以采用LED数码管、LCD等显示器件。设计时需要确定数字频率计的测量范围和精度。测量范围决定了频率计能够测量的最低频率和最高频率，而精度则决定了测量的准确性。 设计内容及要求： 数字频率计采用数字集成电路设计实现数字频率计，采用虚拟仿真软件进行仿真调试并采用Protel 99/AltiumDesigner软件绘出硬件电路图和PCB版图。 设计要求： (1) 说明频率计电路的工作原理； (2) 该频率计能够检测出输入的正弦波、三角波和方波信号频率，并在LED上显示该波形频率；测量频率范围为0-9999Hz； (3) 最大读数为9999Hz，闸门信号采样时间为1s； (4) 测量误差小于±0.1%； (5) 分析影响频率测量的因素； (6) 添加其它功能（可选） (7) 采用虚拟软件进行仿真调试。 (8)采用Protel 99/Altium Designer软件绘制PCB版图。
摘要 数字频率计是直接用十进制的数字来显示被测信号频率的一种测量装置，它可以测量正弦波、方波和三角波。所谓频率就是在单位时间（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。 数字频率计主要由555单稳态电路（时基电路）、计数器芯片74LS160D （计数电路）和译码芯片74LS48D和数码管（译码显示电路）构成。 脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率fX。，时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则们控电路的输出信号持续时间亦准确的等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数器译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，技计数器得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fX=·N·Hz。 时基信号发生器提供标准的时间脉冲信号，其高电平持续时间为1S。在时基脉冲的上升沿到来，计数器开始计数，并把计数结果输送到译码器来控制七段显示器，这样就可以得到被测信号的数字显示的频率。 关键词：555单稳态电路、计数器芯片74LS160D、译码芯片74LS48D、数码管 目录
1. 概述 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中数字计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。其原理为通过测量一定闸门时间内信号的脉冲个数。本文阐述了设计了一个简单的数字频率计的过程。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。本文。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广泛地深入到各个应用领域。 2. 设计目的 了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理; 熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。 本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。 针对电子线路课程要求，对我们进行实用型电子线路设计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养我们运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。 3. 电路设计 3.1 时基电路 时基电路的功能是产生一个高电平持续时间为1S的信号送到计数电路以及一个周期为1S的信号送到逻辑控制电路。它由555单稳态电路组成。555芯片内部的三个5K电阻将5V直流电源电压，其中2/3(约3.3V)供给比较器CMP1的同相端，1/3(约1.6V)供给比较器CMP2的反相端。比较器CMP1的反相端经过电容C1接地，在电路刚刚上电时，由于电容C1两 端的电压不能突变，反相端的电压比同相端低，因此比较器CMP1输出高电平H(由于RS触发器是数字逻辑，因此后级电路按高电平H与低电平L来区别)。而对于比较器CMP2，同相端默认电平是高电平(负脉冲触发)，比反相端电压1.6V高，因此，比较器CMP2输出也为高电平H。 由于R=H，S=H,RS触发器处于状态保持，我们假设555定时芯片处于复位状态，此时触发器输出为高电平H(也可以是低电平，最后的结果是一样的)，经过一个反相器NOT后，则电路输出为低电平L。 在单稳态工作模式下，555定时器作为单次触发脉冲发生器工作。当触发输入电压降至VCC的1/3时开始输出脉冲。输出的脉宽取决于由定时电阻与电容组成的RC网络的时间常数。当电容电压升至VCC的2/3时输出脉冲停止。根据实际需要可通过改变RC网络的时间常数来调节脉宽。 出脉宽t，即电容电压充至VCC的2/3所需要的时间由下式给出: t= RC 1n(3) ≈1.1RC
图1 时基电路图 3.2 分频器 分频器采用4011BD 5V芯片，该芯片包含四个2输入的NAND门，可以配置为二进制计数器。通过适当的连接，可以实现对输入信号的分频。
图2 分频器电路图 3.3 计数器 芯片74ls160是十进制计，也就是说只能记住十个数字。74LS160是常用的四位二进制可预设的同步加法计数器，该同步可预设的十进计数器由四个d型触发器和几个门电路构成，内部有先进位置，具有计数、设置数、禁止、直接(异步)清零等功能。 计数器的功能是对闸门送来的被测信号的频率进行测量计数。根据精度要求，采用4个十进制计数器级联，构成N=10000进制计数器。十进制计数器仍采用74LS160实现。闸门电路的输出送到每个74LS160的CP端，计数器在后输出信号的控制下对被测信号进行脉冲送数。
图3 计数电路图 3.4 译码显示电路 显示驱动器采用74LS48D芯片，这是一个BCD到七段显示译码器。它将计数器的二进制输出转换为七段显示器所需的信号。
图4 显示驱动器电路图 3.5 时钟信号源 时钟信号源由功能发生器（XFG1）提供，可以设置不同的频率、占空比和幅度，以适应不同的测量需求。
图5 时钟电路图
4. 实验原理图 按照原理图搭建电路，确保所有元件正确连接。
图7 总体电路图 5.嘉立创EDA系统原理 嘉立创原理图的设计过程包括： 1.添加元件：从嘉立创EDA的元件库中搜索并选取所需的元器件，将其放置到原理图绘制区域。 2.连接线路：根据电路原理，使用导线将各个元器件的引脚连接起来，完成电气连接。 3.检查与调整：进行设计规则检查，确保原理图符合电气规则和设计要求。
图8 电路原理图 6．PCB板设计图 PCB板的设计过程包括： 1.布线：根据信号流向和电气规则进行布线，尽量减少信号线的长度和交叉，电源线和地线应尽量短而粗。 2.添加泪滴：在导线与焊盘或导孔的连接处添加泪滴，增强连接的可靠性。 3. PCB布局：将元器件按照功能分区放置，优先考虑主控芯片、大器件及供电接口，同时注意滤波电容靠近主控芯片摆放。布局时，应保证同一功能的电路尽量靠近，以简化连线。 4铺铜：对PCB的顶层和底层进行铺铜处理，以增加散热性能和抗干扰能力，但需注意避免在电感等特殊元件下铺铜。 5.检查与优化：进行DRC检查，确保PCB设计符合设计规则，没有短路、开路、间距违规等问题。根据检查结果进行修改和优化。
图9 PCB板图 7.结论 这次设计中，我锻炼了自己的自学能力和解决问题的能力。在这个过程中遇到了很多问题，比如如何画图，如何组织那种专业语言，上网、到图书馆查找相关的资料。虽然很费劲，但是其乐无穷。通过此次的设计，我发现到这个设计对数字电子技术的学习要求非常高，我相信在今后的学习和工作中它也占据着非常重要的地位。课堂中的学习是远远不够的，我们还需要自己吸收和再学习，不断的探索和研究。这样在以后的学习工作中才能节节进步，不断创新。不但如此，我想要完成一个任务，不能只局限于自己所学的知识中，要各个方面都有涉猎，提高自己的综合能力，这样才能取得长足的进步。 最后，通过此次的设计，我还领略到了团队精神的可贵。我觉得我的的专业知识学习的不扎实，在设计的过程中，会遇到各种问题。这时我就会向同组同学请教，共同完成这个设计。尽管如此，设计中仍会有我们未发现的问题，感谢老师的悉心指正。 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计将成为我学习旅途中一个美好的回忆! 参考文献 [1] 康华光，张林.电子技术基础模拟部分（第7版）, 高等教育出版社,2021 [2] 刘畅生等.集成电路应用手册,西安电子科技大学出版社,2003 [3] 康华光，张林.电子技术基础数字部分（第7版）, 高等教育出版社,2021
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