（频率计设计）
姓名。学号。
班级。成绩。
指导老师。设计时间： 2010.6
一．设计题目：频率计。
二．设计要求：能测量1hz—9.99khz的方波、正弦波、三角波信号，三位数字显示，1—999hz显示单位为hz、1khz—9.
99khz显示单位为0.01khz。且频率计具有以下精度：
1—99hz精度为0.2hz
100—999hz精度为0.5hz
1khz—9.99khz精度为1hz
并且要求能自动换挡，以及调节测量频率。
系统结构要求。
三．题目分析：频率计是直接用十进制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、三角波的频率，利用触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，显示在数码管上。
四．整体构思：
.算法设计。
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。常用的测频方法有以下四种：
1.测频法。
测频法的基本思想是：对频率为f的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为tg）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为n时，其信号频率为f=n/tg
测频法的测量误差与信号频率有关。因此，测频法适合对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。
2.测周法。
首先把北侧信号进行二分频，活得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期的反驳周期，然后利用一个已知周期ts的高频方波信号作为计数脉冲，在一个周期信号的时间内对fs信号进行计数。若在t时间内的计数为n，则有t=n*ts
即f=1/t=(n*ts)=fs/n
测周法测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准技术信号的频率成反比。当fs为常数时，被测信号的频率越低，误差越小，测量精度也越高。
由于测周法获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而二进制数据的求倒数运算用中小规模数字集成电路却较难实现，因此测周法不适合本设计要求。
3.测周法/频率法。
周期/频率测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频标准信号fs进行计数。
在确定的检验时间内，若对被测信号f的计数值为n1，对高频信号fs的计数值为n2，（对信号fs的技术，必须是信号f在第一个计数器停止后的一个完整的f信号周期）。这所车的信号频率为。
f=1/t=n1/(n2*ts)=n1*fs/n2
可见每周起/频率需要进行除法运算才能得到信号频率，适用于中小规模集成电路却难以实现，因此，该方法不适合本设计要求。
法v与a/d法。
这种测量方法是先通过f/v变换，把频率信号转换成电压信号；然后在通过a/d转换把电压信号转换成数字信号，在对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。
根据性能的与技术指示的要求，首先需要确定能满足这些指标的测量方法。根据上述频率测量原理与方法的讨论，本设计采用测频法，由于测频法的与信号频率成反比；信号频率越低，测量误差越大；信号频率越高，测量误差越小，用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为1s时，不需要进行任何计算，计数器所计数数据就是信号频率。另外，在信号频率较低时，可通过增大闸门时间来提高测量数据。
频率测量算法示意图。
频率测量算法对应的方框图。
在本次设计设计中选择的是——测频法。即测量在ts时间内计数的个数，根据定义，fs=n/ts，当令闸门信号ts=1s是，计数n数值上就是频率值。故而在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生宽度为1s的闸门信号，当1s闸门脉冲来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计时电路用以计算被测信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。
测量误频率的误差与闸门信号的精确度直接相关，因此，因此，为保证在1s内被测信号的周期误差在10e-3，则要求闸门信号的精度为10e-4量级。例如，当被测信号为1khz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10e-4，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不会超过1，符合5*10e-3的误差要求。
进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10e-3范围内。
但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信号为0.5hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍是1s显然是不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s，则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.
五．具体实现。
整体方框图。
原理图。六．各部分定性说明以及定量计算：
信号发生器：
利用555芯片芯片产生方波，通过c6的充放电产生周期性的方波，通过改变wr2的数值来来使信号频率改变，达到测量的目的。
根据计算v0从0→5v时，接6脚的电压为1/3vcc=5/3v，此时由吉尔霍夫电压定律可得：
c6*dvc/dt*（r8+rw）+vc=v0
当vc=2/3vcc时，t1=c6（r8+rw）ln2
v0从5→0v时，接6脚的电压为2/3vcc=10/3v，此时由吉尔霍夫电压定律可得：
c6*dvc/dt*（r8+rw）+vc=0
当vc=1/3vcc时，t2=c6（r8+rw）ln2
故发生信号的周期为t=t1+t2=2 c6（r8+rw）ln2
带入数值可知，t=2*0.1*10e-6*（330+rw）*0.69
信号频率f=1/t=1/【0.138*（330+rw）】mhz
通过计算可知当rw在0~100k内变化时，可在145~43917hz内变化。
闸门电路：如图所示，该非门起控制作用。2接555信号发生器的输入端接时基电路电路输出端3。
；当时基电路输出端为“0”时，闸门关闭，信号不能通过；当时基电路输出端为“1”时，闸门导通，可以自由传输信号，此时，被测信号进入计数器，计数器工作。由于该电路功能类似闸门，故有了闸门电路的名称。
计数器：计数电路由四个同步十进制加法计数器74ls90构成，由上图知，在闸门导通时，即1s计数周期内，输入信号通过两级反相器，使信号更稳定，然后进入u4，当信号频率为0—99时，只会使u4、u5工作。而u5、u3由于没有进位信号通过，故而处于等待状态。
当输入信号为100-999时，u5产生的进位信号会使u6开始计数。当输入信号为1000-9999时，u6上q0、q3会产生高位电平，其中q3的高电平不但反馈自身充当计数信号，还输出给。
jk触发器74ls112-u11a，充当其时钟信号，另外q1d的高电平输出给。
jk触发器74ls112-u11b，通过与非门74ls00-u10d，其与时基信号相与，产生低电平从而使电容c5瞬间导通，从而使jk触发器74ls112-u11的14脚处产生低电平，使输出给jk触发器74ls112-u11b的直接复位端开始工作，从而使9(即q)输出高电平，使74ls00导通，时基信号通过，由于此时电路处于计数阶段，故而此时输入给输出给jk触发器74ls112-u11a的15脚的信号为高电平，从而使jk触发器74ls112-u11a自由输出（jk触发器74ls112-u11a的4脚为高电平）由jk触发器的逻辑功能表可知，由于此时处于高电平触发故而q输出高电平，点亮小数点，并且/q输出低电平使74ls90—u3启动从而开始计数。此时，u3为个位、u4为十位、u5为百位、u6为千位。
时基电路：
此为用555定时器构造成的时基电路，通过调节wr1使输出端3脚输出脉冲为1s的时钟信号。
通过计算可知，输出高电平时的时间为t=c1（r1+rw1）ln2
当t=1s时，rw1=10e6/（0.69*22）-51k=14876，但变阻器的最大值仅为10k，故不能达到产生1s脉冲的目的。此时，当变阻器阻值达到最大，即为10k时，t=22*10e-6*(51k+10k)*0.
69=0.92598s,故时钟信号可达到的最大值为t=0.92598s，由于时基电路不能产生1s脉冲，故而所得到的显示频率与实际频率间是存在误差的。
假若其它测量均为理想状态，无误差，那么此时的相对为n=f测/f实*100%=92.6%。
控制电路：当时基信号跳变成低电平时由于电容c11上产生了电压差，是其瞬间导通，从而在mc14511b的le端上产生了瞬间低电平。此时，计数结束控制电路控制显示电路显示数字。
通过计算可知，瞬间放电时间t=1/rc=0.15us，即在t=0.15us时间内计数器的信号会进入译码器，产生数字信号，译码后会在数码管上显示。
译码、显示电路：
由mc14511译码器译码输入信号。在le输入低电平时，信号开始通过。由于此时时钟信号跳变，计数电路停止计数，且最后的数据就是频率，经过译码后会在数码管上显示出输入信号的频率。
因时基电路产生的脉冲信号为1s（理论值），由测频法的定义可知：
此时显示的数值就是发生信号的频率。
七．在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施：
本次试验最开始拿到任务书时，以为还是很简单的，可是随着对题目的深入分析，发现也不是那么好搞的。
首先拿到原理图图时，看着那些芯片，发现对其功能以及工作原理都不是很清楚，而且初看整个电路图时有种懵了的感觉。但是静下心来后，在网上将每个芯片的资料都查了下，通过自己不断地分析以及与同学的**，总算是对整个电路有了直观的认识。下面就是本次试验中碰到的问题。
1.关于双极型jk触发器74ls112的逻辑功能及其工作原理。由于开始始终弄不清此jk触发器74ls112的引脚功能，故分析时总是不清楚计数器的进位以及点亮小数点的工作原理，不过在查看关于74ls112的功能表后，对其工作原理有了清晰的认识，也使得后输的分析更加的方便。
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