信号发生器&数字频率计

信号频率测量仪

摘 要

在数字电路中，信号频率测量仪属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触

发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中，信号频率测量仪是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，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 本设计包括三个模块：信号源、频率测量仪和数字显示。

关键词：施密特触发器、双十进制计数器

74LS192、CD4511

CD4518、双JK触发器74LS107、

目 录

1简介............................................................ 02 1.1功能及特点....................................................02 1.1应用意义......................................................02 2 设计方案.........................................................02 2.1 设计指标......................................................03 2.2 方案论证......................................................03 3 电路分析及参数设计...............................................04 3.1 信号源........................................................04 3.2 放大整形电路..................................................06 3.3 石英晶体振荡器................................................07 3.4 分频器及量程选择..............................................08 3.5 门控及逻辑控制电路............................................09 3.6 计数、译码、显示电路..........................................11 4 结论.............................................................12 5 附录.............................................................13 附录1 元器件列表................................................13 附录2 参考文献..................................................13 附录3 整机电路图1..............................................14 整机电路图2..............................................15

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第一章

1.1功能及特点

简 介

数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不

仅可以测量正弦波的频率，还可以测量方波、三角波和尖脉冲信号的频率。数字频率计在测量其它物理量如转速、振荡频率等方面获得广泛应用。周期信号在单位时间（1s）里变化的次数即频率。如果在一定时间间隔T内测得的这个周期信号的重复变化次数N,则周期信号的频率f=N/T。

1.2 应用的意义

由于数字频率计的功能及作用，它被广泛应用于航天、电子、测控等领域，在实际生产、生活及教学活动中起着非常重要的作用。

第二章 设计方案

数字频率计的硬件电路框图如图1所示，该系统主要由输入整形电路、晶体振荡器、分频器及量程选择开关、门控电路、逻辑控制电路、闸门、计数译码显示电路等组成。首先，把被测信号通过放大、整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后将它加到闸门的一个输入端。闸门的另一个输入信号是门控电路发出的标准脉冲，只有在门控电路输入高电平时，闸门被打开，被测量的脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。门控电路输出高电平的时间T是非常精确的，它是由一个高稳定的石英晶体振荡器和一个多级分频器及量程选择开关共同决定。逻辑控制电路是控制计数器的工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序（准备、计数、显示、清零、准备下一次测量）进行有条理的工作。

fx

放大整形电路 闸 门 技术、译码、显示 门控电路 逻 辑 控 制 石 英 振 荡 器 分 频 器 量程选择开关 图一 数字频率计的组成框图

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2.1 设计指标

数字频率计的设计指标：

1． 数字频率计可测量正弦波、三角波、方波、尖脉冲及其它各种周期性信

号。

2． 显示方式：具有十进制数字显示功能。（依据测量范围可变化） 3． 测量误差：≤ 1%。(发挥部分：≤0.1%)

4． 测量范围：1KHZ~100kHZ（发挥部分：1Hz~1MHz）。

2.2 方案论证

方案一：测频法（M法）

对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率为：fs=N1/f测为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数，设在TG期间，计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是△N1=N±1, N1的相对误差为： &N1=(N1-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N 由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的条件下，为减小N1的相对误差，可通过增大TG的方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。当TG为确定值时(TG=1s)，则有f=N，固有f1的相对误差：

&f1=(f1-f)/f=(f±1-f)/f=±1/f

由上式可知，f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。 方案二：测周期法（T法）

首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。

若在T时间内的计数值为N2,则有

T2=N2×Tosc

f2=1/T2=1/N2×Tosc=fobs/N2

N2的绝对误差为△N=±1，N2的相对误差为

&N2=(N2-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N

从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频你标准计数信号的频率成反比。当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。 方案三：T/M法

T/M法测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频信号进行计数，T/M法的测量

在确定的检测时间内，若对被测信号f的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2.但对fosc信号的计数，必须直到f信号在第一个计数器停止计数后的一个

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完整的f信号周期。

由此可得，N1个f信号周期的时间为T2=N2×Tosc，故每个f信号周期的时间为

T3=N2×Tosc/N1

则有 f3=1/T=N1/N2×Tosc=N1×fosc/N2

由T3的相对误差可知，T/M发测量的误差与信号频率成正比，与高频标准信号的频率成反比，但随f的增大，N1也在增大（在一定的检测时间内）。由上式还可以看出，T3的相对误差实际上是由M法误差±f/fosc两部分组成。

直接测频法和间接测频法分别适用于高频和低频信号的频率测量，为了提高频率计的量程，本设计采用直接测频法。且所设计的频率计具有精确高、测量迅速，耗能少，使用方便等优点。

第三章 电路分析及参数设计

3.1 信号源

用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如下图所示。

正弦波方波三角波正弦波发生器

过零 …… 此处隐藏：2201字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……