數(shù)字頻率計的課程設計.doc

四川航天職業(yè)技術學院電子工程系課程設計專業(yè)名稱： 電子信息工程技術 課程名稱： 數(shù)字電子技術 課題名稱： 數(shù)字頻率計 設計人員： 雷 妍 指導教師： 2010 年 6月 10 日課程設計報告書評閱頁課題名稱：班 級：姓 名： 2010 年 月 日指導教師評語：考核成績： 指導教師簽名：2010 年 月 日數(shù)字頻率計課程設計任務書一、課題名稱：數(shù)字頻率計二、技術指標：（1）掌握數(shù)字頻率計的設計、制作方法。（2）掌握振蕩器、分頻器、記數(shù)譯碼顯示電路、單穩(wěn)態(tài)電路的設計。（3）了解標準脈沖信號發(fā)生器SPG8650B三、要求：（1）測量頻率范圍：1Hz1MHz。（2）測量信號：方波、正弦波、三角波。（3）測量信號幅度：0.55V。（4）量程分三擋：10,1,0.1。（5）5位LED數(shù)碼管顯示。指導教師：申學 生：雷妍電子工程系2010 年 6 月10 日目錄摘要51概述6 2設計目的63設計要求64數(shù)字頻率計的基本工作原理74.1系統(tǒng)框圖 74.2方法與步驟95測頻控制信號發(fā)生器設計106系統(tǒng)的功能仿真117心得體會118參考文獻12附圖一12附圖二13附錄三13 摘要在數(shù)字電路中，數(shù)字頻率計屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構成。在計算機及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應用。在CMOS電路系列產(chǎn)品中，數(shù)字頻率計是用量最大、品種很多的產(chǎn)品，是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域不可缺少的測量儀器，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。數(shù)字電子技術設計是運用觸發(fā)器和邏輯門電路來實現(xiàn)異步加法十進制計數(shù)器。自制電路設計是運用所學習的知識來自行設計一個有實際意義的電路。在運用protel技術進行畫圖以及仿真。Protel是目前國內(nèi)最流行的通用EDA軟件，它將電路原理圖設計、PCB板圖設計、電路仿真和PLD設計等多個實用工具組合起來構成EDA工作平臺，是第1個將EDA軟件設計成基于Windows的普及型產(chǎn)品。與Protel 99SE軟件相比，Protel DXP功能更加完備、風格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和PLD電路設計方面有了重大改進。擺脫了Protel前期版本基于PCB設計的產(chǎn)品定位，顯露出一個普及型全線EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。關鍵詞：頻率，集成電路，譯碼電路，計數(shù)電路，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路數(shù)字頻率計一、概述在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量。本次設計的數(shù)字頻率計以AT89C52為核心，在軟件編程中采用的是C51語言，測量采用了多周期同步測量法，它避免了直接測量法對精度的不足，同時消除了直接與間接相結合方法，需對被測信號的頻率與中介頻率的關系進行判斷帶來的不便，能實現(xiàn)較高的等精度頻率和周期的測量。數(shù)字頻率計數(shù)器的基本功能是測量一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。二、設計目的（1）掌握數(shù)字頻率計的設計、制作方法。（2）掌握振蕩器、分頻器、記數(shù)譯碼顯示電路、單穩(wěn)態(tài)電路的設計。（3）了解標準脈沖信號發(fā)生器SPG8650B三、設計要求（1）測量頻率范圍：1Hz1MHz。（2）測量信號：方波、正弦波、三角波。（3）測量信號幅度：0.55V。（4）量程分三擋：10,1,0.1。（5）5位LED數(shù)碼管顯示。四、數(shù)字頻率計基本工作原理 所謂頻率，就是周期性信號在單位時間(1s)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為f=N/T 數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。41系統(tǒng)框圖 下面介紹框圖中各部分的功能及實現(xiàn)方法 圖1 數(shù)字頻率計框圖（1）電源與整流穩(wěn)壓電路 框圖中的電源采用 50Hz 的交流市電。市電被降壓、整流、穩(wěn)壓后為整個系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來實現(xiàn)。 （2）全波整流與波形整形電路 本頻率計采用市電頻率作為標準頻率，以獲得穩(wěn)定的基準時間。按國家標準，市電的頻率漂移不能超過 0.5Hz ，即在 1 的范圍內(nèi)。用它作普通頻率計的基準信號完全能滿足系統(tǒng)的要求。全波整流電路首先對 50Hz 交流市電進行全波整流，得到如圖2所示的全波整流波形。波形整形電路對 100Hz 信號進行整形，使之成為如圖2所示 100Hz 的矩形波。 圖2 全波整流與波形整形電路的輸出波形 波形整形可以采用過零觸發(fā)電路將全波整流波形變?yōu)榫匦尾?，也可采用施密特觸發(fā)器進行整形。 （3）分頻器 分頻器的作用是為了獲得 1S 的標準時間。電路首先對圖1所示的 100Hz 信號進行 100 分頻得到如圖3（ a ）所示周期為 1S 的脈沖信號。然后再進行二分頻得到如圖3（ b ）所示占空比為 50 脈沖寬度為 1S 的方波信號，由此獲得測量頻率的基準時間。利用此信號去打開與關閉控制門，可以獲得在 1S 時間內(nèi)通過控制門的被測脈沖的數(shù)目。 二分頻可以采用觸發(fā)器來實現(xiàn)。 （4）信號放大、波形整形電路 為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進行放大與整形處理，圖3 分頻器的輸出波形使之成為能被計數(shù)器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。信號放大可以采用一般的運算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發(fā)器。 （5）控制門 控制門用于控制輸入脈沖是否送計數(shù)器計數(shù)。它的一個輸入端接標準秒信號，一個輸入端接被測脈沖。控制門可以用與門或或門來實現(xiàn)。當采用與門時，秒信號為正時進行計數(shù)，當采用或門時，秒信號為負時進行計數(shù)。 （6）計數(shù)器 計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù)。根據(jù)設計要求，最高測量頻率為 9999Hz ，應采用 4 位十進制計數(shù)器。可以選用現(xiàn)成的 10 進制集成計數(shù)器。 （7）鎖存器 在確定的時間（ 1S ）內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結果（被測信號頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測得的數(shù)據(jù)寄存起來，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的 8 位并行輸入寄存器，為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。 （8）顯示譯碼器與數(shù)碼管 顯示譯碼器的作用是把用 BCD 碼表示的 10 進制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。 選用顯示譯碼器時其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。 42方法與步驟 （1） 器件檢測 用數(shù)字集成電路檢測儀對所要用的 IC 進行檢測，以確定每個器件完好。如有興趣，也可對 LED 數(shù)碼管進行檢測，檢測方法由自己確定。 （2） 電路連接 在自制電路板上將 IC 插座及各種器件焊接好；裝配時，先焊接 IC 等小器件，最后固定并焊接變壓器等大器件。電路連接完畢后，先不插 IC 。 （3） 電源測試 將與變壓器連接的電源插頭插入 220V 電源，用萬用表檢測穩(wěn)壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應為 5V 。如果輸出電壓不對，應仔細檢查相關電路，消除故障。穩(wěn)壓電源輸出正常后，接著用示波器檢測產(chǎn)生基準時間的全波整流電路輸出波形。正常情況應觀測到如圖 13.5(a) 所示波形。 （4） 基準時間檢測 關閉電源后，插上全部 IC 。依次用示波器檢測由 U1(74HC4024) 與 U3A 組成的基準時間計數(shù)器與由 U2A 組成的 觸發(fā)器的輸出波形，并與圖 13.6 所示波形對照。如無輸出波形或波形形狀不對，則應對 U1 、 U3,U2 各引腳的電平或信號波形進行檢測，消除故障。 （5） 輸入檢測信號 從被測信號輸入端輸入幅值在 1V 左右頻率為 1KHz 左右的正弦信號，如果電路正常，數(shù)碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則作進一步檢測。 （6）輸入放大與整形電路檢測 用示波器觀測整形電路 U1A(74HC14) 的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值為 5V 左右的矩形波。如觀測不到輸出波形，或觀測到的波形形狀與幅值不對，則應檢測這一部分電路，消除故障。如該部分電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測控制門。 （7） 控制門檢測 檢測控制門 U3C(74HC11) 輸出信號波形，正常時，每間隔 1S 時間，可以在熒屏上觀測到被測信號的矩形波。如觀測不到波形，則應檢測控制門的兩個輸入端的信號是否正常 , 并通過進一步的檢測找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測計數(shù)器電路。 （8） 計數(shù)器電路的檢測 依次檢測 4 個計數(shù)器 74HC4518 時鐘端的輸入波形，正常時，相鄰計數(shù)器時鐘端的波形頻率依次相差 10 倍。如頻率關系不一致或波形不正常，則應對計數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進行檢測。正常情況各電平值或波形應與電路中給出的狀態(tài)一致。通過檢測與分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 （9） 鎖存電路的檢測 依次檢測 74HC374 鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況各電平值應與電路中給出的狀態(tài)一致。其中，第 11 腳的電平每隔 1S 鐘跳變一次。如不正常，則應檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 （10） 顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測 檢測顯示譯碼器 74HC4511 各控制端與電源端引腳的電平，同時檢測數(shù)碼管各段對應引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析找出故障。 五、測頻控制信號發(fā)生器設計 CLK是由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的頻率為1Hz的標準時鐘信號，當測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的TSTEN端為高電平時允許計數(shù)、低電平時停止計數(shù)，在停止計數(shù)期間，測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的Load端產(chǎn)生一個上升沿，將計數(shù)器在前1s的計數(shù)值鎖存進32b鎖存器REG32B中，并由8個7段譯碼器將計數(shù)結果譯出穩(wěn)定顯示。鎖存信號之后經(jīng)過半個CLK周期，測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的CLR_CNT端產(chǎn)生一個上升沿，對計數(shù)器進行清零。為下1s的計數(shù)操作做準備。了產(chǎn)生這個時序圖，首先有一個D觸發(fā)器構成二分頻器，在每次時鐘CLK的上升沿到來使其值翻轉(zhuǎn)。D觸發(fā)器的輸出高電平正好是1s，因此可以作為測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的TSTEN端，用來控制計數(shù)。圖4 測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的工作時序六、系統(tǒng)的功能仿真在對源程序仿真過程中，時序問題的解決是本論文的一個重要之處，為此，假如信號CLK00 和FS，在輸入CLK_IN不變的情況下，在信號CLK00 代入時附加延時，由信號CLK00 和FS 來控制本數(shù)字頻率計。圖5 仿真波形我們利用EDA 工具MAX+PLUS II對VHDL 的源程序進行編譯，適配，優(yōu)化，邏輯總和，自動地把VHDL 描述轉(zhuǎn)變成門級電路，進而完成電路分析，糾錯和驗證，自動布局布線，仿真等各項測試工作，仿真后得到波形圖如圖5所示。七、心得體會通過這次課程設計我不僅加深了對數(shù)字電子技術的理解，將理論很好地應用到實際當中去，而且我還學會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新可以在原有的基礎上進行改進，使之功能不斷完善，成為真己的東西。從中也掌握了（1）查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；(2)樹立了既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；(3)培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力；(4)學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。我不只在乎這一結果，更加在乎的是這個過程。這個過程中，我們花費了大量的時間和精力，更重要的是，我們在學會創(chuàng)新的基礎上