課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器

1、課程設(shè)計(jì)課程名稱： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 年 級(jí)： 任課教師： 年 月 日目錄目錄2摘要3abstract4前言51. 技術(shù)指標(biāo)61.1設(shè)計(jì)的目的61.2主要技術(shù)指標(biāo)62、整體方案設(shè)計(jì)論證72.1、數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻率的基本原理72.2頻率的測(cè)量82.3設(shè)計(jì)方案82.3.1測(cè)頻法83、 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算103.1邏輯控制電路的設(shè)計(jì)103.1.1邏輯電路參數(shù)計(jì)算123.2鎖存器及計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)123.3閘門電路133.3.1閘門電路參數(shù)計(jì)數(shù)133-4脈沖形成電路154、整體電路設(shè)計(jì)圖174.1 整體電路設(shè)計(jì)圖175、設(shè)計(jì)總結(jié)185.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況185.2心得體會(huì)186：

2、參考文獻(xiàn)187、致謝198、附錄20簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器摘要頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量顯得更為重要。測(cè)量頻率的方法有多種，其中電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置，它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號(hào)的頻率，而且還可以測(cè)量它們的周期。簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的系統(tǒng)主要由輸入整形電路、邏輯控制電路、閘門、門控電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路等組成。關(guān)鍵詞：數(shù)字頻率計(jì) 頻率 邏輯門控電路 digital fre

3、quency planabstractfrequency is one of the most basic parameters, and with a lot of electric parameters of the measurement program, the measurement results have a very close relationship, and frequency measurement is even more important. there are several ways of measuring frequency, the electronic

4、counter to measure frequency with high precision, easy to use, rapid measurement, and easy to automate the measurement process, etc., is one of the important means of frequency measurement. the digital frequency meter is the direct use of decimal digits to display the signal frequency of a measuring

5、 device, it can measure not only the sine wave, square wave, triangle wave and spike frequency of the signal, but also to measure their cycle. simple digital frequency meter system mainly consists of input shaping circuit, the logic control circuit, the gate, the gating circuit, counting the decodin

6、g display circuit and other components.keywords:digital frequency meter ,frequency, logic gating circuit前言頻率計(jì)是數(shù)字電路中的一個(gè)典型應(yīng)用，是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器，頻率測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。設(shè)計(jì)所要達(dá)到的效果，同時(shí)此設(shè)計(jì)具有抗干擾性強(qiáng)、易于傳輸 ,較高的測(cè)量精度等特點(diǎn)。數(shù)字頻率計(jì)是一種基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，在許多情況下，要對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，利用示波器可以粗略測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率，精確測(cè)量則要用到數(shù)字頻率計(jì),測(cè)量頻率的方法有多種,其中電子計(jì)

7、數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻有兩種方式：一是直接測(cè)頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測(cè)頻法，如周期測(cè)頻法。直接測(cè)頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測(cè)量，間接測(cè)頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測(cè)量, 測(cè)量采用了多周期同步測(cè)量法，它避免了直接測(cè)量法對(duì)精度的不足，同時(shí)消除了直接與間接相結(jié)合方法，需對(duì)被測(cè)信號(hào)的頻率與中介頻率的關(guān)系進(jìn)行判斷帶來(lái)的不便，能實(shí)現(xiàn)較高的等精度頻率和周期的測(cè)量。1. 技術(shù)指標(biāo)1.1設(shè)計(jì)的目的1.學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，掌握簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)整體設(shè)計(jì)。2.熟練掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。3.熟

8、悉一些常用的集成芯片及其聯(lián)線方式。4.熟練掌握仿真軟件的操作。1.2主要技術(shù)指標(biāo)主要功能要求 4位十進(jìn)制數(shù)顯示、小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)定位；頻率測(cè)量范圍 1hz10khz、10khz100khz、100k hz1mhz；頻率準(zhǔn)確度 -3；被測(cè)信號(hào)幅度vxm=0.2v5v（正弦波、方波、三角波）2、整體方案設(shè)計(jì)論證2.1、數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻率的基本原理數(shù)字頻率數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置，它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號(hào)的頻率，而且還可以測(cè)量它們的周期。頻率就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間(1s)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔t內(nèi)測(cè)的這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為n，則其頻

9、率可以表示為 f=n/t數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻率的原理如圖2-1譯碼顯示器鎖存器計(jì)數(shù)器閘門電路器時(shí)基電路放大整形電路邏輯控制電路x鎖存計(jì)數(shù)清“0”txn圖2.1簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖和波形圖2.2頻率的測(cè)量頻率測(cè)量：測(cè)量頻率的原理框圖如圖2-1.測(cè)量頻率共有3個(gè)檔位。被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時(shí)基信號(hào)的到來(lái)。時(shí)基信號(hào)有555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)，作為閘門開通的基準(zhǔn)時(shí)間。被測(cè)信號(hào)通過(guò)閘門，作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器即開始記錄時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，這樣就達(dá)到了測(cè)量頻率的目的。2.3設(shè)計(jì)方案測(cè)量頻率的基本方法有兩種：計(jì)數(shù)法和

10、計(jì)時(shí)法，或稱測(cè)頻法和測(cè)周期法。 2.3.1測(cè)頻法測(cè)頻法是將被測(cè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)定時(shí)閘門加到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如果閘門打開的時(shí)間為t，計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值為n1，則被測(cè)頻率為f=n1/t。改變時(shí)間t，則可改變測(cè)量頻率范圍。如圖2-2所示。設(shè)在t期間，計(jì)數(shù)器的精確計(jì)數(shù)值應(yīng)為n,根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)特性可知，n1的絕對(duì)誤差是n1=n+1,n1的相對(duì)誤差為n1=(n1-n)/n=1/n。由n1的相對(duì)誤差可知，n的數(shù)值愈大，相對(duì)誤差愈小，成反比關(guān)系。圖2.3.1測(cè)頻法測(cè)量原理計(jì)數(shù)值n1t被測(cè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)閘門 因此，在f以確定的條件下，為減少n的相對(duì)誤差，可通過(guò)增大t的方法來(lái)降低測(cè)量誤差。當(dāng)t為某確定值時(shí)（通常取1

11、s），則有f1=n1,而f=n，故有f1的相對(duì)誤差： f1=(f1-f)/f=1/f 從上式可知f1的相對(duì)誤差與f成反比關(guān)系，即信號(hào)頻率越高，誤差越??；測(cè)量的過(guò)程如圖所示，在tw時(shí)間內(nèi)通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄被測(cè)信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)，然后把記錄結(jié)果鎖存，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，送數(shù)碼管顯示，即為所測(cè)頻率。，方案二： 測(cè)周期法測(cè)周期法需要有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率fs，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)應(yīng)該取一個(gè)頻率適中的高頻信號(hào)，在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)ns，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：fx=fs/ns。圖2.3.2周期測(cè)量原理測(cè)量測(cè)周期法的過(guò)程如上圖所示，在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期的個(gè)數(shù)，然后把記錄結(jié)果鎖存，經(jīng)過(guò)運(yùn)算

12、后，送數(shù)碼管顯示，即為所測(cè)頻率。，比較一二兩種方案： 這兩種測(cè)頻率的原理基本一樣，都是通過(guò)在給定的時(shí)間內(nèi)記錄脈沖的個(gè)數(shù)，經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算處理，得出結(jié)果顯示出來(lái)。并且這兩種方案的計(jì)數(shù)值都會(huì)產(chǎn)生誤差，都與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值nx或ns有關(guān)。但是考慮到用vhdl語(yǔ)言編寫乘除的算法比較困難，并且經(jīng)過(guò)乘除運(yùn)算后所得結(jié)果的誤差較大，因此選用方案一。 方案一得好處是閘門信號(hào)直接可以選擇1s的時(shí)鐘信號(hào)，在這1s時(shí)間內(nèi)記錄的被測(cè)信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)，正好就是被測(cè)信號(hào)的頻率，不再需要進(jìn)行運(yùn)算處理。不但減少編程的難度，而且也減小了實(shí)驗(yàn)的誤差。因?yàn)閭?cè)周期法的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是一個(gè)高頻信號(hào)，在不同的被測(cè)信號(hào)的脈沖下所造成的誤差有很大的不

13、同。而在1s閘門信號(hào)下，記錄的脈沖個(gè)數(shù)，對(duì)于所有被測(cè)信號(hào)的產(chǎn)生的誤差基本是一樣?？紤]到以上的各因素，我認(rèn)為方案一是比較理想的選擇。3、 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1邏輯控制電路的設(shè)計(jì)圖3.1.1邏輯控制電路根據(jù)圖3-1所示，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)跳變用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào)（接13管腳），鎖存信號(hào)的負(fù)跳變又用來(lái)產(chǎn)生0信號(hào)（接12管腳），它們 的脈沖寬度由本身的參數(shù)所決定。因此這兩脈沖信號(hào)可以由兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生。圖3-1中兩芯片為74ls123構(gòu)成。 表3-1 74ls123功能表 輸 入 輸 出 clr a b q 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 圖3.1.2可

14、重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出輸入波形3.1.1邏輯電路參數(shù)計(jì)算 由74ls123組成的邏輯控制電路如圖2-33所示。設(shè)鎖存信號(hào)iv和清零信號(hào)v的脈沖寬度tw相同，tw=0.02s,則由式得： tw=0.45 rextcext=0.02s若取rext=10 k，則 cext=tw/(0.45rext)=4.4uf,取標(biāo)稱值4.7uf。3.2鎖存器及計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)進(jìn)行所存，使顯示器上獲得穩(wěn)定的測(cè)量值。這時(shí)因?yàn)橛?jì)數(shù)器在1s內(nèi)要計(jì)成千上萬(wàn)個(gè)輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將通過(guò)隨機(jī)計(jì)數(shù)器的輸入而變化，不便于讀數(shù)。當(dāng)1s的計(jì)數(shù)器結(jié)束時(shí)，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號(hào)，

15、將計(jì)數(shù)器此時(shí)的值送譯碼顯示器，因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求頻率值由4位數(shù)字顯示，則技術(shù)器相應(yīng)地應(yīng)該是10000進(jìn)制。10000進(jìn)制計(jì)數(shù)器可由4片7seg-mpx1-ca構(gòu)成，即每一片連成十進(jìn)制，則4片級(jí)連構(gòu)成10000進(jìn)制。鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)所記得的數(shù)進(jìn)行鎖存，是顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時(shí)計(jì)數(shù)器的值送譯碼顯示器。選用8位鎖器74ls273可以完成上述功能，當(dāng)時(shí)鐘脈沖cp正跳變來(lái)到時(shí)，鎖存器的輸出等于輸入，即q=d，從而將計(jì)數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無(wú)論d為何值，輸出端q的狀態(tài)仍保持原來(lái)的狀態(tài)不變，所以在計(jì)數(shù)期間，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。圖3.

16、2.1鎖存電路和譯碼顯示電路3.3閘門電路閘門電路的作用是控制計(jì)數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（1s正脈沖）到來(lái)時(shí)，閘門開通，被測(cè)信號(hào)的脈沖通過(guò)閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖結(jié)束時(shí)（為低電平時(shí)），閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器無(wú)時(shí)鐘輸入。3.3.1閘門電路參數(shù)計(jì)數(shù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為1s時(shí)的脈沖是由定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器電路產(chǎn)生，若取振蕩器的頻率f=1/()=0.8hz,則振蕩器的輸出波形如圖3.3-2所示，其中 可以計(jì)算電阻r1、r2及電容的值，即 t1=0.7(r1+r2)c t2=0.7r2c若電容c=10uf，則 t2/o.7c=36 取 3.3.1閘門電路圖3.3.2閘門電路的波形圖3-4脈沖形成電路

17、脈沖形成電路的作用是將輸入的周期信號(hào)如正弦波、三角形波或其他呈周期性變化的波形變換成脈沖波，器周期不變。 圖3.4.1脈沖電路圖圖3.4.2脈沖信號(hào)波形圖由于集成定時(shí)器555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平v+=2/3vcc，下觸發(fā)電平v-=1/3vcc?；夭铍娖?即 輸入信號(hào)的直流電平vox應(yīng)滿足下列關(guān)系 輸入信號(hào)的幅度vxm、直流電平vox和回差有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，越小，對(duì)輸入信號(hào)的要求越小。如果需要減少回差，可以在集成定時(shí)器555的控制端co即5腳接入一正源電壓。 4、整體電路設(shè)計(jì)圖4.1 整體電路設(shè)計(jì)圖由已設(shè)計(jì)好：邏輯控制電路圖、鎖存器計(jì)數(shù)器電路、脈沖形成電路圖、閘門電路圖等局部電路圖聯(lián)線并

18、得到圖4.1.1所示。圖4.1.1整體電路圖5、設(shè)計(jì)總結(jié)5.1 設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況通過(guò)為期兩周的課程設(shè)計(jì)，完成了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，剛開始設(shè)計(jì)的時(shí)候，大腦一頭霧水，不知所措。在牛老師的指導(dǎo)講解下并通過(guò)查閱相關(guān)資料對(duì)本次課程設(shè)計(jì)有所領(lǐng)悟。在設(shè)計(jì)中所遇到困難有很多。如對(duì)仿真軟件還不能熟練使用，以至于開始時(shí)設(shè)計(jì)進(jìn)度較慢。另外對(duì)控制電路這部分比較難搞定，所以在連接電路的時(shí)候，就會(huì)停下來(lái)設(shè)計(jì)控制電路，為了提高效率，在實(shí)際的操作中，先連好時(shí)基電路，分頻電路測(cè)試通過(guò)后，再把顯示電路和計(jì)數(shù)電路連好，調(diào)測(cè)符合要求。最后搞定控制電路的連接。它所實(shí)現(xiàn)的功能就是可以測(cè)被測(cè)信號(hào)的頻率，周期和脈寬。在調(diào)測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)測(cè)量頻率時(shí)，檔位在1hz999hz，最終得到的結(jié)果的誤差稍微大了點(diǎn)，其他的測(cè)量結(jié)果非常接近測(cè)量值。5.2心得體會(huì)通過(guò)課程設(shè)計(jì)讓我們加深了對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的理解和在課堂所遇到一些疑惑得到了簡(jiǎn)答。同時(shí)也體味到設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測(cè)電路過(guò)程中的失敗的苦楚與運(yùn)行成功的喜悅。設(shè)計(jì)是我們將來(lái)必需的技能，這次課程設(shè)計(jì)恰恰給我們提供了一個(gè)應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，從到圖書館和