EDA技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字頻率計(jì)

1、 課 程 設(shè) 計(jì)課 程 eda技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目 數(shù)字頻率計(jì) 院 系 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程 eda技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目 數(shù)字頻率計(jì) 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：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。它在測(cè)量其他物理量如轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率等方面獲得廣泛應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)主要是完成一個(gè)頻率范圍是0999999hz的能測(cè)量方波信號(hào)的頻率的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)?；疽螅?、設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量方波信號(hào)的頻率的頻率計(jì)。2、測(cè)量的頻率范圍是0999999hz。3、結(jié)果用十進(jìn)制數(shù)顯示。主要參考資料：1 潘松著.eda技術(shù)實(shí)用教程(第二版). 北京

2、：科學(xué)出版社,2005.2 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分. 北京：高教出版社,2006.3 閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：高教出版社,2003.完成期限 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 一、 整體功能要求1. 基本原理頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值，其擴(kuò)展功能可以測(cè)量信號(hào)的周期和脈沖寬度。2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求數(shù)字頻率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測(cè)信號(hào)為外部信號(hào)，送入測(cè)量電路進(jìn)行處理、測(cè)量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測(cè)試的項(xiàng)目為頻率、周期或脈寬，若測(cè)量頻率則進(jìn)一步選擇檔位。測(cè)量電路被測(cè)信號(hào) 顯示電路檔位轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率計(jì)整體方案結(jié)構(gòu)方框圖所用電氣指標(biāo)：被測(cè)信號(hào)波形：正弦

3、波、三角波和矩形波。 測(cè)量頻率范圍：分三檔。1hz999hz，0.01khz9.99khz，0.1khz99.9khz。測(cè)量周期范圍：1ms1s。測(cè)量脈寬范圍：1ms1s。測(cè)量精度：顯示3位有效數(shù)字（要求分析1hz、1khz和999khz的測(cè)量誤差）。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率超出測(cè)量范圍時(shí),報(bào)警.所用擴(kuò)展指標(biāo)有：要求測(cè)量頻率值時(shí)，1hz99.9khz的精度均為+1。設(shè)計(jì)條件：電源+5v。門電路、阻容件、發(fā)光二極管和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等原件自定?？晒┻x擇的元器件范圍如下表型號(hào)名稱及功能數(shù)量ne555定時(shí)器1片741518選1數(shù)據(jù)選擇器2片74153雙4選1數(shù)據(jù)選擇器2片7404六反向器1片4518十進(jìn)制同步加/減

4、計(jì)數(shù)器2片74132四2輸入與非門（有施密特觸發(fā)器）1片74160十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器3片c392數(shù)碼管3片4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器1片45114線七段所存譯碼器/驅(qū)動(dòng)器3片tl0841片10k電位器1片電阻電容撥盤開(kāi)關(guān)1個(gè)二、 整體設(shè)計(jì)步驟和調(diào)試過(guò)程 1、總體設(shè)計(jì)電路頻率是周期信號(hào)每秒鐘內(nèi)所含的周期數(shù)值?？筛鶕?jù)這一定義采用如圖所示的算法?？蚣軋D是根據(jù)算法構(gòu)建的方框圖。計(jì)數(shù)電路閘門輸入電路閘門產(chǎn)生顯示電路被測(cè)信號(hào) 頻率測(cè)量算法對(duì)應(yīng)的方框圖在測(cè)試電路中設(shè)置一個(gè)閘門產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門信號(hào)。改閘門信號(hào)控制閘門電路的導(dǎo)通與開(kāi)斷。讓被測(cè)信號(hào)送入閘門電路，當(dāng)1s閘門脈沖到來(lái)時(shí)閘門導(dǎo)

5、通，被測(cè)信號(hào)通過(guò)閘門并到達(dá)后面的計(jì)數(shù)電路（計(jì)數(shù)電路用以計(jì)算被測(cè)輸入信號(hào)的周期數(shù)），當(dāng)1s閘門結(jié)束時(shí)，閘門再次關(guān)閉，此時(shí)計(jì)數(shù)器記錄的周期個(gè)數(shù)為1s內(nèi)被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，即為被測(cè)信號(hào)的頻率。測(cè)量頻率的誤差與閘門信號(hào)的精度直接相關(guān)，因此，為保證在1s內(nèi)被測(cè)信號(hào)的周期量誤差在10 量級(jí)，則要求閘門信號(hào)的精度為10 量級(jí)。2、模塊設(shè)計(jì)和相應(yīng)模塊程序被測(cè)信號(hào)譯碼顯示衰減放大fx整形電路閘門電路計(jì)數(shù)電路振蕩器時(shí)基電路k1k2k3控制電路 測(cè)量頻率的原理框圖時(shí)基電路閘門電路計(jì)數(shù)電路鎖存電路譯碼顯示被測(cè)信號(hào)tx整形電路二分頻控制電路 測(cè)量周期的原理框圖輸入電路：由于輸入的信號(hào)可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或

6、計(jì)數(shù)電路要求被測(cè)信號(hào)為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測(cè)量的時(shí)候，首先通過(guò)整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況。所以在通過(guò)整形之前通過(guò)放大衰減處理。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較大時(shí)，通過(guò)輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，前級(jí)輸入衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時(shí)被測(cè)信號(hào)得以放大。頻率測(cè)量：測(cè)量頻率的原理框圖如圖。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

7、開(kāi)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(kāi)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。周期測(cè)量：測(cè)量周期的原理框圖。測(cè)量周期的方法與測(cè)量頻率的方法相反，即將被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形、二分頻電路后轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。方波信號(hào)中的脈沖寬度恰好為被測(cè)信號(hào)的1個(gè)周期。將方波的脈寬作為閘門導(dǎo)通的時(shí)間，在閘門導(dǎo)通的時(shí)間里，計(jì)數(shù)器記錄標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門的重復(fù)周期個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器累計(jì)的結(jié)果可以換算出被測(cè)信號(hào)的周期。用時(shí)間tx來(lái)表示：tx=nts式中：tx為被測(cè)信號(hào)的周期；n為計(jì)數(shù)器脈沖計(jì)數(shù)值；ts為時(shí)基信號(hào)周期。時(shí)基電路：時(shí)基信號(hào)由555定時(shí)器、rc組容件構(gòu)成多諧振蕩器，其兩個(gè)暫態(tài)時(shí)間分別為t1=0

8、.7（ra+rb）c t2=0.7rbc。重復(fù)周期為 t=t1+t2 。由于被測(cè)信號(hào)范圍為1hz1mhz，如果只采用一種閘門脈沖信號(hào)，則只能是10s脈沖寬度的閘門信號(hào)，若被測(cè)信號(hào)為較高頻率，計(jì)數(shù)電路的位數(shù)要很多，而且測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)給用戶帶來(lái)不便，所以可將頻率范圍設(shè)為幾檔： 1hz999hz檔采用1s閘門脈寬；0.01khz9.99khz檔采用0.1s閘門脈寬；0.1khz99.9khz檔采用0.01s閘門脈寬。多諧振蕩器經(jīng)二級(jí)10分頻電路后，可提取因檔位變化所需的閘門時(shí)間1ms、0.1ms、0.01ms。閘門時(shí)間要求非常準(zhǔn)確，它直接影響到測(cè)量精度，在要求高精度、高穩(wěn)定度的場(chǎng)合，通常用晶體振蕩器

9、作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中我們采用的就是前一種方案。在電路中引進(jìn)電位器來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器產(chǎn)生的頻率。使得能夠產(chǎn)生1khz的信號(hào)。這對(duì)后面的測(cè)量精度起到?jīng)Q定性的作用。計(jì)數(shù)顯示電路：在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開(kāi)始計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)中有多少個(gè)上升沿。在計(jì)數(shù)的時(shí)候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，此時(shí)要使數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐防锩嬉a(chǎn)生計(jì)數(shù)清零信號(hào)和鎖存控制信號(hào)?？刂齐娐饭ぷ鞑ㄐ蔚氖疽?。3、仿真及仿真結(jié)果分析時(shí)基電路與分頻電路第一部分為555定時(shí)器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000hz的脈沖.振蕩器的頻率計(jì)算公式為:f=1.43/(r1+2*r2)*c),因此,可以計(jì)算出各個(gè)參

10、數(shù)通過(guò)計(jì)算確定了r1取430歐姆,r3取500歐姆,電容取1uf.這樣得到了比較穩(wěn)定的脈沖。在r1和r3之間接了一個(gè)10k的電位器便于在后面調(diào)節(jié)使得555能夠產(chǎn)生非常接近1khz的頻率。第二部分為分頻電路,主要由4518組成，因?yàn)檎袷幤鳟a(chǎn)生的是1000hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時(shí)基信號(hào)要求為0.01s、0.1s和1s。4518為雙bcd加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，計(jì)數(shù)器級(jí)為d型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換cp和en線，用于在時(shí)鐘上升沿或下降沿加計(jì)數(shù)，在單個(gè)運(yùn)算中，en輸入保持高電平，且在cp上升沿進(jìn)位，cr線為高電平時(shí)清零。計(jì)數(shù)器在脈動(dòng)模式可級(jí)聯(lián)，通過(guò)將q連接至下一計(jì)數(shù)

11、器的en輸入端可實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，同時(shí)后者的cp輸入保持低電平。如圖所示，555產(chǎn)生的1khz的信號(hào)經(jīng)過(guò)三次分頻后得到3個(gè)頻率分別為100hz、10hz和1hz的方波。1khz的方波分頻后波形圖閘門電路設(shè)計(jì)如圖所示，通過(guò)74151數(shù)據(jù)選擇器來(lái)選擇所要的10分頻、100分頻和1000分頻。74151的cba接撥盤開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)選頻進(jìn)行控制。當(dāng)cba輸入001時(shí)74151輸出的方波的頻率是1hz；當(dāng)cba輸入010時(shí)74151輸出的方波的頻率是10hz；當(dāng)cba輸入011時(shí)74151輸出的方波的頻率是100hz 。分析其通過(guò)4017后出現(xiàn)的波形圖（4017的管腳圖、功能表和波形圖詳見(jiàn)附錄）。4017是5位計(jì)數(shù)器

12、，具有10個(gè)譯碼輸出端，cp，cr，inh輸入端，時(shí)鐘輸入端的施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制，inh為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。100hz的方波作為4017的cp端， 信號(hào)通過(guò)4017后，從q1輸出的信號(hào)高電平的脈寬剛好為100hz信號(hào)的一個(gè)周期，相當(dāng)于將原信號(hào)二分頻。也就是q1的輸出信號(hào)高電平持續(xù)的時(shí)間為10ms，那么這個(gè)信號(hào)可以用來(lái)導(dǎo)通閘門和關(guān)閉閘門。閘門電路圖控制電路設(shè)計(jì)通過(guò)分析我們知道控制電路這部分是本實(shí)驗(yàn)的最為關(guān)鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個(gè)小的模塊，通過(guò)控制選擇所要測(cè)量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時(shí)控制電路還要產(chǎn)生74160的清零信號(hào)?？?/p>

13、制電路、計(jì)數(shù)電路和譯碼顯示電路電路圖控制電路：計(jì)數(shù)電路和譯碼顯示電路詳細(xì)的電路如圖所示。當(dāng)74153的cba接001、010、011的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)頻率的功能。當(dāng)74153的cba接100的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)周期的功能。當(dāng)74153的cba接101的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的是測(cè)量被測(cè)信號(hào)脈寬的功能。測(cè)試被測(cè)信號(hào)頻率時(shí)的計(jì)數(shù)器cp信號(hào)波形、pt端輸入波形、clr段清零信號(hào)波形、4511鎖存端波形圖。其中第一個(gè)波形是被測(cè)信號(hào)的波形圖、第二個(gè)是pt端輸入信號(hào)的波形圖、第三個(gè)是計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。第四個(gè)是鎖存信號(hào)。pt是高電平的時(shí)候計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作。clr為低電平的時(shí)候，計(jì)數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計(jì)數(shù)

14、之前對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行了清零。根據(jù)4511（4511的管腳圖和功能表詳見(jiàn)附錄）的功能表，當(dāng)鎖存信號(hào)為高電平的時(shí)候，4511不送數(shù)。如果不讓4511鎖存的話，那么計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)一直往數(shù)碼管里送。由于在計(jì)數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動(dòng)。那么通過(guò)鎖存信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的時(shí)候讓數(shù)碼管不顯示，計(jì)完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)器計(jì)到的數(shù)字的功能。當(dāng)pt到達(dá)下降沿的時(shí)候，此時(shí)4511的le端的輸入信號(hào)也剛好到達(dá)下降沿。小數(shù)點(diǎn)顯示電路小數(shù)點(diǎn)顯示電路設(shè)計(jì)在測(cè)量頻率的時(shí)候，由于分3個(gè)檔位，那么在不同的檔的時(shí)候，小數(shù)點(diǎn)也要跟著顯示。比如cba接011測(cè)量頻率的時(shí)候，它所測(cè)信號(hào)頻率的范圍是0

15、.1khz99.9khz，那么在顯示的時(shí)候三個(gè)數(shù)碼管的第二個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)要顯示。cba接010測(cè)量頻率的時(shí)候，它所測(cè)信號(hào)頻率的范圍是0.01khz9.99khz，那么顯示的時(shí)候，最高位的數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)也要顯示。對(duì)比一下兩個(gè)輸入的高低電平可以發(fā)現(xiàn)ca位不一樣，顯示的小數(shù)點(diǎn)就不一樣。4、實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果首先調(diào)測(cè)時(shí)基信號(hào)，通過(guò)555定時(shí)器、rc阻容件構(gòu)成多諧振蕩器的兩個(gè)暫態(tài)時(shí)間公式，選擇r1=8.2k ，r2=5.1k，c=0.01f。把555產(chǎn)生的信號(hào)接到示波器中，調(diào)節(jié)電位器使得輸出的信號(hào)的頻率為1khz。同時(shí)輸出信號(hào)的頻率也要穩(wěn)定。測(cè)完后，下面測(cè)試分頻后的頻率，分別接一級(jí)分頻、二級(jí)分頻、三級(jí)分頻的

16、輸出端，測(cè)試其信號(hào)。測(cè)出來(lái)的信號(hào)頻率和理論值很接近。由于是將示波器的測(cè)量端分別測(cè)量每個(gè)原件的輸出端。下面我在實(shí)驗(yàn)中把74151和撥盤開(kāi)關(guān)接好，通過(guò)撥盤開(kāi)關(guān)來(lái)控制74151的輸出信號(hào)，把示波器的測(cè)量端接74151的輸出端。在cba取三個(gè)不同的高低電平時(shí)，得到三個(gè)不同頻率的信號(hào)。 顯示電路調(diào)測(cè)連接圖如圖接好顯示電路，然后將4511的5端接地。然后給4511的6217端分別接高低電平，數(shù)碼管就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字。比如6217分別接1000，那么數(shù)碼管就對(duì)應(yīng)顯示數(shù)字8.同樣，還有兩個(gè)數(shù)碼管也按上圖接好。接好后的測(cè)試方法同上。這樣，顯示電路也就搞好了。 計(jì)數(shù)電路調(diào)測(cè)連接圖計(jì)數(shù)電路按照?qǐng)D 連接好，將7416

17、0的pt端，clr端，ld端都接高電平，3個(gè)74160級(jí)聯(lián)，構(gòu)成異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同時(shí)4511的5端要接0，在調(diào)測(cè)的過(guò)程中，我忘記將其置零，導(dǎo)致在后面數(shù)碼管一直不顯示數(shù)字。接好后，給最低位的74160一個(gè)cp信號(hào)。讓函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率適當(dāng)?shù)姆讲?。這樣，計(jì)數(shù)器就開(kāi)始計(jì)數(shù)了。數(shù)碼管從000999顯示。計(jì)數(shù)電路就這樣搞好了。在調(diào)測(cè)的過(guò)程中，74160的clr端，ld端，4511的5端都是用臨時(shí)的線連接。因?yàn)樵诤竺孢@些端都是連接控制電路產(chǎn)生清零、鎖存信號(hào)的輸出端?？刂齐娐愤B接圖控制電路的連接圖如圖 ，其中兩個(gè)74153的ba端分別接了01，4017的輸入的cp的頻率是100hz，此時(shí)的功能是測(cè)

18、量范圍是0.1khz99.9khz?？刂齐娐返恼{(diào)測(cè)波形圖由調(diào)試波形可以知道電路設(shè)計(jì)是正確的。這部分是測(cè)量頻率的功能。同時(shí)控制電路還要實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期和脈寬的功能，在前面已經(jīng)說(shuō)明的如何測(cè)量周期的算法，它的方法剛好和測(cè)量頻率的相反，測(cè)頻率的時(shí)候時(shí)基信號(hào)作為閘門信號(hào)，而測(cè)量周期是將被測(cè)信號(hào)作為閘門信號(hào)。測(cè)量周期連接圖（部分）測(cè)量周期的時(shí)候只需將74153的cba置100就可以實(shí)現(xiàn)了。當(dāng)74153的cba為100的時(shí)候，74153的1y輸出的信號(hào)為被測(cè)信號(hào)，在圖中接的是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，它產(chǎn)生的是頻率為20hz的方波。這個(gè)信號(hào)作為4017的cp信號(hào)。根據(jù)圖4-6可以知道74151的輸出的信號(hào)是被測(cè)信號(hào)fx，

19、經(jīng)過(guò)4017后的輸出信號(hào)信號(hào)q1、q2的脈寬剛好為fx的周期，這個(gè)原理在前面測(cè)量頻率部分已經(jīng)介紹過(guò)，這里就不再重復(fù)了。其中q1信號(hào)非一下，就可以作為74160的clr端的清零信號(hào)，q2的信號(hào)接74160的pt端作為的閘門信號(hào)，在pt一直為高電平的時(shí)候計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。pt的高電平持續(xù)的時(shí)間剛好為fx的周期。在閘門導(dǎo)通的時(shí)間，即pt一直為高電平的時(shí)候，計(jì)數(shù)器記錄標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門的重復(fù)周期個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器累計(jì)的結(jié)果可以換算出被測(cè)信號(hào)的周期，用時(shí)間tx來(lái)表示：tx=nts（tx為被測(cè)信號(hào)的周期；n為計(jì)數(shù)器脈沖計(jì)數(shù)值；ts為時(shí)鐘信號(hào)周期）。 測(cè)量頻率電路的調(diào)測(cè)波形圖 測(cè)量脈寬電路的調(diào)測(cè)波形圖測(cè)量脈寬部分的調(diào)測(cè)。測(cè)量脈沖寬度的原理與測(cè)量周期的原理十分相似。所不同的是，它直接用整形后的脈沖信號(hào)的寬度tw作為閘門的導(dǎo)通時(shí)間。在閘門導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，測(cè)量時(shí)基信號(hào)的重復(fù)周期，并由式tw=nts得出脈沖寬度值。 三、結(jié)論及心得體會(huì) 本次實(shí)習(xí)讓我體味到設(shè)