數(shù)字頻率計的設(shè)計

1、CHENGNAN COLLEGE OF CUST 電子技術(shù)應(yīng)用實習(xí)題目： 電子技術(shù)應(yīng)用實習(xí) 數(shù)字頻率計的設(shè)計學(xué)生姓名：宋 盼學(xué) 號：201284250132 班 級: 電信1201 專 業(yè)：電子信息工程指導(dǎo)教師：徐理英、謝文彪 2015年 1月 數(shù)字頻率計的設(shè)計 目錄1 實習(xí)目的和內(nèi)容以及要求11.1 實習(xí)目的11.2 實習(xí)的內(nèi)容11.3 實習(xí)的要求11.3.1 設(shè)計要求11.3.2 實習(xí)任務(wù)要求12 設(shè)計原理及軟件簡介32.1 設(shè)計原理32.2 Mutisim簡介33 設(shè)計步驟和過程43.1 算法設(shè)計43.2 整體方框圖及原理53.2.1 輸入電路53.2.2 頻率測量53.2.3 計數(shù)顯示

2、電路53.2.4 控制電路54 設(shè)計的仿真和運行結(jié)果64.1 時基電路設(shè)計64.2 時基電路的調(diào)試74.3 脈沖整形電路設(shè)計74.4 脈沖整形電路的調(diào)試84.5 控制電路設(shè)計84.6 邏輯控制電路的調(diào)試104.7 顯示電路設(shè)計114.8 計數(shù)電路和顯示電路的調(diào)試114.9 顯示單位轉(zhuǎn)換電路124.10 報警電路設(shè)計125 結(jié)論.145.1 設(shè)計任務(wù)完成情況145.2 問題及改進145.3心得體會14參考文獻16附錄A 數(shù)字頻率計原理圖17附錄B 數(shù)字頻率計元器件清單18第 3 頁 共 2 頁1 實習(xí)目的和內(nèi)容以及要求1.1 實習(xí)目的(1) 掌握中、小規(guī)模集成電路設(shè)計與制作的方法。(2) 進一步

3、培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字電路的綜合應(yīng)用能力和設(shè)計能力。(3) 熟悉并運用Multisim軟件。(4) 通過查閱手冊和文獻資料，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力。1.2 實習(xí)的內(nèi)容：按要求設(shè)計一個數(shù)字頻計。1.3 實習(xí)的要求 1.3.1 設(shè)計要求1.3.1.1 基本部分(1) 被測信號的頻率范圍為1Hz100KHz，分成兩個頻段，即1Hz999Hz， 1100KHz。(2) 具有自檢功能，即用儀器內(nèi)部的標準脈沖校準測量精度。(3) 用3為數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，測量誤差小于10%。1.3.1.2 發(fā)揮部分(1) 用發(fā)光二極管表示單位，當綠燈亮?xí)r表示Hz，紅燈亮?xí)r表示KHz。(2) 具有超量程報警功能，在超出當

4、前量程擋的測量范圍時，發(fā)出燈光和音響信號。 (3) 測量誤差小于5%。1.3.2 實習(xí)任務(wù)要求 (1) 畫出總體設(shè)計框圖，以說明數(shù)字頻率計由哪些相對獨立的功能模塊組成，標出各個模塊之間互相聯(lián)系，控制信號傳輸路徑、方向。并以文字對原理作輔助說明。(2) 設(shè)計各個功能模塊的電路圖，加上原理說明。(3) 選擇合適的元器件，在仿真設(shè)計軟件上連接驗證、仿真、調(diào)試各個功能模塊的電路。在連接驗證時設(shè)計、選擇合適的輸入信號和輸出方式，在充分電路正確性同時，輸入信號和輸出方式要便于電路的仿真、調(diào)試和故障排除。(4) 在驗證各個功能模塊基礎(chǔ)上，對整個電路的元器件和連接，進行合理布局，進行整個數(shù)字鐘電路的連接驗證、

5、仿真、調(diào)試。(5) 自行接線驗證、仿真、調(diào)試，并能檢查和發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)原理、現(xiàn)象和仿真結(jié)果分析問題所在，加以解決。學(xué)生要解決的問題包括元器件選擇、連接和整體設(shè)計引起的問題。2 設(shè)計原理及軟件簡介2.1 設(shè)計原理數(shù)字頻率計用于測量正弦信號、矩形信號等波形的頻率，其概念是單位時間里的脈沖個數(shù)，如果用一個定時時間T控制一個閘門電路，時間T內(nèi)閘門打開，讓被測信號通過而進入計數(shù)譯碼，可得到被測信號的頻率fx= ，若T=1秒，則fx=N。圖1 數(shù)字頻率計原理圖2.2 Mutisim簡介Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工

6、作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。3 設(shè)計步驟和過程3.1 算法設(shè)計頻率是周期信號每秒鐘內(nèi)所含的周期數(shù)值?？筛鶕?jù)這一定義采用如圖2 所示的算法。圖3 是根據(jù)算法構(gòu)建的方框圖。

7、圖2 頻率測量算法示意圖計數(shù)電路閘門輸入電路閘門產(chǎn)生顯示電路 被測信號 圖3 頻率測量算法對應(yīng)的方框圖在測試電路中設(shè)置一個閘門產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生脈沖寬度為1s的閘門信號。該閘門信號控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。讓被測信號送入閘門電路，當1s閘門脈沖到來時閘門導(dǎo)通，被測信號通過閘門并到達后面的計數(shù)電路（計數(shù)電路用以計算被測輸入信號的周期數(shù)），當1s閘門結(jié)束時，閘門再次關(guān)閉，此時計數(shù)器記錄的周期個數(shù)為1s內(nèi)被測信號的周期個數(shù)，即為被測信號的頻率。測量頻率的誤差與閘門信號的精度直接相關(guān)。3.2 整體方框圖及原理圖4 測量頻率的原理圖3.2.1 輸入電路由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計

8、數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過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信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。3.2.2 頻率測量測量頻率的原理框圖如圖4 .測量頻率共有顯示單位。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標準的時基信

9、號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達到了測量頻率的目的。3.2.3 計數(shù)顯示電路在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字。3.2.4 控制電路控制電路用于產(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號。4 設(shè)計的仿真和運行結(jié)果4.1 時基電路設(shè)計圖5 時基電路與分頻電路它由兩部分組成: 如圖5 所示，第一部分為555定時器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000Hz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為: T1=0.693Ra*C （4-1） T

10、2=0.693Rb*C （4-2） f=1.44/(R1+2*R2)*C) （4-3） 因此,我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R11=20K ，R2=2.7K，C=47F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74LS90D組成，因為振蕩器產(chǎn)生的是1000Hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時基信號要求周期為1s。74LS90D為十進制計數(shù)器,可用作分頻。4.2 時基電路的調(diào)試首先調(diào)測時基信號，通過555定時器、RC阻容件構(gòu)成多諧振蕩器的兩個暫態(tài)時間公式，選擇R11=20K ，R2=2.7K，C=47F。把555產(chǎn)生的信號接到示波器中，使得輸出的信號的頻率

11、為1KHz。同時輸出信號的頻率也要穩(wěn)定。測完后，下面測試分頻后輸出端信號。測出來的信號頻率和理論值1Hz相等。這樣，時基電路這部分就測試完畢，可以用于做標準的閘門信號，所以此時的時基電路設(shè)計好了，而且時基信號也沒有什么問題。圖6 時基電路分頻后的波形4.3 脈沖整形電路設(shè)計如圖7 所示，待測的波先被送入到放大電路的輸入端，輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路在測量的時候，首先通過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信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰

12、減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。然后把放大調(diào)整后的信號送入由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能經(jīng)過施密特觸發(fā)器后便把信號整形成為矩形波。圖7 脈沖整形電路4.4 脈沖整形電路的調(diào)試用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦波形，輸入脈沖整形電路，用示波器來觀察待測信號經(jīng)脈沖整形電路后波形的前后變化，結(jié)果如圖8 ，A表示整形后的波形，B表示整形前的。圖8 待測信號整形前后波形圖4.5 控制電路設(shè)計通過分析我們知道控制電路這部分是本實驗的最為關(guān)鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個小的模塊，通

13、過控制選擇所要測量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時控制電路還要產(chǎn)生74160的清零信號，74LS373的鎖存信號。圖9 邏輯控制電路邏輯控制電路詳細的電路如圖9 所示。圖10 是測試被測信號頻率時的計數(shù)器CP信號波形、PT端輸入波形、CLR段清零信號波形、74LS373鎖存端波形圖。其中第一個波形是被測信號的波形圖、第二個是PT端輸入信號的波形圖、第三個是計數(shù)器的清零信號。第四個是鎖存信號。PT是高電平的時候計數(shù)器開始工作。CLR為低電平的時候，計數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計數(shù)之前對計數(shù)器進行了清零。根據(jù)74LS373的功能表可以知道，當鎖存信號為高電平的時候處于鎖存狀態(tài)。如果不讓74LS373

14、鎖存的話，那么計數(shù)器輸出的信號一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動。那么通過鎖存信號可以實現(xiàn)計數(shù)的時候讓數(shù)碼管不顯示，計完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計數(shù)器計到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到，當PT到達下降沿的時候，此時74LS373的G端的輸入信號也剛好到達下降沿。圖10 控制電路工作波形圖4.6 邏輯控制電路的調(diào)試控制電路的連接圖如圖9 所示，其中兩個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用一個是產(chǎn)生清零信號，另一個是產(chǎn)生鎖存信號。由調(diào)試波形圖11 可以知道電路設(shè)計是正確的。這部分是測量頻率的功能。測頻率的時候時基信號作為閘門信號。測試的結(jié)果如圖12 所示其中

15、A波形表示為清零信號，B波形表示鎖存信號?？刂撇糠值墓ぷ髟恚寒斍辶阈盘栍?變?yōu)?時，此時計數(shù)器的清零工作已經(jīng)完成。閘門開始打開，當閘門打開時，即閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)我們所設(shè)計的閘門的高電平時間為1S，在此時間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)被測信號的變化次數(shù)，所得結(jié)果便是被測信號的頻率。當計數(shù)器清零和計數(shù)時，鎖存器要鎖存，以免顯示時數(shù)字跳動，當計數(shù)器清零和計數(shù)完畢時，鎖存器再開始讀數(shù)。那么到此，整個控制電路部分實現(xiàn)的控制功能都已經(jīng)實現(xiàn)了。到這里，會發(fā)現(xiàn)控制電路整個設(shè)計過程的精華所在。把控制電路這部分完成，那么本次的課程設(shè)計最重要的部分完成，所以這次課程設(shè)計整體上也就基本完成了。圖11 閘門信號圖1

16、2 邏輯控制電路輸出波形4.7 顯示電路設(shè)計計數(shù)電路、鎖存電路和譯碼顯示電路詳細的電路如圖13 ，顯示電路主要由計數(shù)器、譯碼器、鎖存器、檔位選擇開關(guān)組成。整體電路要接收三個信號一是被測信號的計CP信號波形、74LS160的CLR段清零信號波、74LS373鎖存端信號波。圖13 顯示電路4.8 計數(shù)電路和顯示電路的調(diào)試圖14 顯示電路調(diào)試計數(shù)電路：按照圖4-10所示連接好，將74160的PT端，CLR端，LD端都接高電平，3個74LS160級聯(lián)，構(gòu)成異步十進制計數(shù)器。，在調(diào)測的過程中，接好后，給最低位的74LS160一個CP信號。讓函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率適當?shù)姆讲?。這樣，計數(shù)器就開始計數(shù)了。

17、數(shù)碼管從000999顯示。計數(shù)電路就這樣搞好了。在調(diào)測的過程中，74160的CLR端，LD端是用臨時的線連接。因為在后面這些端都是連接控制電路產(chǎn)生清零、鎖存信號的輸出端。顯示電路：如圖14 所示接好顯示電路。將BCD數(shù)碼管和鎖存器的管腳，這樣，顯示電路也就搞好了。經(jīng)過模擬仿真，顯示電路工作正常。4.9 顯示單位轉(zhuǎn)換電路在測量頻率的時候，分兩個顯示單位，測量頻率的單位需要顯示Hz的時候，綠燈亮。測量頻率的單位需要顯示KHz的時候，紅燈亮。4.10 報警電路設(shè)計 報警電路是在最高位的十進制計數(shù)器74LS160的進位端加一個蜂鳴器或者是LED燈，當有進位時蜂鳴器就會發(fā)出響聲，LED燈會亮起來，以此提

18、醒被測信號頻率超出量程。如圖11： 在1999 HZ 檔位下，被測信號為1 K HZ時，圖片中左下角紅色 LED 燈會發(fā)光報警。圖15 報警電路測試圖5 結(jié)論.5.1 設(shè)計任務(wù)完成情況在過去的十多天里，我通過去圖書館查閱資料，上網(wǎng)，答疑等多種形式，對數(shù)字頻率計的電路有了詳細的了解，并且信心十足。起初設(shè)計的電路經(jīng)常有漏洞，模擬電路仿真時也仿真不出來，后來經(jīng)過仔細研究和探討不斷的對電路進行改進，順利的完成了任務(wù)，得到滿意的結(jié)果。5.2 問題及改進在實習(xí)初期，沒有查找太多資料，為了圖快，相當然的將數(shù)碼管和計數(shù)器直接相連，會頻率稍大時出現(xiàn)了數(shù)字閃爍的現(xiàn)象。通過查找資料，在電路中加入74LS373DW鎖存器對計數(shù)器輸出信號進行鎖存，計數(shù)完后，讓數(shù)碼管顯示計數(shù)器計到的數(shù)字功能。為了克服測量低頻信號時的不足，可以使用另一種算法。將被測信號送入被測信號閘門產(chǎn)生電路，該電路輸出一個脈沖信號，脈寬與被測信號的周期相等。再用閘門產(chǎn)生電路輸出的閘門信號控制閘門電路的導(dǎo)通與開斷。設(shè)置一個頻率精度較高的周期信號（例如10KHz）作為時基信號，當閘門導(dǎo)通時，時基信號通過閘門到達計數(shù)電路計數(shù)。5.3心得體會在實習(xí)的過程中，我了解了數(shù)字頻率計的工作原理，并且進一步學(xué)習(xí)了模擬電路仿真技術(shù)。同時還發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，認識到自己的思維還是不夠活躍。實習(xí)過程中雖然遇到一