簡易數(shù)字頻率計的設計

1、精選文檔沈陽航空航天高校北方科技學院課程設計說明書 課設題目 簡易數(shù)字頻率計的設計 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 B141201 學 號 B04120119 同學姓名 劉胤麟 指導老師 趙婷婷 日 期 2014.12.5 沈航北方科技學院 課程設計任務書 教學系部 信息工程系 專業(yè) 電子信息工程 課程設計題目 簡易數(shù)字頻率計的設計 班級 B141201 學號 B04120119 姓名 劉胤麟 課程設計時間: 14 年 11 月 4 日至 14 年 12月5 日 課程設計的內(nèi)容及要求：（一）主要內(nèi)容依據(jù)題目及基本要求（技術指標）查閱相關資料和書籍，設計（計算）電路，確定元器件參數(shù)（五天）。待電路

2、設計完成后，上機進行電路仿真（使用Multisim）。仿真過程中用到的儀器、調(diào)試方法、排故過程及電路技術指標的測量要做記錄，最終寫到報告中（十天）。 報告正文按名目要求撰寫，其他內(nèi)容見格式說明（五天）。（二）基本要求 1.電路供電電源為單相溝通市電。2.每次頻率檢測時間為1s。3.用四位 LED數(shù)碼顯示0-9999Hz。（三）主要參考書低頻電子線路 張肅文 高等教育出版社電子線路集 人民郵電出版社 電子技術基礎數(shù)字部分康華光 高等教育出版社（四）評語 （五）成果指導老師 年 月 日負責老師 年 月 日摘 要本次課設是針對簡易數(shù)字頻率計的設計。數(shù)字頻率計主要由四個部分組成：時基電路，整形電路，把

3、握電路和顯示電路組成。在一個測量周期過程中，由時基電路產(chǎn)生一標準時間信號把握閥門，調(diào)整時基電路中的電阻可產(chǎn)生需要的標準時間信號。信號輸入整形電路中，經(jīng)過整形，輸出一方波，通過閥門后，計時器對其計數(shù)。當計數(shù)完畢，時基電路輸出一個上升沿，使鎖存器打開，計數(shù)器計數(shù)結果輸入譯碼器，從而讓顯示器顯示，達到測量頻率的目的。關鍵詞：頻率計；譯碼器；鎖存器；計數(shù)器；目 錄1、緒論12、方案設計與論證22.1計數(shù)法22.2計時法22.3方案的確定33、工作原理、硬件電路的設計或參數(shù)的計算33.1工作原理及框圖33.2時基電路的設計與仿真43.3 直流穩(wěn)壓電路設計與仿真63.4把握電路設計73.5 計數(shù)器電路93

4、.6鎖存器電路113.7譯碼顯示電路133.8系統(tǒng)的工作原理分析144、總體電路的仿真分析175、試驗心得體會20參考文獻20附錄：元器件清單21附錄：總體電路圖22 1、緒論隨著電子技術的進展，當前數(shù)字系統(tǒng)的設計正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向進展。推動該潮流迅猛進展的引擎就是日趨進步和完善的設計技術。目前數(shù)字頻率計的設計可以直接面對用戶需求，依據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上至下的逐層完成相應的描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗證，直到生成器件。上述設計過程除了系統(tǒng)行為和功能描述以外，其余全部的設計過程幾乎都可以用計算機來自動地完成，也就是說做到了電子設計自動化（EDA）。這樣做可以大大地縮

5、短系統(tǒng)的設計周期，以適應當今品種多、批量小的電子市場的需求，提高產(chǎn)品的競爭力量。電子設計自動化（EDA）的關鍵技術之一是要求用形式化方法來描述數(shù)字系統(tǒng)的硬件電路，即要用所謂硬件描述語言來描述硬件電路。所以硬件描述語言及相關的仿真、綜合等技術的爭辯是當今電子設計自動化領域的一個重要課題。硬件描述語言的進展至今已有幾十年的歷史，并已成功地應用到系統(tǒng)的仿真、驗證和設計綜合等方面。到本世紀80年月后期，已消滅了上百種的硬件描述語言，它們對設計自動化起到了促進和推動作用。但是，它們大多各自針對特定設計領域，沒有統(tǒng)一的標準，從而使一般用戶難以使用。寬敞用戶所期盼的是一種面對設計的多層次、多領域且得到全都認

6、同的標準的硬件描述語言。80年月后期由美國國防部開發(fā)的VHDL（VHSICHardwareDescriptionLanguage）語言恰好滿足了上述這樣的要求，并在1987年12月由IEEE標準化（定為IEEEstd1076-1987標準，1993年進一步修訂，被定為ANSI/IEEEstd1076-1993標準）。它的消滅為電子設計自動化（EDA）的普及和推廣奠定了堅實的基礎。據(jù)1991年有關統(tǒng)計表明，VHDL語言業(yè)已被寬敞設計者所接受。另外，眾多的CAD廠商也紛紛使自己新開發(fā)的電子設計軟件與VHDL語言兼容。由此可見，使用VHDL語言來設計數(shù)字系統(tǒng)是電子設計技術的大勢所趨。2、方案設計與論

7、證所謂頻率，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在肯定時間間隔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。其中f為被測信號的頻率，N為計數(shù)器所累計的脈沖個數(shù)，T為N個脈沖所產(chǎn)生的時間。計數(shù)器所記錄的結果就是被測信號的頻率。測量頻率的基本方法有兩種：計數(shù)法和計時法，或稱為測頻法與測周法。2.1計數(shù)法計數(shù)法又稱測頻法，是將被測信號通過一個定時閘門加到計數(shù)器進行計數(shù)的方法，假如閘門打開的時間為T，計數(shù)器得到的計數(shù)值為N1，則被測頻率為f=N1/T。轉變時間T，則可轉變測量頻率范圍。設在T期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值應為N,依據(jù)計數(shù)器的計數(shù)特性可知，N1的確定誤差是N

8、1=N+1,N1的相對誤差為N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相對誤差可知，N的數(shù)值愈大，相對誤差愈小，成反比關系。因此，在f以確定的條件下，為削減N的相對誤差，可通過增大T的方法來降低測量誤差。當T為某確定值時（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對誤差：f1=(f1-f)/f=1/f 從上式可知f1的相對誤差f成反比關系，即信號頻率越高，誤差越??；而信號頻率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。2.2計時法計時法又稱為測周期法，測周期法使用被測信號來把握閘門的開閉，而將標準時基脈沖通過閘門加到計數(shù)器，閘門在外信號的一個周期

9、內(nèi)打開，這樣計數(shù)器得到的計數(shù)值就是標準時基脈沖外信號的周期值，然后求周期值的倒數(shù)，就得到所測頻率值。2.3方案的確定依據(jù)本設計要求的性能與技術指標，首先需要確定能滿足這些指標的頻率測量方法。有上述頻率測量原理與方法的爭辯可知，計時法適合于對低頻信號的測量，而計數(shù)法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用計時法所獲得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運算才能得到信號頻率，而求倒數(shù)運算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實現(xiàn)，因此，計時法不適合本試驗要求。測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越大，信號頻率越高，其誤差就越小。但用測頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為一秒時，不需要進行任何換算，計數(shù)

10、器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。因此，本試驗所用的頻率測量方法是測頻法。3、工作原理、硬件電路的設計或參數(shù)的計算3.1工作原理及框圖數(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)。假如我們能在給定的1s時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，數(shù)值保持及自動清零，并將計數(shù)結果在顯示器上顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必需獲得相對穩(wěn)定的時間，同時將被測信號轉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)，將其轉換后顯示出來。 被測信號V x經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號1，其頻率與被測信號的頻率f x相同。時基電路

11、供應標準時間基準信號2，具有固定寬度T的方波時基信號2作為閘門的一個輸入端，把握閘門的開放時間，被測信號1從閘門另一端輸入，被測信號頻率為f x，閘門寬度為T，若在閘門時間內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率為Hz?？梢姡l門時間T打算量程，通過閘門時基選擇開關的選擇，選擇T大一些，測量精準度就高些，T小一些，則測量精準度就低。依據(jù)被測頻率選擇閘門時間來把握量程。在整個電路中，時基電路是關鍵，閘門信號脈沖寬度是否精確直接打算了測量結果是否精確。 被測量信號經(jīng)過放大與整形電路傳入十進制計數(shù)器，變成其所要求的信號，此時數(shù)字頻率計與被測信號的頻率相同，時基電路供應標準時間基準信號，此時利用所獲

12、得的基準信號來觸發(fā)把握電路，進而得到肯定寬度的閘門信號，當1s信號傳入時，閘門開通，被測量的脈沖信號通過閘門，其計數(shù)器開頭計數(shù)，當1s信號結束時閘門關閉，停止計數(shù)。依據(jù)公式得被測信號的頻率為。數(shù)字頻率計系統(tǒng)原理總框圖，如圖1所示。規(guī)律把握電路數(shù)碼顯示器譯碼器鎖存器計數(shù)器閘門電路放大與整形電路時基電路VX圖1 原理方框圖規(guī)律把握電路的一個重要的作用是在每次采樣后還要封鎖主控門和時基信號輸入，使計數(shù)器顯示的數(shù)字停留一段時間，以便觀測和讀取數(shù)據(jù)。簡而言之，把握電路的任務就是打開主控門計數(shù)，關上主控門顯示，然后清零，這個過程不斷重復進行。3.2時基電路的設計與仿真由原理方框圖可知，振蕩器與分頻器部分有

13、兩個不同的頻率的輸出。時基電路由555定時器構成的多諧震蕩器實現(xiàn)，如圖2所示。其作用是把握計數(shù)器的輸入脈沖。當標準時間信號（1s正脈沖）到來時，閘門開通，被測信號通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)；當標準脈沖結束時，閘門關閉，計數(shù)器無脈沖輸入。時基電路下圖所示：圖2 時基電路圖本設計實行用555定時器組成的多諧振蕩器。接通電源后，電容被充電，當上升到時，使為低電平，同時放電三極管T導通，此時電容C通過和T放電，下降。當下降到時，翻轉為高電平。電容器C放電所需的時間為：當放電結束時，T截止，將通過、向電容C充電，由上升到所需的時間為:當上升到時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是在電路的輸出端就得到一個

14、周期性的矩形波。其振蕩頻率為由計算得：=0.7*（10.7K+3.57K）*10uF=0.999s所以取，基準脈沖產(chǎn)生1Hz的信號，其仿真結果如圖3所示；圖3 基準脈沖產(chǎn)生電路3.3 直流穩(wěn)壓電路設計與仿真 此電路的作用是將電源變壓器將電網(wǎng)中的220V/50Hz的溝通電壓轉變?yōu)?V的直流電壓。整流電路是將電源變壓器副邊給出的溝通電壓，轉換為單脈沖的直流電壓。此電路中用了橋式整流。單項橋式整流電路由于它輸出的直流電壓高、紋波電壓小（紋波系數(shù)Kr=0.483），二極管所承受的最大反向電壓低，而且電源變壓器的正、負半周內(nèi)都有電流供應負載，得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得

15、到了廣泛的應用。濾波電路用來濾除整流后直流電壓中包含的諧波重量，以便得出平滑的直流電壓。此電路用電容電路來濾波，穩(wěn)壓電路則是用來穩(wěn)定輸出的直流電壓值。直流穩(wěn)壓電源的電路圖，如圖4所示。圖4直流穩(wěn)壓電源電路將電源變壓器將電網(wǎng)中的220V/50Hz的溝通電壓轉變?yōu)?V的直流電壓的multisim仿真顯示如圖5所示。圖5 變壓器轉換后的電壓3.4把握電路設計把握電路是數(shù)字是數(shù)字頻率計正常工作的中樞部分。在這一部分的設計構成過程中，認真對各種頻率信號的組合及搭配進行分析，分別得到用來把握計數(shù)譯碼的鎖存信號和清零信號，其時序要求如下圖所示：圖6 計數(shù)、清零、鎖存時序圖在電路中用一個與非門來實現(xiàn)（如圖7中

16、U21和U22所示）。將整形電路的輸入信號與門控信號做與運算，以便輸出矩形脈沖作為計數(shù)脈沖。當時基信號給U21和U22的信號為高電平1時，閘門開啟，而門控信號為低電平0時，閘門關閉。閘門電路組成圖如圖7所示：圖7 閘門電路的電路圖 下圖是閘門工作時，U1和U5的共同仿真波外形態(tài)。如圖8所示，當閘門有一個正脈沖，計數(shù)器開頭工作，并統(tǒng)計U5的脈沖個數(shù)。當閘門收到一個負脈沖時，計數(shù)結束。圖8 U1和U5的仿真圖3.5 計數(shù)器電路 為了提高計數(shù)速度，可接受同步計數(shù)器。其特點是計數(shù)脈沖作為時鐘信號同時接于各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端，在每次時鐘脈沖沿到來之前，依據(jù)當前計數(shù)器狀態(tài)，利用規(guī)律把握電路，預備好適

17、當?shù)臈l件。當計數(shù)脈沖沿到來時，全部應翻轉的觸發(fā)器同時翻轉，同時也使用全部應保持原狀的觸發(fā)器不該變狀態(tài)。 本試驗中接受十進制計數(shù)器74LS90N，它可以用于對脈沖進行計數(shù)。被測信號由閘門開通送入計數(shù)器，記錄所測信號頻率值傳入譯碼顯示電路中，顯示器顯示測得頻率值；待閘門關閉，計數(shù)器停止工作；電路則連續(xù)工作進行下次循環(huán)，計數(shù)器清零，顯示器數(shù)值消逝，頻率計完成一次測量。計數(shù)器的組成電路如圖9所示。圖9 計數(shù)器的電路圖 通過不同的連接方式，74LS90N可以實現(xiàn)四種不同的規(guī)律功能；而且還可借助、對計數(shù)器清零，借助、將計數(shù)器置9。其具體功能詳述如下：(1)計數(shù)脈沖從INA輸入，QA作為輸出端，為二進制計數(shù)

18、器。(2)計數(shù)脈沖從INB輸入，QDQCQB作為輸出端，為異步五進制加法計數(shù)器。(3)若將INB和QA相連，計數(shù)脈沖由INA輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構成異步8421碼十進制加法計數(shù)器。(4)若將INA與QD相連，計數(shù)脈沖由INB輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構成異步5421碼十進制加法計數(shù)器。(5)清零、置9功能。 74LS90的功能真值表如表1所示。表1 74LS90的功能真值表輸 入輸 出功 能清 0置 9時 鐘QD QC QB QAR0(1)、R0(2)、INA、INB1100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 輸 出二進制計數(shù)1

19、QDQCQB輸出五進制計數(shù) QAQDQCQBQA輸出8421BCD碼十進制計數(shù)QD QAQDQCQB輸出5421BCD碼十進制計數(shù)1 1不 變保 持74LS90的引腳圖如圖10所示：圖10 74LS90引腳圖3.6鎖存器電路鎖存器是構成各種時序電路的存儲單元電路，其具有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，鎖存器是一種脈沖電平敏感的存儲單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下轉變狀態(tài)。本次試驗電路接受74LS273鎖存器。其作用是將計數(shù)器在1s結束時所記得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。當1s計數(shù)結束時，通過規(guī)律電路產(chǎn)生信號送入鎖存器，將此時計數(shù)的值送入譯碼顯

20、示器。選用兩個8位鎖存器74LS273可以完成上計數(shù)功能。當時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸入等于輸入，即Q=D，從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端正脈沖結束后，無論D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)的Q不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。74LS273引腳圖如圖11所示。圖11 74LS273引腳圖74LS273的功能表如表2所示。表2 74LS273規(guī)律功能表 圖12 鎖存器的電路3.7譯碼顯示電路譯碼顯示電路可由7段發(fā)光數(shù)碼顯示器U15U18和輸出高電平有效的譯碼器74LS48組成。74LS48的內(nèi)部有升壓電阻，因此可以直接與顯示器相連，其作用是把BC

21、D碼表示的十進制數(shù)轉換成能驅動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。74LS48的引腳圖及譯碼顯示電路圖如圖13所示，表3是74LS48的真值表。表3 74LS48規(guī)律功能表十進數(shù)或功能輸入BI/RBO輸出顯示LTRBID C B A abcdefg0HH0 0 0 0H11111101Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H1

22、11001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL0000000RBIHL0 0 0 0L0000000LTLxx x x xH1111111 圖 13 74LS48引腳圖 圖14 譯碼顯示電路3.8系統(tǒng)的工作原理分析如圖15所示，是一個輸入脈沖信號為30Hz時的仿真結果。時基信號由555定時器構成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，產(chǎn)生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。當標準時間（1

23、s正脈沖）到來時，閘門U21開通。被測信號30Hz通過閘門U22進入計數(shù)器進行計數(shù)。此時U1輸出端OUT能輸出0或1的脈沖。脈沖經(jīng)過與非門U21后變成1，與四連級計數(shù)器的R0(1)、R0(2)兩端相連。依據(jù)計數(shù)器74LS90N的功能表可知，R0(1)、R0(2)為清零端，兩者同時為高電平常實現(xiàn)清零功能。U5的OUT端此時能產(chǎn)生0或者1兩種脈沖的形式。又由于U22與U21兩個閘門相連，所以U22輸出端只能有兩種形式，分別是高電平1和低電平0。U22的輸出端和計數(shù)器U14的INA端相連接。由計數(shù)器74LS90N的功能表可知，當INA為1的時候計數(shù)器開頭工作。所以，當U1和U5同時產(chǎn)生0或者1的時候

24、，此時個位計數(shù)器U14的INA端為高電平1，計數(shù)器開頭工作。此次設計的是10進制計數(shù)器，由74LS90N的功能表可看出，INB需與QA相連，和為置9端，此設計不需要，所以均置0接地。測量的范圍為1-9999Hz所以需要四聯(lián)級計數(shù)器。U14、U13、U12、U11分別是個位、十位、百位、千位計數(shù)器。當U22輸出給了一個高電平，個位計數(shù)器U14開頭工作。U14從0000始終計數(shù)到1000，此時輸出端最高位QD為1，又由于QD與下一級計數(shù)器U13的INA端相連，所以U14的QD是1的時候U13開頭工作。當U14為1001時，U13的值為0000。當計數(shù)器U14為0000時，U13為0001，此時產(chǎn)生

25、進位。 計數(shù)器74LS90N即開頭記錄時鐘的個數(shù)，由于輸入的脈沖為30Hz，所以千位計數(shù)器U11和百位計數(shù)器U12的QA、QB、QC、QD輸出數(shù)字為0000，十位計數(shù)器U13的數(shù)是0011，個位計數(shù)器U14的數(shù)為0000。所統(tǒng)計后額數(shù)據(jù)經(jīng)74LS273鎖存器鎖存。鎖存器作用是將計數(shù)器在1s結束的計數(shù)進行鎖存，使顯示器上獲得穩(wěn)定的測量值。由于計數(shù)器在1s內(nèi)要計成千上萬的輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字隨計數(shù)器的輸出而變化，不便于計數(shù)。所以必需加鎖存器將其固定。選用8D鎖存器74LS273可以完成上述鎖存功能。當時鐘脈沖的正跳變到達時，鎖存器的輸出等于輸入，則U7、U8和U10的輸出為000

26、0，而U9的輸出為0011。從而將4個十進制計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結束后，無論輸入端為何值，輸出端的狀態(tài)保持原來的狀態(tài)不變。鎖存器的輸出端把計數(shù)器的值傳給譯碼器74LS48N。顯示譯碼器74LS48N的作用是把用 BCD 碼表示的10進制數(shù)轉換成能驅動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示由74LS48N的真值表可以看出。譯碼器U9里面的0011被譯碼后轉換的值為3，U7、U8和U10里面的0000則被轉換為0。所以最終LED顯示的數(shù)字為30，滿足設計的要求。圖15 30Hz的仿真電路4、總體電路的仿真分析被測信號為8Hz的仿真結果如圖16所示。圖16 8Hz時的仿真結果 被

27、測信號為176Hz的仿真結果如圖17所示。圖17 176Hz時的仿真結果被測信號為1150Hz的仿真結果如圖18所示圖18 1150Hz時的仿真結果由仿真可以得表4表4 仿真結果與測量值誤差表測量值仿真結果誤差09Hz981 （11.11%）1099Hz30300 （0.00%）100999Hz1761742 （1.11%）10009999Hz1150113713（1.11%） 由表4可以看出，此次設計能夠測出各種不同的頻率，仿真值比測量值略小，誤差約為1.11%，符合課程設計的要求。以及在計算機上進行的仿真得出試驗可行，并且能夠達到設計要求。簡易數(shù)字頻率計的設計應當留意其測量的的簡易性。軟件方面也在不影響頻率計功能的條件下盡量簡化，題目要求的是設計一個簡易的數(shù)字頻率計，用數(shù)字電子計數(shù)的簡潔器件在盡可能提高測量的精確度的同時，系統(tǒng)的性價比大大提高。5、試驗心得體會課程設計帶給我很多感悟，不僅可以將書本上的學問用于實際的應用中去，而且可以加深對理論學問的理解。這是一個綜合性