数字频率计的课程设计(共14页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上 四川航天职业技术学院电子工程系课程设计专业名称： 电子信息工程技术 课程名称： 数字电子技术 课题名称： 数字频率计 设计人员： 雷 妍 指导教师： 2010 年 6月 10 日课程设计报告书评阅页课题名称：班 级：姓 名： 2010 年 月 日指导教师评语：考核成绩： 指导教师签名：2010 年 月 日数字频率计课程设计任务书一、课题名称：数字频率计二、技术指标：（1）掌握数字频率计的设计、制作方法。（2）掌握振荡器、分频器、记数译码显示电路、单稳态电路的设计。（3）了解标准脉冲信号发生器SPG8650B三、要求：（1）测量频率范围：1Hz1MHz。（2）测量信号

2、：方波、正弦波、三角波。（3）测量信号幅度：0.55V。（4）量程分三挡：×10,×1,×0.1。（5）5位LED数码管显示。指导教师：申学 生：雷妍电子工程系2010 年 6 月10 日目录摘要51概述6 2设计目的63设计要求64数字频率计的基本工作原理74.1系统框图 74.2方法与步骤95测频控制信号发生器设计106系统的功能仿真117心得体会118参考文献12附图一12附图二13附录三13 摘要在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最

3、大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。数字电子技术设计是运用触发器和逻辑门电路来实现异步加法十进制计数器。自制电路设计是运用所学习的知识来自行设计一个有实际意义的电路。在运用protel技术进行画图以及仿真。Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具组合起来构成EDA工作平台，是第1个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。与Protel 99SE软件相比，Protel DXP功能

4、更加完备、风格更加成熟，并且界面更加灵活，尤其在仿真和PLD电路设计方面有了重大改进。摆脱了Protel前期版本基于PCB设计的产品定位，显露出一个普及型全线EDA产品崭新的面貌。关键词：频率，集成电路，译码电路，计数电路，双稳态触发电路数字频率计一、概述在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数

5、；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本次设计的数字频率计以AT89C52为核心，在软件编程中采用的是C51语言，测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。数字频率计数器的基本功能是测量一个频率稳定度高的频率源的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸

6、门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。本数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。二、设计目的（1）掌握数字频率计的设计、制作方法。（2）掌握振荡器、分频器、记数译码显示电路、单稳态电路的设计。（3）了解标准脉冲信号发生器SPG8650B三、设计要求（1）测量频率范围：1Hz1MHz。（2）测量信号：方波、正弦波、三角波。（3）测量信号幅度：0.55V。（4）量程分三挡：×10,×1,×0.1。（5）5位LED数码管显示。四、数字频率计基本工作原理 所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)内

7、变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f=N/T 数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。41系统框图 下面介绍框图中各部分的功能及实现方法 图1 数字频率计框图（1）电源与整流稳压电路 框图中的电源采用 50Hz 的交流市电。市电被

8、降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。 （2）全波整流与波形整形电路 本频率计采用市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过 0.5Hz ，即在 1 的范围内。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对 50Hz 交流市电进行全波整流，得到如图2所示的全波整流波形。波形整形电路对 100Hz 信号进行整形，使之成为如图2所示 100Hz 的矩形波。   图2 全波整流与波形整形电路的输出波形 波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器

9、进行整形。 （3）分频器 分频器的作用是为了获得 1S 的标准时间。电路首先对图1所示的 100Hz 信号进行 100 分频得到如图3（ a ）所示周期为 1S 的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图3（ b ）所示占空比为 50 脉冲宽度为 1S 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在 1S 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。 二分频可以采用触发器来实现。 （4）信号放大、波形整形电路 为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必须对被测信号进行放大与整形处理，图3 分频器的输出波形使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即

10、在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。 （5）控制门 控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。 （6）计数器 计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为 9999Hz ，应采用 4 位十进制计数器。可以选用现成的 10 进制集成计数器。 （7）锁存器 在确定的时间（ 1S ）内计数器的计数结果（被测信号频率）必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲控制，将测得的数据寄存起来

11、，送显示译码器。锁存器可以采用一般的 8 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。 （8）显示译码器与数码管 显示译码器的作用是把用 BCD 码表示的 10 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。 选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。 42方法与步骤 （1） 器件检测 用数字集成电路检测仪对所要用的 IC 进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对 LED 数码管进行检测，检测方法由自己确定。 （2） 电路连接 在自制电路板上将 IC 插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接 IC 等小器件，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插

12、IC 。 （3） 电源测试 将与变压器连接的电源插头插入 220V 电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为 5V 。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常情况应观测到如图 13.5(a) 所示波形。 （4） 基准时间检测 关闭电源后，插上全部 IC 。依次用示波器检测由 U1(74HC4024) 与 U3A 组成的基准时间计数器与由 U2A 组成的 触发器的输出波形，并与图 13.6 所示波形对照。如无输出波形或波形形状不对，则应对 U1 、 U3,U2 各引脚的电平或信号波形进行检测，消

13、除故障。 （5） 输入检测信号 从被测信号输入端输入幅值在 1V 左右频率为 1KHz 左右的正弦信号，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。 （6）输入放大与整形电路检测 用示波器观测整形电路 U1A(74HC14) 的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为 5V 左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。 （7） 控制门检测 检测控制门 U3C(74HC11) 输出信号波形，正常时

14、，每间隔 1S 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常 , 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。 （8） 计数器电路的检测 依次检测 4 个计数器 74HC4518 时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差 10 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。 （9）

15、 锁存电路的检测 依次检测 74HC374 锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第 11 脚的电平每隔 1S 钟跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。 （10） 显示译码电路与数码管显示电路的检测 检测显示译码器 74HC4511 各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。 五、测频控制信号发生器设计 CLK是由脉冲发生器产生的频率为1Hz的标准时钟信号，当测频控制信号发生器TESTCTL的TSTEN端为高电平时允许计数、低电平时

16、停止计数，在停止计数期间，测频控制信号发生器TESTCTL的Load端产生一个上升沿，将计数器在前1s的计数值锁存进32b锁存器REG32B中，并由8个7段译码器将计数结果译出稳定显示。锁存信号之后经过半个CLK周期，测频控制信号发生器TESTCTL的CLR_CNT端产生一个上升沿，对计数器进行清零。为下1s的计数操作做准备。了产生这个时序图，首先有一个D触发器构成二分频器，在每次时钟CLK的上升沿到来使其值翻转。D触发器的输出高电平正好是1s，因此可以作为测频控制信号发生器TESTCTL的TSTEN端，用来控制计数。图4 测频控制信号发生器TESTCTL的工作时序六、系统的功能仿真在对源程序

17、仿真过程中，时序问题的解决是本论文的一个重要之处，为此，假如信号CLK00 和FS，在输入CLK_IN不变的情况下，在信号CLK00 代入时附加延时，由信号CLK00 和FS 来控制本数字频率计。图5 仿真波形我们利用EDA 工具MAX+PLUS II对VHDL 的源程序进行编译，适配，优化，逻辑总和，自动地把VHDL 描述转变成门级电路，进而完成电路分析，纠错和验证，自动布局布线，仿真等各项测试工作，仿真后得到波形图如图5所示。七、心得体会通过这次课程设计我不仅加深了对数字电子技术的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。从中也掌握了（1）查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；(3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力；(4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。我不只在乎这一结果，更加在乎的是这个过程。这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时