数字频率计的设计

1、CHENGNAN COLLEGE OF CUST 电子技术应用实习题目： 电子技术应用实习 数字频率计的设计学生姓名：宋 盼学 号：201284250132 班 级: 电信1201 专 业：电子信息工程指导教师：徐理英、谢文彪 2015年 1月 数字频率计的设计 目录1 实习目的和内容以及要求11.1 实习目的11.2 实习的内容11.3 实习的要求11.3.1 设计要求11.3.2 实习任务要求12 设计原理及软件简介32.1 设计原理32.2 Mutisim简介33 设计步骤和过程43.1 算法设计43.2 整体方框图及原理53.2.1 输入电路53.2.2 频率测量53.2.3 计数显示

2、电路53.2.4 控制电路54 设计的仿真和运行结果64.1 时基电路设计64.2 时基电路的调试74.3 脉冲整形电路设计74.4 脉冲整形电路的调试84.5 控制电路设计84.6 逻辑控制电路的调试104.7 显示电路设计114.8 计数电路和显示电路的调试114.9 显示单位转换电路124.10 报警电路设计125 结论.145.1 设计任务完成情况145.2 问题及改进145.3心得体会14参考文献16附录A 数字频率计原理图17附录B 数字频率计元器件清单18第 3 页 共 2 页1 实习目的和内容以及要求1.1 实习目的(1) 掌握中、小规模集成电路设计与制作的方法。(2) 进一步

3、培养学生对数字电路的综合应用能力和设计能力。(3) 熟悉并运用Multisim软件。(4) 通过查阅手册和文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。1.2 实习的内容：按要求设计一个数字频计。1.3 实习的要求 1.3.1 设计要求1.3.1.1 基本部分(1) 被测信号的频率范围为1Hz100KHz，分成两个频段，即1Hz999Hz， 1100KHz。(2) 具有自检功能，即用仪器内部的标准脉冲校准测量精度。(3) 用3为数码管显示测量数据，测量误差小于10%。1.3.1.2 发挥部分(1) 用发光二极管表示单位，当绿灯亮时表示Hz，红灯亮时表示KHz。(2) 具有超量程报警功能，在超出当

4、前量程挡的测量范围时，发出灯光和音响信号。 (3) 测量误差小于5%。1.3.2 实习任务要求 (1) 画出总体设计框图，以说明数字频率计由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，控制信号传输路径、方向。并以文字对原理作辅助说明。(2) 设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。(3) 选择合适的元器件，在仿真设计软件上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。(4) 在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和连接，进行合理布局，进行整个数字钟电路的连接验证、

5、仿真、调试。(5) 自行接线验证、仿真、调试，并能检查和发现问题，根据原理、现象和仿真结果分析问题所在，加以解决。学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整体设计引起的问题。2 设计原理及软件简介2.1 设计原理数字频率计用于测量正弦信号、矩形信号等波形的频率，其概念是单位时间里的脉冲个数，如果用一个定时时间T控制一个闸门电路，时间T内闸门打开，让被测信号通过而进入计数译码，可得到被测信号的频率fx= ，若T=1秒，则fx=N。图1 数字频率计原理图2.2 Mutisim简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工

6、作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。3 设计步骤和过程3.1 算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2 所示的算法。图3 是根据算法构建的方框图。

7、图2 频率测量算法示意图计数电路闸门输入电路闸门产生显示电路 被测信号 图3 频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。该闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关。3.2 整体方框图及原理图4 测量频率的原理图3.2.1 输入电路由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计

8、数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。3.2.2 频率测量测量频率的原理框图如图4 .测量频率共有显示单位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信

9、号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。3.2.3 计数显示电路在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。3.2.4 控制电路控制电路用于产生计数清零信号和锁存控制信号。4 设计的仿真和运行结果4.1 时基电路设计图5 时基电路与分频电路它由两部分组成: 如图5 所示，第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为: 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,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R11=20K ，R2=2.7K，C=47F使得555能够产生非常接近1KHz的频率。第二部分为分频电路,主要由74LS90D组成，因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求周期为1s。74LS90D为十进制计数器,可用作分频。4.2 时基电路的调试首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R11=20K ，R2=2.7K，C=47F。把555产生的信号接到示波器中，使得输出的信号的频率

11、为1KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后输出端信号。测出来的信号频率和理论值1Hz相等。这样，时基电路这部分就测试完毕，可以用于做标准的闸门信号，所以此时的时基电路设计好了，而且时基信号也没有什么问题。图6 时基电路分频后的波形4.3 脉冲整形电路设计如图7 所示，待测的波先被送入到放大电路的输入端，输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰

12、减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。然后把放大调整后的信号送入由555构成的施密特触发器，施密特触发器具有脉冲整形功能经过施密特触发器后便把信号整形成为矩形波。图7 脉冲整形电路4.4 脉冲整形电路的调试用信号发生器产生一个正弦波形，输入脉冲整形电路，用示波器来观察待测信号经脉冲整形电路后波形的前后变化，结果如图8 ，A表示整形后的波形，B表示整形前的。图8 待测信号整形前后波形图4.5 控制电路设计通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通

13、过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，74LS373的锁存信号。图9 逻辑控制电路逻辑控制电路详细的电路如图9 所示。图10 是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、74LS373锁存端波形图。其中第一个波形是被测信号的波形图、第二个是PT端输入信号的波形图、第三个是计数器的清零信号。第四个是锁存信号。PT是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据74LS373的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候处于锁存状态。如果不让74LS373

14、锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时74LS373的G端的输入信号也刚好到达下降沿。图10 控制电路工作波形图4.6 逻辑控制电路的调试控制电路的连接图如图9 所示，其中两个555单稳态触发器的作用一个是产生清零信号，另一个是产生锁存信号。由调试波形图11 可以知道电路设计是正确的。这部分是测量频率的功能。测频率的时候时基信号作为闸门信号。测试的结果如图12 所示其中

15、A波形表示为清零信号，B波形表示锁存信号。控制部分的工作原理：当清零信号由0变为1时，此时计数器的清零工作已经完成。闸门开始打开，当闸门打开时，即闸门信号为高电平时，计数器开始计数我们所设计的闸门的高电平时间为1S，在此时间内计数器计数被测信号的变化次数，所得结果便是被测信号的频率。当计数器清零和计数时，锁存器要锁存，以免显示时数字跳动，当计数器清零和计数完毕时，锁存器再开始读数。那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。到这里，会发现控制电路整个设计过程的精华所在。把控制电路这部分完成，那么本次的课程设计最重要的部分完成，所以这次课程设计整体上也就基本完成了。图11 闸门信号图1

16、2 逻辑控制电路输出波形4.7 显示电路设计计数电路、锁存电路和译码显示电路详细的电路如图13 ，显示电路主要由计数器、译码器、锁存器、档位选择开关组成。整体电路要接收三个信号一是被测信号的计CP信号波形、74LS160的CLR段清零信号波、74LS373锁存端信号波。图13 显示电路4.8 计数电路和显示电路的调试图14 显示电路调试计数电路：按照图4-10所示连接好，将74160的PT端，CLR端，LD端都接高电平，3个74LS160级联，构成异步十进制计数器。，在调测的过程中，接好后，给最低位的74LS160一个CP信号。让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。这样，计数器就开始计数了。

17、数码管从000999显示。计数电路就这样搞好了。在调测的过程中，74160的CLR端，LD端是用临时的线连接。因为在后面这些端都是连接控制电路产生清零、锁存信号的输出端。显示电路：如图14 所示接好显示电路。将BCD数码管和锁存器的管脚，这样，显示电路也就搞好了。经过模拟仿真，显示电路工作正常。4.9 显示单位转换电路在测量频率的时候，分两个显示单位，测量频率的单位需要显示Hz的时候，绿灯亮。测量频率的单位需要显示KHz的时候，红灯亮。4.10 报警电路设计 报警电路是在最高位的十进制计数器74LS160的进位端加一个蜂鸣器或者是LED灯，当有进位时蜂鸣器就会发出响声，LED灯会亮起来，以此提

18、醒被测信号频率超出量程。如图11： 在1999 HZ 档位下，被测信号为1 K HZ时，图片中左下角红色 LED 灯会发光报警。图15 报警电路测试图5 结论.5.1 设计任务完成情况在过去的十多天里，我通过去图书馆查阅资料，上网，答疑等多种形式，对数字频率计的电路有了详细的了解，并且信心十足。起初设计的电路经常有漏洞，模拟电路仿真时也仿真不出来，后来经过仔细研究和探讨不断的对电路进行改进，顺利的完成了任务，得到满意的结果。5.2 问题及改进在实习初期，没有查找太多资料，为了图快，相当然的将数码管和计数器直接相连，会频率稍大时出现了数字闪烁的现象。通过查找资料，在电路中加入74LS373DW锁存器对计数器输出信号进行锁存，计数完后，让数码管显示计数器计到的数字功能。为了克服测量低频信号时的不足，可以使用另一种算法。将被测信号送入被测信号闸门产生电路，该电路输出一个脉冲信号，脉宽与被测信号的周期相等。再用闸门产生电路输出的闸门信号控制闸门电路的导通与开断。设置一个频率精度较高的周期信号（例如10KHz）作为时基信号，当闸门导通时，时基信号通过闸门到达计数电路计数。5.3心得体会在实习的过程中，我了解了数字频率计的工作原理，并且进一步学习了模拟电路仿真技术。同时还发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，认识到自己的思维还是不够活跃。实习过程中虽然遇到