北理工电子技术课程设计报告浮点频率计

-.z.电子技术课程设计报告——浮点频率计的设计：班级：**：实验时间：年月日至日目录一、课程设计目的二、课程设计要求三、使用到的仪器、器件清单四、课题分析及方案论证五、EDA仿真分析六、调试与结果分析七、总结与体会八、参考文献九、附录一、课程设计目的稳固和加深在“模拟电子技术根底〞和"数字电子技术根底"课程中所学的理论知识和实训技能,根本掌握常用电子电路的一般设计方法,并通过这一实训课程,能让学生对电子产品设计的过程有一个初步的了解，使学生掌握常用模拟、数字集成电路〔运算放大器、非门、555定时器、计数器、译码器等〕的应用，包括熟悉集成电路的引脚安排、各芯片的逻辑及使用方法，了解面包括板构造及其接线方法，通过使用multisim仿真技术，独立完整地设计一定功能的电子电路，以及仿真和调试等得综合能力。二、课程设计要求1.设计一个浮点频率计2.技术指标〔1〕要求测量频率最高可达1MHz。〔2〕测量结果以三位LED数码管显示，其中两位用以显示有效数字，一位显示10的幂次。〔3〕要求具有启、停控制用于启动和停顿频率的连续测量和显示。〔4〕在连续测量工作状态要求每次测量1s显示3s左右，并且连续进展直至按动停顿按钮。2.器件选择围74LS90、74LS160、以及其它常用TTL逻辑器件三、使用到的仪器、器件清单1.使用仪器：数字电路实验箱、示波器、信号发生器2.使用元件清单：元件名称数量〔个〕芯片74LS90674LS160174LS153174LS00274LS04274LS08274LS321555定时器1电阻270kΩ1510kΩ1200Ω21kΩ2电容2200pF410nF14.7μF1四、课题分析及方案论证〔1〕课题分析本课题要求设计一个浮点式数字频率计。一般的数字频率计通常是由石英晶体振荡器、分频器、计数器以及测量与显示控制器等组成。其原理框图见图。其中石英晶体振荡器、分频器、控制器的主要任务是产生时间基准信号，其脉冲宽度必须是准确的，例如1s或0·1s等。这种时间基准信号被用来控制被测信号的输人计数，可见被测信号的频率与基准信号选通期间计数器所计数值成正比。假设基准信号为1s，则计数值即为被测信号的频率，假设基准信号为0.1s，则计数值乘以10即为被测信号的频率等等。因此基准信号通常设计为10的整数次幂，从而使测量结果的定标只要移动小数点的位置即可。基准测量信号选通时间的长短以及计数器的位数决定了频率计的分辨率，而频率计的精度主要取决于基准测量信号本身的精度。这就是脉冲源采用石英品体振荡器的原因。由于作为开门信号的基准测量信号与被测信号不同步，所以这种测量方法存在着±1个计数脉冲的误差。当被测信号频率很低时，该误差将使测量结果的相对误差很大，因此上述测量原理将不适用解决这个问题的方法通常是首先测量被测信号的周期，然后再转换为相应的频率值。本课题所要求的频率计属于前者情况，即被测信号频率较高，所以上图的原理框图仍适用，但其特殊点在于计数器的小数点位置是不固定的〔即使在同一标准测量信号下〕，所以称为浮点式频率计。具体来说，对于一般的频率计，在其时间基准信号选定的情况下，计数器小数点的位置就被固定，而且在基准测量信号选通期间，计数器所计的全部数字都要保存，因此计数器的长度必须足够，不能产生溢出，否则结果将是错误的。这样所需显示器的位数也很多。对于浮点式频率计，在其基准测量信号选通期间，计数器所计的数不管多大，只要保存系统所规定的有效数字位数，例如本系统只需要保存最高两位的有效数字，后面各位的数字一概不予保存，而只反映出其后面还有多少位就可以了。本例过一位十进制“幂次数计数器、显示器"来反映测量结果的小数点位置。可见本系统测量结果的显示只需3位十进制数，头两位是结果保存的有效数字，第三位是此数所乘以10的幂次数，即结果的表达式为×QUOTE，其中为两位十进制数，N为一位十进制数。系统的最高测量频率为1MHz，因此显示围完全够用。〔2〕方案论证根据以上的分析，本系统方案如下列图所示。其根本原理如下所述。1)石英晶体振荡器、分频器I、控制器。该局部电路主要用来产生基准测量信号，采用石英晶体振荡器保证了基准测量信号的准确性，从而保证了测量结果的精度。基准测量信号的脉冲宽度可以是1s，也可以是0.1s等多种，这要根据系统测量频率的围及精度要求来确定。一般频率计都设计为多种，由用户在使用中选择。本系统以讲清原理为主，因此只选择1的一种。此外控制电路还要求具有启动和停顿系统测量的功能，这可以通过“启"、“停"两个微动开关和相应电路来实现。系统在连续测量与显示工作状态下，实现测量1s，显示约3s，再测量，再显示等功能。2〕m计数器与N计数器。m计数器为有效数字计数器，它由两位BCD计数器组成。N计数器为幂次计数器，它由一位BCD计数器实现。其工作过程是这样的：首先把m、N计数器清零。当要测频时，按动启动按钮SB启，系统进人连续测量与显示工作状态。当基准测量信号〔1s〕选通时，计数器控制门翻开，被测量信号进人"计数器。当m计数器计满，即N计数器仍为0。被测信号再来一个脉冲，计数器应〔达99时〕，频率显示为99×QUOTE。为100，即计数器应从99变为10，而N计数器应从0变为1。此后，计数器再来的脉冲应以10为单位，即被测信号每送入10个脉冲，m计数器才应计一个1，所以被测信号应该经过十分频电路后再送人m计数器。同样道理，在N：1的情况下，m计数器计到99时〔频率显示为99×10〕，假设m计数器再接收一个脉冲，则m计数器应由99变为10，而N计数器应由1变为2。此后，"计数器的输人应从被测信号经100分频器后的输出接收，此过程一直进展到系统的最高测量频率，即m、N计数器的最大值99×QUOTE。可见计数器中的高位BCD计数器必须具有预置功能，以便实现9-1的转换。3〕分频器II和多路选择器。由上述分析可知，"计数器的输人分别为被测信号了及其分频信号10、QUOTE、QUOTE、QUOTE分频器Il就是用来实现这些分频，所以它是由4级十分频电路来完成。多路选择器是用来实现对上述5种输人信号进展选择，把所需信号送人m计数器，因此它要受N计数器的状态控制。当N：0时，多路选择器送出了信号；当N=1时，送人弦10；当N=2时，送入弦102；当N=3时，送人弦103；当N：4时，送人QUOTE可见多路选择器应为五选一电路。〔3〕方案实现1)标准测量信号的产生与控制电路的设计。方案a.为了产生1s脉冲宽度的基准测量信号，采用了100kHz的石英晶体振荡器和5级十分频电路，从而获得了1Hz的标准秒脉冲信号。电路如下列图所示，其中多谐振荡器使用了74LS04六反相器，而分频器使用了5片74LS290二·五·十进制计数器。方案b.555555可连接成时钟脉冲发生器。如下列图，电容C被充电，当QUOTE上升到时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过QUOTE和T放电，QUOTE下降。当QUOTE下降到QUOTE时，QUOTE翻转为高电平。当放电完毕时，T截止，QUOTE将通过QUOTE、QUOTE向电容器C充电。当QUOTE上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的振荡频率为：输出1khz再经3组74LS290二·五·十进制计数器分频得到1hz信号。方案c.用石英晶体组成石英晶体振荡器，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，这个网络有两个谐振点，以频率的上下分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率围，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上适宜的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反应电路中就可以构成正弦波振荡电路。如图4，G1用于震荡；G2用于缓冲整形；R是反应电阻，通常在几兆欧到几十兆欧间选取；R1起稳定振荡的作用，通常取十至几百欧之间；C1是频率微调电容，C2是温度特性校正用电容，C1，C2串联等与负载电容。它们与晶体共同构成反应网络。电路的震荡频率及取决于石英晶体的并联谐振频率，与R、C的数值无关。以上三种方案，方案a由于没有100khz晶振元件，方案b的振荡周期不仅与时间常数RC有关而且方案b还取决于门电路的阈值电压QUOTE。由于QUOTE容易受温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能应用于对频率稳定性要求不高的场合。而本系统要求要产生稳定性非常高的时钟信号，所以采用方案c。此电路输出的1Hz脉冲信号只要经过二分频其脉冲宽度就是1s。但还不能这样简单地获取1s基准测量信号，因为基准测量信号还受到启动信号的控制，即只有启动后才允许标准测量信号输出去选通控制门，而且1s信号还必须受到启动信号的同步控制，即不允许启动后发出不完整的Is信号。为此设计的启停控制与标准测量信号电路如下图。其工作原理是，当接通电源或按动SB停时，工作状态触发器被清零，Q=0处于停顿状在这里电容c起加电自动复位作用。当按动SB启键时，工作状态触发器被置1，Q=1系统处于测量工作状态。工作状态触发器的输出端Q接一T形触发器〔由JK触发器74LS76构成〕的T输人端，把1Hz信号接T触发器的CP端，这样从T触发器的输出QT端就可以获得了受同步控制的1s基准测量信号，QT的脉宽确是1s，但仍不能用此信号1Hz直接去选通计数控制门，其原因有二，一是假设用平期间将封锁控制门1s〕，显示时间不可调，达QT不到显示3s的要求；其二是再次测量时〔下一个正脉冲期间〕，前一次测量结果未去除，所以本测量将在前一次结果的根底上继续累加，使结果错误。为此可以想到控制电路应设计一个节拍发生器，它应由QT的下降沿启动，发出的第一个节拍信号QUOTE应封锁基准测量信号，使之不能送出后面的测量信号。第二个节拍信号应在将近3s时发QUOTE出，用来去除本次测量的结果。可见显示时间约为3s。最后发出QUOTE信号，解除对QT的封锁，即再次QT启动测量电路。本系统所设计的节拍发生器控制时序图见图，实现电路见图7P2由控制时序图可见，3个节拍所占时间只要略小于3s的显示时间即可。节拍1由A555定时器构成的单稳态触发器产生，其中R=510kΩ，Cl=4.7μF，所以负脉冲宽度为2•5s左右，和JP3都是由与非门74LS00构成的典型单稳触发器输出，R、C分别为200Ω和2200pF，所以和JP3负脉冲宽度约为0•6s，满足工作要求。电路的工作过程是这样的：当按动SB停键〔或者系统加电时〕，工作状态触发器FI和连续运行触发器F，均复位，Q=0、Q'=0，所以G门输出为0，T触发器处于0状态并保持不变，IHz信号不起作用，基准测量信号输出售=0，封锁计数控制门，从而系统处于停顿状态当按动SB启键，Fl和F2均被置1，所以G门输出为1，当1Hz信号下降沿时，T触发器翻转，QT输出一个脉冲为1s的基准测量信号，选通计数控制门，实现测频功能。当QT下降沿到达时，经RC微分电路触发555构成的第一级单稳态触发器，从而获得Jp1信号。JP1信号一方面送连续运行触发器F2，使之复位，另一方面送第二级单稳态触发器。7P1的前沿〔下降沿〕使Q'：0，所以G门输出为0，T触发器保持0状态不变，系统处于显示状态。7P1的后沿〔上升沿〕触发第二级单稳态触发器，从而获得7P2信号。和SB停按钮信号一起形成清零信号用以去除T触发器、m计数器、N计数器以及分频器，保证再次测量时数据的正确性。JP2信号还送到第三级单稳定触发器的输人端，当7P2的后沿〔上升沿〕到达时，触发第三级单稳态触发器，从而获得7P3信号。送连续运行触发器F2，使之再次启动Q'=0，所以G门输出为1，T触发器在IH，信号作用下又一次发出基准测量信号，再次进展测量，如此周而复始进展下去，完成系统连续测量与显示的功能。直到按动SB停键，使Q=0，Q'=0封锁G门，系统处于停顿测量状态。2〕m计数器和N计数器的设计。在方案论证中已经看到计数器要求由99变为10，即其高位应由9变为1，所以其低位和N计数器均可采用一般的BCD计数器，本系统仍可选用两片74LS290来实现，而，〞计数器的高位选用一片具有同步预置功能的74LS160来完成。总逻辑电路图见图10·23所示。当74LS160计到9时，其进位端C=1，经反相器送同步预置端仞。当低位片由9变到0时，送来一个进位脉冲，则高位片将并行置人DCBA段的信号。系统中将DCBA固定接成0001状态，从而实现了高位片由9变1的要求。3〕分频器及多路选择器的设计。由方案论证可知，待测信号了需经4级10分频电路产生7、、弦10、弦102、弦103、弦104五路信号送多路选择器，在此仍采用74LS290实现十分频。但要注意该分频器Il必须受系统清零信号控制，以便获得准确的分频器全0初始状态，从而防止由于初始状态不同而造成的测频误差。电路总逻辑图见图10·23。分频器输人控制c门的作用是这样的，它受标准测量信号QT控制，因此只有在测量期间c门才接通，此外均关闭。所以它一方面起到计数控制门的作用，另一方面又保证在系统清零信号解除后而测量信号到来前，分频器Il的初始全0状态保持不变。这就是c门为什么必须放在分频器Il之前，而不能直接放在m计数器Il之前的道理。多路选择器由74LS153双四选一和或门74LS32组成八选一电路。本系统仅选五路信号，所以多出的三路不用。选通由N计数器的低3位QC、QB、QA来控制。4〕显示电路。N计数器的输出经三片74L7BCD到七段显示译码器/驱动器直接驱动3位D数码管完成测量结果的显示。到此为止设计完成。五、EDA仿真分析〔1〕仿真为了验证以上方案的正确性，在进展安装与调试之前首先节拍发生器进展仿真。仿真时为了加快仿真速度'将原图中的1秒脉冲信号改为10Hz信号。仿真电路图如所示，各仿真波形分别如下列图所示，分别为QT信号、JP1信号、7P2信号和JP3信号，仿真结果验证了节拍发生器。〔2〕浮点计数器局部仿真，由于实验室只提供74ls90，因此仿真时也采用74ls90。仿真结果，通入各个频段信号后可以进展正常计数，正常进位。总设计电路图如下，上下两局部经过方针均可以正常工作，但是将其二者组合在一起时，可能由于multisim软件本身性能原因，对于高频数字电路的仿真速度有待提高。在进展计数时每当计数到高位为9时即将进位时，计数变得极其缓慢乃至卡机的情况出现导致无法继续进展仿真。但是节拍发生器和浮点计数器均能正常工作，根据电路的逻辑原理推理可的此方案可行，经知道教师许可后开场进展实际电路的搭建与调试工作。总逻辑电路图六、调试与结果分析安装与调试根据先局部后整机的原则，本系统可划分为如下几个功能块，沿着信号的流向具体调试步骤为：1〕首先安装调试1Hz信号电路。2〕安装和调试分频器II以及多路选择器。注意，此时QT信号输入端应先接高电平，清零信号输入端应先接地，被测信号输人端可先接来自数字电路实验箱上的10kHz的脉冲信号，而多路选择器的选择控制端可先接到4个逻辑开关上。通过双踪示波器观察各级10分频电路的输出是否正确，再观察八选一电路在三个逻辑开关为不同状态下的输出〔即或门的输出〕是否与相应选择的信号一致。可见在局部电路的调试过程中，必然遇到*些输入信号尚未产生的情况。这时必须对这些输入端进展恰当的处理，即先把它们连接到*些合理的信号或电平上，才能使局部电路的调整成为可能。当然在进展整机统调，或其他局部电路调整涉及到这些点时，不要忘记恢复正常连接的情况。3〕安装和调试计数器和N计数器。其方法与上述情况类似，本局部完成后计数器局部根本搭建完成，通入1hz、10hz和20hz信号后可以进展连续的计数，证明功能完好，与仿真结果符合4〕安装和调试主控制器电路和节拍发生器。加电后测试有关各点的初始状态是否正确，按动SB启键，用示波器观察QT输出端，每3s后应出现一次1s脉宽的正跳变。还可以观察JP1等信号，但JP2、JP3及清零等信号由于太窄，不易观察。上述观察时，示波器扫描频率应选得很低，并使用单次触发。在单稳态触发器的设计方面，最开场参考的数字电子技术根底课本上给出的方案中R为270KQUOTE。但是在实际测量中发现如果使用270KQUOTE电阻的话会导致单稳态触发器完全没用，经过教师提示，考虑到TTL与非门的负载特性，应该选用0.91kΩ以下的电阻，最后选择了200Ω的电阻，测试后终于可以产生正常负脉冲。在测试时，由于整个节拍发生器的信号成为一个闭环，为了测试各个模块的正常工作与否，必须先仿真得到各个输入输出端应该得到的信号波形，再将电路拆解开来，用信号发生器通入改信号，用示波器观察是否得到应得的型号，以此来排查故障点，最终经过几个模块的拆解测试终于将各个模块的输入输出调整正常。5〕整机统调。接好全部电路加电后显示器应为000被测信号端参加信号发生器给定的*一频率的脉冲信号，按动启键，观察系统是否测量1显示，按动B停键，系统是否停顿测量且显示为全为0，如果正常，则系统统调完毕，否则通过故障点跟踪测试法查找和分析故障性质，从而决定返回以上哪个步骤重新进展，直到系统到达指标要求为止。系统工作正常后就需要进展标定，通过测量标准信号源就可以看到系统的测量精度。6〕实验结果。如下列图为实际电路通入4.5khz频率时的情况，三位数码管显示情况为452，即频率为。由于设计只有四级分频电路，因此本系统最大可测频率为1MHz，当被测信号频率超过1MHz时，三位数码管将一直显示105，即为上限频率1MHz。7〕误差分析。本实验中误差主要来源有：1〕1S基准测量信号的误差。本实验中产生1Hz基准测量信号的三种方案分别为：100Khz晶振经过十分频得到；555定时器接成1S脉冲信号发生器；32768晶振正弦波振荡电路；具体方案已在上面详细介绍。采用555定时器方案取决于门电路的阈值电压，易受温度，电源电压及干扰的影响。而采用32768晶振取决于电路的并联谐振频率，对电容的选择有较高的要求。2〕计数器的计数误差，即“±1误差〞。由于计数器的工作原理在1S计数脉冲可能会出现多计1个或少计1个的情况，当频率较低时误差就会非常明显。而进位时的计数误差更有可能导致进位错误。根据方案中的脉冲宽度测量方法，分析脉宽测量误差。设被测信号脉宽为Tw*e，标准频率信号频率为Fs，则脉冲宽度的测量值为Tw*=N*/Fs在一次测量中，对标准频率信号的计数值N*可能产生±1个标准频率信号周期的计数误差，则脉宽测量相对误差为|ΔTw*/Tw*|=(1·Fs)/(N*·Fs)=1/N*其中N*＝Tw*·Fs.可以看出，在Fs一定时，脉宽越小，误差越大。当Tw*=100μs，Fs=60MHz时，N*＝6000，则有|ΔTw*/Tw*|=1/6000=0.17‰七、总结与体会此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教，做课程设计要有严谨的思路和熟练的动手能力，我感觉自己做了这次设计后，明白了总的设计方法及思路，通过这次尝试让我有了更加广阔的思路，对今后的学习也有莫大的好处。学习根本理论在实践中综合运用的