电子技术课程设计-浮点频率计设计.docx

电子技术课程设计 -浮点频率计设计 摘要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多其他参数的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得由为重要。本文利用数字电子技术信号处理方法，设计了测量达1MHz，精度较高的浮点频率计，并将结果通过7段数码管显示。本文利用计数器和触发器的原理，设计了秒脉冲电路、节拍控制电路和显示电路。待测信号通过控制门，可以实现1s测量、3s显示的时序，并经过分频与计数，送给数码管显示。系统设计采用Multisim软件仿真和硬件调试相结合的方式，最终实现了浮点频率计的设计。该系统工作稳定，性能达到了预期指标，具有一定的可行性。关键词：频率；Multisim；分频器 1.引言频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。频率计主要由四个部分构成：时基电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。其原理框图见图1图 1 数字频率计的原理框图而浮点频率计与普通数字频率计的区别在于，浮点频率计计数器的小数点位置是不固定的。这样，可以利用较少的显示器位数，测量较大的频率。1.1技术指标1) 设计一个浮点式数字频率计；2) 要求测量频率最高可达1MHz;3) 测量结果以三位数码管显示，其中两位用以显示有效数字，一位显示10的幂次数；4) 要求具有启、停控制用于启动和停止的连续测量和显示；5) 在连续测量工作状态要求每次测量1s，显示3s，且连续进行直至按动停止按钮。1.2任务分析根据上述技术指标进行分析，该课题所要求的频率计被测信号频率较高，且小数点位置不固定。且本系统只需要保留两位有效数字，后面各位的数字一概不予保留。因此，测量结果的显示仅需3位十进制数，头两位是结果保留的有效数字，第三位是此数所乘以10的幂次数，即可将结果表示为，其中m为两位十进制数，N为一位十进制数。根据系统性能指标要求，最高测量频率为1MHz，该显示范围完全够用。 2.系统设计2.1系统框图如图2所示，为控制系统框图。主要分为时基部分、信号输入部分和显示部分。图 2系统框图首先，由石英晶体振荡器产生100kHz的脉冲信号，经过5级十分频电路后，获得了1Hz的标准秒脉冲信号。该信号作为基准测量信号，送入到控制器中，通过时序处理，并通过控制门，产生显示部分的时钟信号，以实现每次测量1s，显示3s的要求。被测信号在时钟信号的控制下，通过控制门，进入分频器，产生、五路信号送入多路选择器。多路选择器的使能端由N计数器产生，而其输出信号送入m计数器。m计数器应由99变为10，即高位由9变为1，而低位和N计数器均可采用一般的BCD计数器。本设计采用单电源+5V供电，电源电路部分未在系统框图中出现。2.2单元电路该系统除电源外，各部分电路按功能分为秒脉冲电路、节拍控制电路与显示电路。其中显示电路中还包括分频器电路。2.2.1秒脉冲电路如图3所示，为秒脉冲电路原理图。振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号图 3秒脉冲电路原理图也可由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源，如图3-1所示。 图3-1：555与RC组成的多谐振荡器2.2.2节拍控制电路如图4所示，为节拍控制电路原理图。图 4节拍控制电路原理图节拍控制电路主要有以下四个功能：第一、产生周期为4s，占空比为25%的控制信号Q；第二、使系统受到启动信号和停止信号的控制；第三、实现上电复位；第四、产生系统的清零信号。为了实现以上功能，首先需要利用JK触发器对输入的1Hz脉冲信号分频。但是分频后的信号还需要受到启动信号的控制，也就是说，只有启动后才允许标准测量信号输出去选通控制门。为此，设计了启停控制电路，使系统在接通电源或者按动S1时，工作状态触发器被清零，系统处于停止状态。而当按动S2时，工作状态触发器被置1，系统处于测量工作状态。另外，为了实现1s测量、3s显示的要求，还应设计一个三节拍发生器。这个三节拍发生器产生三个节拍信号，分别用来封锁基准测量信号；清除测量结果以及接触信号封锁。其中，节拍1由NE555定时器构成的单稳态触发器产生，节拍2和节拍3是由与非门构成的典型单稳态触发器输出。其控制时序如图5所示。图 5节拍发生器的控制时序2.2.3显示电路如图6所示，为显示电路原理图。图 6显示电路原理图该部分电路主要包含以下部分：分频器、多路选择器、m计数器和N计数器。根据系统要求，待测信号需要经过4级10分频电路产生、五路信号送入多路选择器，在此采用74LS290实现十分频。多路选择器则由74LS1153双四选一和或门74LS32组成八选一电路。根据本系统要求，仅需要五路信号，所以多出的三路不用。多路选择器的使能端由N计数器的第三位控制，而其输出信号送入m计数器。根据系统设计要求，m计数器应由99变为10，即高位由9变为1，而低位和N计数器均可采用一般的BCD计数器。其中BCD计数器仍由74LS290来实现，而m计数器的高位选用一片具有同步预置功能的74LS160来完成。当74LS160计数到9时，其进位端C=1，经反相器送同步预置端LD。当低位片由9变到0时，送来一个进位脉冲，则高位片将并行置入DCBA段的信号，系统中将DCBA固定接成0001状态，从而实现高位片由9变1的要求。3.系统仿真与测试3.1系统仿真为了确保上述设计电路的正确性，利用Multisim 12软件对该系统电路进行了仿真。仿真主要包括两个部分。首先，对节拍发生器电路进行仿真，利用虚拟示波器检查各处波形是否正确。为了加快仿真速度，将原理图中1Hz的秒脉冲信号改为10Hz信号。各处仿真波形如图7所示。图中，从上至下分别为Q信号、节拍1信号、节拍2信号和节拍3信号的波形。从仿真结果上看，节拍发生器的设计是正确的。图 7节拍发生器控制时序仿真波形图随后，即为系统整体仿真。在Multisim中将节拍控制电路与显示电路分别连接，并将被测信号设为100Hz，可以看到仿真结果如图8所示。可见，仿真结果是正确的，验证了系统方案的设计是可行的。图 8系统整体仿真结果3.2系统搭建与测试在完成系统仿真后，根据系统原理图，在面包板上搭建了该浮点频率计系统.在完成系统搭建后，对系统进行了指标测试。具体结果见表1。表 1 指标测试结果被测信号频率测量值误差10Hz11Hz10%100Hz110Hz10%1kHz1kHz0%50kHz50kHz0%200kHz200kHz0%1MHz1MHz0%从上述测试结果可以看出，系统满足技术指标中测量范围的要求。同时，在1kHz以上的频率段，误差基本为0。当频率较小时，由于脉冲数较少，一旦发生漏脉冲或外界有一些干扰，就会导致计数的误差。故，在低频段有一定误差，但也在可接受范围内。 4.总结收获此次设计了一种测量范围可达51MHz，精度较高的浮点频率计。根据系统的需要，设计了秒脉冲电路、节拍控制电路和显示电路等。系统实现过程中，采用软件仿真和硬件调试相结合的方式，最终实现了设计指标。在本次实验过程中，出现了很多问题，方案设计的不完美，参数不精确存在缺陷等。此次实验使我明白了，在工程设计上一定要十分精确，及时是一个小小的电阻，也要按照实验原理去自习计算参数，切不能大意，估值甚至随意安放一个。另外，此次实验更让我体会到动手能力的重要性，小至搭一个简单的模块，本来以为打电路板已经很熟悉的我这次还范了一些低级的错误导致实验进行滞后。此外，通过这次实验，我们掌握了更多的调试与