数字电子技术课程——设计报告.docx

数字电子技术课程设计报告之数字频率计 目录 第一章、 设计指标.2 第二章、 系统概述 2.1、设计思想.3 2.2、可行性论证.3 2.3、各功能的组成.6 2.4、总体工作过程.7 第三章、单元电路设计与分析 3.1、各单元电路的选择.7 3.2、设计及工作原理分析.8 第四章、电路的组构与调试 4.1、遇到的主要问题.19 4.2、现象记录及原因分析.20 4.3、解决措施及效果.21 4.4、功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据 第五章、结束语.21 5.1、对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明.22 5.2、总结设计的收获与体会.23 参考文献.23 第一章、 设计指标 我们要设计一个测量TTL方波信号频率的数字系统。用按键选择测量信号频率。测量值采用4个LED七段数码管显示，并以发光二极管指示测量对象:频率(周期值)以及测量的单位:HZ(s)、KHZ(ms)。频率的测量范围有4个量程。 有如下指标: (1) 测量结果显示4位有效数字。测量精度为万分之一。 (2) 频率测量范围:0.1HZ999.9KHZ，分为4档。 第一档:100.1HZ999.9HZ 第二档:1.000KHZ9.999KHZ 第三档:10.00KHZ99.99KHZ 第四档:100.0KHZ999.9KHZ (3) 量程切换可以采用两个按键手动切换或由电路控制自动切换。 (4) 设计一个周期性方波产生电路输出频率计调试所需的信号。输出信号的频率范围与测量范围相同，分为4个量程。再设置4个按键在每档范围内选择4为有效数字的916个固定频率，最高位数值必须分布19，信号占空比可以任意。 第二章、 系统概论 2.1、设计思想 在生产实践和科学实验中，经常需要测量信号的频率。数字频率计就是用数字方式测量和现实被测信号频率的仪器。实用的数字频率计可以测量多种不同形似的周期性波形，这次的实验设计的目的在于理解频率测量和周期测量的基本原理，计数型测量仪表的量程扩展方法，以及对输入为TTL方波信号进行测量。 设计的方框图如下: 锁存器 测量计数器 发光二极管 选择器 锁存LD 小数点位置清零CR 测量单位控制 控制 数字单稳态触发10s 电路 可控分频器 采样定时信1s 号 选择器 量程控制选择 100ms 数据选择器 10ms 10倍率分频器 晶体振荡器 2.2、可行性论证 我将分别从测频采样定时信号及测量周时基信号的产生，计数，锁存，显示，信号选择，量程切换控制，控制信号产生，自校调试信号产生等几个方面来论述。 1. 测频采样定时信号及测周时基信号产生 采用8级分频器产生1us10s共10路分频倍率为10的时钟信号，其中10ms 100ms 1s 10s四路信号满足时基信号要求作为测频采样定时(时基)信号。 2. 计数、锁存和显示 寄存器的数据控制信号为其时钟输入clk，当时钟脉冲为上升沿时输出数据被刷新为当前的输入数据，否则输出保持不变。锁存器的数据控制信号为门控使能，当门控使能为高电平时输出与输入相同，否则输出保持不变。 3. 信号选择及量程切换控制 可通过分频器选择不同周期的实际信号作为测频采样定时。 小数点显示及控制单位可按下表的控制要求由量程选择信号通过组合电路实现: 量程范围 允许误差/hz 采样时间/s 小数点位置 单位 100.1999.9hz 0.1 10 Hz 第三位 1.0009.999khz 1 1 Khz 第一位 10.0099.99khz 10 0.1 Khz 第二位 100.0999.9khz 100 0.01 khz 第三位 4. 控制信号产生 采样定时信号触发数字单稳态电路产生计数值锁存信号LD和测量计数器清零信号CR。 5. 自校调试信号产生 考虑由量程选择信号控制分频计数器的输入脉冲频率Fs为Fi、10Fi、100Fi、1000Fi;由按键控制ROM选择分频计数器的预置数修改其摸值N。可控分频电路如下: A Q 预置数 D ROM Q 调试信号输N 多 出 分 级 频 cp 频 十 率 分 选 频 择 量程选择 2.3、各功能的组成 1、采样信号 采用8级分频器产生1us10s共10路分频倍率为10的时钟信号,其中10ms10us4路信号满足要求可作为测周计数脉冲。 2、测量计数器 测量计数器采用十进制加计数器级联 3、锁存器 输出4组BCD码可采用两个8位寄存器74377或8位锁存器74373 4、译码显示 可采用七段译码显示器实现显示 5、信号选择 数据选择器选择分别选择10s、1s、100ms、10ms作为测频采样定时。 6、控制信号产生 采样定时信号触发数字单稳态电路产生计数值锁存信号LD和测量计数器清零信号CR。数字单稳态输出脉冲宽度与输入时钟CP的周期相同。 7、自校调试信号产生 由量程选择信号控制分频计数器的输入脉冲频率Fs为Fi、10Fi、100Fi、1000Fi;由按键控制ROM选择分频计数器的预置数修改其模值N。 2.4、总体工作过程 首先通过8级分频器产生N路分频倍率为10的时钟信号，我们选择其中我们所需要的作为采样信号。采样信号通过数字单稳态触发电路，经过清零端CR输入测量计数器，经过锁存端LD输入锁存器。于此同时经过测量计数器的采样信号输入锁存器。我们可通过量程的选择来分别用译码显示器和发光二极管来控制小数点位置和测量单位。由此我们可实现一个测量TTL方波信号频率的数字系统。具体工作过程可见2.1的实验方框图。 采样信号 数字单稳态触发电路 测量计数器 锁存器 译码显示 小数点 测量单位发光二极管 的控制 第三章、单元电路设计与分析 3.1、各单元电路的选择 数字频率计主要由4部分功能单元组成:产生系统基准时钟的石英晶体振荡器及多级分频电路;信号选择及量程切换控制单元;计数、锁存、译码显示单元;控制信号(计数器清零、显示锁存等)产生单元。 各单元电路选择如下: 计数器模块:采用4个74160十进制计数器级联的方法，时钟信号由被测信号控制。 锁存器模块:采用2个74373锁存器组成16位数字锁存器。 量程选择模块:10分频器采用7个7490计数器级联组成，量程选择两个10分频器级联然后使用74153数据选择器。 单稳触发电路模块:使用D触发器组成数字单稳电路。 显示模块:采用4个七段共阴极显示器以及2个发光二极管。小数点位置控制和单位控制使用74138数据分配器。译码电路使用74153数据选择器和译码器组成。 3.2、设计及工作原理分析 1、计数器及显示控制 (1)频率测量中对计数器是周期性控制的，每个测量周期至少有3个状态，测量前对计数器清零;计数器测量计数，计数时间为采样时间;采样结束后保存采样计数值。 (2)如果计数器输出直接译码显示，由于1s内显示值变化太多次，人眼根本无法识别显示数字。而我们真正关心的测量结果而非中间过程，所以，应将测量结果锁存或寄存后译码显示，每个或每若干个采样周期显示值被刷新一次。 当每一次采样时间结束后计数器必须清零复位，否则计数器将不断累计失去测量功能。 综上所述，频率/周期测量中对计数器是周期性控制的，每个测量器至少有3个状态，如下图 计数器清零 采样值保存 计数器清零 测量采样 测量采样 采样值保存 采样时间 测量周期 计数器原理图如下: 模块图如下: 2、量程切换控制 本设计要求的频率测量最大值达999.9KHZ，意味着每秒时间内7信号的周期波数最大接近10。当频率范围超过10KHZ时，每秒采样时间内计数器的计数值将产生溢出。设被测信号频率为f，采样周期x为T，每个采样周期中计数器的计数值N=f T。因此，可以有两种sxs方法在满足测量要求的前提下避免计数器溢出。 3、量程的选择 量程模块的功能是使用2位二进制数控制选择4个量程，量程的设定由10MHz晶体振荡器经10分频电路分频后设置，即量程选择键控制数据选择器选择不同周期的时基信号作为测频采样定时。 10分频电路的组成采用的是7个7490二-五十进制计数器级联的方式组成，由于7490为二-五十进制，故应将每一片计数器的二进制输出QD接到五进制的时钟信号CLKA，用二进制的高电平脉冲控制五进制的技术，这样计数器即能完成10进制的计数。同时每片计数器的置九、清零信号端全部接地无效。10MHz脉冲信号接最低位计数器的时钟CLKB，其余计数器的输入CLKB由上一片计数器的输出QA控制，每片计数器的最高位QA接输出，这样，当计数器计到最大数9(1001)时，输出信号有效，也即每一片计数器的作用是将输入脉冲的频率降低10倍，以此类推，7个计数器将10MHz的输入信号周期分为1us、10us、100us、1ms、10ms、100ms、1s等7个，其中最后四个将用于频率的测量。 10分频器原理图如下:模块图如下: 3、测量状态控制 每个测量周期中3个状态的持续时间是不同的。系统可以采用状态机制控制计数器或单稳态触发器实现状态定时，每个状态分别产生计数器复位信号CR、计数使能允许EN和计数值锁存LD。计数器清零和采样值保存状态的时间只需大于或等于计数器的清零复位操作时间和锁存器的数据刷新时间，测量采样状态时间在频率测量时一般是对系统基准时钟信号分频获得的时基信号。 当计数器的复位脉冲CR的宽度远小于定时信号周期时，电路可以简化，即不对测量计数器进行使能控制，使其始终处于计数状态。系统根据采样定时信号周期性产生LD和CR，保存计数值并对计数器清零。若锁存器高电平有效，测量计数器在两次清零操作键的计数值就是采样值，实际采样时间是定时周期减去清零脉冲CR的宽度。若CR的脉冲宽度远小于计数器输入脉冲的最小周期，测量误差不会超过设计指标要求。简化的电路控制信号时序如下图: Fs 采样定时信号 计数值锁存信号 计数器清零信号 4、数字单稳态触发电路 主要由D触发器组成，D触发器的功能是:当输入脉冲为上升沿时，输出Q与输入D相同，其余时刻输出Q保持不变。因此通过上图的连接方式，构成的单稳触发电路可以实现对信号宽度的整形功能。输入信号M为高电平后的第一个CP上升沿时Y输出为高电平、第二个CP的上升沿时Y回到低电平。所以当M的正脉冲宽度大于一个CP周期时，Y输出的是一个与CP同步、宽度恒定为1个CP周期(与M宽度无关)的正脉冲。 因为数字单稳触发电路需要控制计数器的清零和锁存器的锁存，并且两者的时序关系是当锁存信号发出完毕后立即使计数器清零。其输出脉冲宽度与输入时钟CP的周期相同。因此，需要两个单稳态电路构成数字单稳触发模块。 数字单稳触发电路原理图如下: 模块图如下: 第四章、电路的组构与调试 4.1、遇到的主要问题 1、在计数器模块及动态扫描显示的调试中，去除电路中的单位态触发器控制，将1Hz的测试信号直接接入计数器模块的时钟信号，发现仿真结果是低位过8就向高位进1，不能实现十进制计数。 2、单位控制和小数点控制电路都连好了，但输入一定频率时，显示不变，是个固定值 3、在数字单稳电路的调试中，使用Quartus的仿真功能，测试单稳触发器的时序波形图，得到的结果证明复位信号比锁存LD延后一个脉冲。 4.2、现象记录及原因分析 1、计数器模块及动态扫描显示的调试 若电路连接正确，观察到的现象为:四位七段显示器每隔一秒向后计一位数字，逢十进一。 理论现象如下: 但实际观察到的现象是: 3、数字单稳电路的调试 观察到的现象是: 4.3、解决措施及效果 1、计数器模块及动态扫描显示的调试 措施:计数器RCO进位应该取反后再接入下一片计数器的CLK。 效果:显示正常。 2、经过老师和同学的提点，发现电路中少了循环电路，改正了电路。 效果:显示正常。 3、未找到解决的方法。望老师指导。 4.4、功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据 测试方法: 用函数发生器输入几个范围内的频率值，观察数字频率器显示的单位小数点以及数字是不是在可变范围内。 测试步骤: 分别在100.1Hz999.9Hz 1.000kHz9.999kHz 10.00kHz99.99kHz 100.0kHz999.9kHz这几个范围内取9个频率值，观察指示灯的位置以及显示器上的数字，并且记录下来 测试设备:函数发生器，数字频率计。 记录的数据: 100.1Hz9991.000kHz9.99910.00kHz99.99100.0kHz999.9.9Hz kHz kHz kHz 实际测量实际值测量值实际值测量值实际值测量值khz khz khz khz khz khz 值hz 值hz 157 157.2 1.54 1.542 15.23 15.23 150.2 150.5 255 255.3 2.75 2.648 26.73 26.74 256.7 256.4 358 358.2 3.51 3.512 35.60 35.61 362.4 362.4 457 457.4 4.54 4.543 47.35 47.37 458.3 458.3 560 560.5 5.62 5.637 55.61 55.64 555.6 555.7 654 654.7 6.58 6.583 66.39 66.39 654.3 654.3 750 751.0 7.57 7.576 75.41 75.41 753.9 753.9 884 884.2 8.54 8.542 88.25 88.28 861.6 861.6 951 951.7 9.74 9.738 97.52 97.52 953.8 953.9 第五章、结束语 5.1、对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明 1、 在计数器里多设置一组BCD编码，让第5位进行四舍五入计数，使实验数据更加精准。 2、 调试过程中，我们可以先选择一些比较容易输入和观察的预置频率信号，如整数频率1HZ等，或者加一个可控分频器，来避免以后因为实验未完成时测试时用外接频率的麻烦。 5.2、总结设计的收获与体会 对我而