课程设计数字频率计.doc

课 程 设 计 报 告所属院系： 电气工程学院 专 业： 电气工程 课程名称： 数字电子技术课程设计 设计题目： 数字频率计 班 级： 电气085班 设计任务书 一、课程设计题目：数字频率计二、设计目的：掌握电子系统的一般设计方法培养综合应用所学知识来指导实践的能力掌握重要元器件的识别和测试熟悉常用仪器，了解电路调试的基本方法三、设计任务：设计一简易数字频率计四、课程设计的要求及技术指标1)测量频率范围量程分为3档，1Hz999Hz,0.01kHz9.99kHz,0.1kHz99.9kHz。2)频率测量准确度, 显示3位有效数字。3)被测信号可以是正弦波、三角波和矩形波。4) 测量周期范围：1ms-1s,测量脉宽范围：1ms-1s。5）当被测信号的频率超出测量范围时,报警.指导教师评语： 评定成绩为： 指导教师签名： 年 月 日一、 总体设计方案选择1、系统方案框图2、方案的分析和比较2.1频率测量常见方法直接测频法。直接测频法是把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间丁(以秒计)内，被计数的脉冲被送到十进制计数器进行计数。设计数器的值为，由频率定义式可以计算得到被测信号频率为： f=NT。经分析，本测量在低频段的相对测量误差较大。增大可以提高测量精度，但在低频段仍不能满足该题发挥部分的要求。组合法。直接测量周期法在低频段精度高。直接测频图组合测频法是指在低频时采用直接测量周期法测信号周期，然后换算成频率。这种方法可以在一定程度上弥补方法的不足，但是难以确定最佳分测点，且电路实现较复杂。倍频法。直接测频法在高频段有着很高的精度。可以把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，高频段则进行直接测量。高精度恒误差测频法。通过对传统测量方法的研究，结合高精度恒误差测量原理，设计一种测量精度与被测频率无关的硬件测频电路。本方法立足于快速的宽位数高精度浮点数字运算。2.2可用实验方案介绍方案1：采用频率计模块(如ICM7216)构成，特点是结构简单，量程可以自动切换。ICM7216内部带有放大整形电路，可以直接输入模拟信号。外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。用转搀开关选择10ms，01s，ls，10s四种闸门时间，同时量程自动切换，直接点亮LED。方案2：系统采用可编程逻辑器件(PLD，如ATV2500)作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。方案3：系统采用MCS一51系列单片机89C51作为控制核心，性能好，价格便宜。由于单片机的计数频率上限较低(12MHz晶振时约500kHz)，所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，89C51则完成运算、控制及显示功能。由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。2.3方案比较及确定以上方案均需使用小信号放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。方案比较及选用依据：显然方案二要比方案一简洁、新颖，但从系统设计的指标要求上看，要实现频率的测量范围1Hz10MHz。要达到误差1的目的，必须显示3位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到这个测量精度，需要主门连续开启1 000s，由此可见，直接测频方法对低频测量是不现实的，而采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题，实现课题要求。故选用方案三，也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，频率测量模块采用快速的高精度浮点数字运算，从而得到所需要的低频信号的测量精度。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种方法：当待测信号的频率100Hz时，定时计数器构成为计数器，以机器周期为基准，由软件产生计数闸门。计数闸门宽度ls时，即可满足频率测量结果为3位有效数字。当待测信号的频率100Hz时，定时计数器构成为定时器，由频率计的预处理电路把待测信号变成方波，方波宽度等于待测信号的周期，这时用方波作计数闸门。当待测信号的频率一100Hz，使用12MHz时钟时的最小计数值为10 000，完全满足测量精度的要求。二、 单元电路的设计2.1 时基电路设计图2-1 时基电路与分频电路它由两部分组成: 如图2-1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:f=1.43/(R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R3取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得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4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。 如图2-2所示，555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz、10Hz和1Hz的方波。图2-2 1kHz的方波分频后波形图（555输出信号、一级、二级、三级分频后信号）2.2闸门电路设计 如图2-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz；这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。图2-3 闸门电路图2-4 4017输出信号（频率为100Hz的方波、4017的Q1、Q2输出信号）2.3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，4511的锁存信号。 图2-5 控制电路、计数电路和译码显示电路图（XFG1为分频后的信号、XFG2为555产生的信号信号、XFG3为被测信号、最上面是最低位、最下面是最高位）控制电路、计数电路和译码显示电路详细的电路如图2-5所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6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、4511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4511（4511的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，4511不送数。如果不让4511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4511的LE端的输入信号也刚好到达下降沿。图2-6 计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图图2-6，是测量被测信号频率是1.1KHz的频率的图。由于multsisim软件篇幅的关系。时基电路产生的信号直接用信号发生器来代替。图中电路1K的信号经过分频后选择的是100Hz的信号为基准信号。那么这个电路实现测量频率的范围是0.01KHz9.99KHz的信号的频率。同时控制电路也实现了对被测信号的周期和脉宽的测量。当CBA的取一定的值，电路实现一定的测量功能。2.4 小数点显示电路设计在测量频率的时候，由于分3个档位，那么在不同的档的时候，小数点也要跟着显示。比如CBA接011测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.1KHz99.9KHz，那么在显示的时候三个数码管的第二个数码管的小数点要显示。CBA接010测量频率的时候，它所测信号频率的范围是0.01KHz9.99KHz，那么显示的时候，最高位的数码管的小数点也要显示。对比一下两个输入的高低电平可以发现CA位不一样，显示的小数点就不一样。我们可以想到可以通过74153数据选择器来实现小数点显示的问题。具体的实现方法见图3-7所示。 图2-7 小数点显示电路（1Y接第二个数码管的小数点、2Y界最高为数码管的小数点）三、总电路图元器件明细元件数量元件数量555定时器一片7404一片430一个4518两片510一个拨盘开关一个10K电位器一个4017一片74151一片74160三片74153三片4511三片74132一片数码管三个导线若干保护电阻四个电容两个5V直流电源一个四、仿真与调试4.1 时基电路的调测首先调测时基信号，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R1=8.2K ，R2=5.1K，C=0.01F。把555产生的信号接到示波器中，调节电位器使得输出的信号的频率为1KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后的频率，分别接一级分频、二级分频、三级分频的输出端，测试其信号。测出来的信号频率和理论值很接近。由于是将示波器的测量端分别测量每个原件的输出端。 分频后信号图（555输出信号、一级、二级、三级分频后信号）下面我在实验中把74151和拨盘开关接好，通过拨盘开关来控制74151的输出信号，把示波器的测量端接74151的输出端。在CBA取三个不同的高低电平时，得到三个不同频率的信号。4.2 显示电路的调测由于在设计过程中，控制电路这部分比较难，要花时间在上面设计电路。为了节约时间，我在课程设计的过程中就先连接后面的显示电路和计数电路。首先是对数码管（数码管的管脚图和功能表详见附录）的显示进行了调测。图4-1 显示电路调测连接图如图4-1所示接好显示电路（这里就只给出一个数码管说明一下）。然后将4511的5端接地。然后给4511的6217端分别接高低电平，数码管就会显示对应的数字。比如6217分别接1000，那么数码管就对应显示数字8.同样，还有两个数码管也按上图接好。接好后的测试方法同上。这样，显示电路也就搞好了。4-2 计数电路的调测图4-2 计数电路调测连接图计数电路按照图4-2所示连接好，将74160的PT端，CLR端，LD端都接高电平，3个74160级联，构成异步十进制计数器。同时4511的5端要接0，在调测的过程中，我忘记将其置零，导致在后面数码管一直不显示数字。接好后，给最低位的74160一个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。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，4511的5端都是用临时的线连接。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。4.3 控制电路的调测 图4-3 控制电路连接图控制电路的连接图如图4-3所示，其中两个74153的BA端分别接了01，4017的输入的CP的频率是100Hz，此时的功能是测量范围是0.1KHz99.9KHz。 图4-4 控制电路调测波形图(PT输入信号、清零信号、锁存信号)4.4闸门信号的调试由调试波形可以知道电路设计是正确的。这部分是测量频率的功能。同时控制电路还要实现测量周期和脉宽的功能，在前面已经说明的如何测量周期的算法，它的方法刚好和测量频率的相反，测频率的时候时基信号作为闸门信号，而测量周期是将被测信号作为闸门信号。 图4-5 测周期调测图 测量频率连接图图4-6 测量周期连接图（部分）测量周期的时候只需将74153的CBA置100就可以实现了。当74153的CBA为100的时候，74153的1Y输出的信号为被测信号，在图中接的是函数信号发生器，它产生的是频率为20Hz的方波。这个信号作为4017的CP信号。根据图4-6可以知道74151的输出的信号是被测信号fx，经过4017后的输出信号信号Q1、Q2的脉宽刚好为fx的周期，这个原理在前面测量频率部分已经介绍过，这里就不再重复了。其中Q1信号非一下，就可以作为74160的CLR端的清零信号，Q2的信号接74160的PT端作为的闸门信号，在PT一直为高电平的时候计数器计数。PT的高电平持续的时间刚好为fx的周期。在闸门导通的时间，即PT一直为高电平的时候，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期，用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时钟信号周期。根据Ts=1ms，N=50.可以知道被测信号的周期为50ms，在电路中我们给出被测信号的频率为20Hz。那么测量的结果和理论值是一样的。以上是对被测信号周期测量的部分。调测过程中电路的输入输出波形图见图4-7，其中的控制计数器计数的原理和测量频率所用的方法一样。 图4-7 测量频率电路的调测波形图（时基信号频率1KHz 74LS160N的CP端、被测信号fx、74LS160N PT 端的输入信号、74LS160N CLR端的信号、4511锁存端LE信号） 图4-8 测量脉宽电路的调测波形图（时基信号频率1KHz 74LS160N的CP端、被测信号fx、74LS160N PT 端的输入信号、74LS160N CLR端的信号、4511锁存端LE信号）最后是测量脉宽部分的调测。测量脉冲宽度的原理与测量周期的原理十分相似。所不同的是，它直接用整形后的脉冲信号的宽度tw作为闸门的导通时间。在闸门导通的时间内，测量时基信号的重复周期，并由式tw=NTs得出脉冲宽度值。如图4-8所示，与图4-7对比一下，会发现PT信号，CLR端信号，锁存信号的脉宽为4-7图中对应的波形脉宽的一半。那么最终数码管显示的数字应该是25.实际的测量值也与理论值非常接近。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，会发现控制电路这个模块在这个课程设计中占的分量。也是整个设计过程的精华所在。把控制电路这部分搞定，那么本次的课程设计也就基本完成了。4.5 整体指标测试被测信号频率周期脉宽的测量档位 测量范围 被测信号频率 测量值001 1Hz999Hz 207 Hz 210Hz 011 0.1kHz99.9kHz 27.1KHz 27.2KHz 010 0.01KHz9.99KHz 3.25KHz 3.26KHz100 测量周期 20.1Hz 49ms101 测量脉宽 20.1Hz 24ms五、小结通过这次课程设计，完成了本次设计的技术指标，刚开始设计的时候，由于控制电路这部分比较难搞定，所以在连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最后搞定控制电路的连接。最后完成的一块电路板，它所实现的功能就是可以测被测信号的频率，周期和脉宽。在调测的过程中发现测量频率时，档位在1Hz999Hz，最终得到的结果的误差稍微大了点，其他的测量结果非常接近测量值。在设计的555构成多谐振荡器输出的方波信号，由于电路里面使用的电容元件，在实验的时候，随着实验室里面温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，这是造成误差的一个原因，为了在验收的时候提高测量的准确性，所以在测量前要调节电位器，把产生的方波信号接示波器，测量其输出频率，调节电位器，使输出的信号非常接近1KHz，这样的话在后面的测量中会减小误差。在调测计数显示电路的时候，在连接4511元件的时候忘记了将4511的5端接地，导致数码管无法计数，在实验的过程中，连接好电路以后，发现没反应，然后通过示波器一个一个检测元件的输入和输出信号，看看是不是和理论的一样。找出不符合理论的那部分，对照电路图进行检查修改，最后发现有的芯片的使能端没有接地，导致元件的功能没有实现。所以在连接电路的时候要细心，这也是要改进的地方。不然的话就会出现一个又一个的连接上面的问题。在最终测量频率很低的时候，那么本次电路测量频率的算法就有了一定的缺点。例如，当被测信号为0.5Hz时，其周期为2s，这时闸门的脉冲仍为1s显然是不行的。故应该加宽闸门脉冲的宽度假设闸门脉冲宽度加至10S，则闸门导通期间可计数5次，由于计数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.加宽闸门信号也会带来一些问题：计数结果要进行除以10的运算，每次测量的时间最少要10s，时间过长不符合人们的测量习惯，由于闸门期间计数值过少，测量的精度也会下降。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。由于闸门导通时间与被测信号周期相同，则可根据计数器计数值和时基信号的周期算出被测信号的周期T