数字频率计综合设计.doc

武汉工程大学 计算机科学与工程学院综合设计报告设计名称： 设计题目： 学生学号： 专业班级： 学生姓名： 学生成绩： 指导教师（职称）： 课题工作时间： 至 成绩评定表 类别合计分值各项分值评分标准实际得分合计得分备注平时表现1010按时参加综合设计，无旷课、迟到、早退、违反实验室纪律等情况。由设计负责人给出完成情况3020按设计任务书的要求完成了全部任务，能完整演示其设计内容，符合要求。10能对其设计内容进行详细、完整的介绍，并能就指导教师提出的问题进行正确的回答。报告质量3510报告文字通顺，内容翔实，论述充分、完整，立论正确，结构严谨合理；报告字数符合相关要求，工整规范，整齐划一。5课题背景介绍清楚，综述分析充分。5设计方案合理、可行，论证严谨，逻辑性强，具有说服力。5符号统一；图表完备、符合规范要求。5能对整个设计过程进行全面的总结，得出有价值的结论或结果。5参考文献数量在3篇以上，格式符合要求，在正文中正确引用。答辩情况2510在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。15在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。总评成绩： 分 补充说明： 指导教师： （签字）日 期： 年 月 日答辩记录表学生姓名： 学号： 班级： 答辩地点： 答辩内容记录：答辩成绩合计分值各项分值评分标准实际得分合计得分备注2510在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。15在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。答辩小组成员（签字）： 年 月 日指导教师评语指导教师： （签字）日 期： 年 月 日一、综合设计目的、条件、任务和内容要求： 掌握十进制计数器、译码器电路的综合设计，可根据本实验提供的实验原理选用自己合适的器件设计电路。 设计一个10K的频率计电路，最大计数为9999。（1），L1、L2、L3、L4四位计数器分别对应四位频率计的低位到高位，SA1SD1，SA2SD2，MA1MD1，MA2MD2是四位数字频率计的输出端,接至驱动电路（MC4511）的输入端，MC4511的八位输出端连接到LED数码管对应八段输入端上。（2），计数闸门信号是由HZ8八分频后由Q3输出的，并连接到4个十进制计数器的计数允许控制端（EN），Q3为高电平时（T1=1S内）十进制计数器计数，为低电平（T2=1S内）不计数。（3），在Q3为低电平的最后一个1/8秒内发出计数清零信号，并连接到4个十进制计数器的清零端（CD）。 指导教师签字： 年 月 日二、进度安排：2010.12.272010.12.30 查阅文献，搜集资料2010.12.302011.1.2 方案论证2011.1.22011.1.6 系统详细设计2011.1.62011.1.7 综合设计论文撰写三、应收集资料及主要参考文献：1 宋卫海，杨现德，数字电子技术，北京大学出版社，2009年 2 许小军，数字电子技术实验与课程设计指导，东南大学出版社，2007年3 朱勇，数字逻辑，中国铁道出版社，2007年4 林春方,数字电子技术实验实训指导教程，安徽大学出版社, 2008年5 阎石，数字电子技术基础 第四版，高等教育出版社，2004年四、综合设计（课程设计）摘要（中文）： 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。 本课题主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、隔直，触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。闸门电路：由555构成一个秒信号，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数码管显示出来。五、综合设计（课程设计）Abstract（英文）： In electronics, the frequency is one of the most basic parameters, and with a lot of electric parameters measurement program, measurement results have a very close relationship, therefore the measurement of frequency is more important. Measuring frequency of means, including electronic counter measure frequency with high recision, easy to use, quick measurements and easy to realize the advantages of automated measurement process is an important means of frequency measurement. Electronic counter frequency measurement in two ways: First, direct measurement of the frequency method, that is, in a certain period of time the gate measurements of the signal pulses; the second is an indirect frequency measurement method, such as cycle frequency measurement method. Direct frequency measurement method for measuring the frequency of high-frequency signals, indirect method is suitable for low frequency measurement signal frequency measurements.This subject has mainly explained that chooses integrated circuit as the key device, has designed a simple and easy digital cymometer, regard trigger and counter as core , input , separate by signal frank , touch off , count circuit , data processing , data reveal module of function make up. The circuit of the gate : Formed a second signal by555, seize the pulse number of entering the counter in unit time; The base signal of hour: Produce the signal for one second; The decipher circuit of the counter : Count deciphers and integrate on the chip together, count the pulse number in unit time, count the result of the decimal counter to translate into BCD yard; Reveal : In charge of revealing BCD one yard of deciphers in the number .武汉工程大学计算机科学与工程学院 综合设计报告目 录摘 要 IIAbstract . II第一章 课题背景（或绪论、概述）. .11.1 设计背景.11.2 设计目的.11.3 设计意义.11.4 本章小结.2第二章设计简介及设计方案论述 . .32.1 设计简介. .3 2.2 设计方案论述.52.3 本章小结.5第三章详细设计. .63.1 频率产生电路 .7 3.2计数控制电路.83.3逻辑控制电路.103.4译码显示部分.143.5 本章小结.17第四章设计结果及分析.184.1 总体设计结果.18 4.2 总体设计分析 .19 4.3 电路检验 .224.4 本章小结.23 总 结 .24 致 谢 .26 参考文献 .27 附录 主要芯片使用 .28 摘 要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。 本课题主要选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易数字频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、隔直，触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。闸门电路：由555构成一个秒信号，攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数码管显示出来。关键词：集成电路；时基电路；译码电路；计数电路 AbstractIn electronics, the frequency is one of the most basic parameters, and with a lot of electric parameters measurement program, measurement results have a very close relationship, therefore the measurement of frequency is more important. Measuring frequency of means, including electronic counter measure frequency with high recision, easy to use, quick measurements and easy to realize the advantages of automated measurement process is an important means of frequency measurement. Electronic counter frequency measurement in two ways: First, direct measurement of the frequency method, that is, in a certain period of time the gate measurements of the signal pulses; the second is an indirect frequency measurement method, such as cycle frequency measurement method. Direct frequency measurement method for measuring the frequency of high-frequency signals, indirect method is suitable for low frequency measurement signal frequency measurements.This subject has mainly explained that chooses integrated circuit as the key device, has designed a simple and easy digital cymometer, regard trigger and counter as core , input , separate by signal frank , touch off , count circuit , data processing , data reveal module of function make up. The circuit of the gate : Formed a second signal by555, seize the pulse number of entering the counter in unit time; The base signal of hour: Produce the signal for one second; The decipher circuit of the counter : Count deciphers and integrate on the chip together, count the pulse number in unit time, count the result of the decimal counter to translate into BCD yard; Reveal : In charge of revealing BCD one yard of deciphers in the number .Keywords：，Integrated circuit；Time base circuit ；Translate the coding electric circuit；Count the electric circuit ；- 27 -第一章 课题背景1.1 设计背景 1.1.1数字频率计的使用背景在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，其基本功能是：测量正弦信号.方波信号、尖脉冲信号以及其它各种单位时间内变化的物理量，因此它的用途十分广泛。在基础理论和专业技术基础上，通过对数字频率计的设计，用十进制数字来显示被测信号频率的测量。1.1.2数字频率计的发展现状及研究概况 随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。 在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。 数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。 数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式的优点是相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。 随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。 1.2 设计目的本设计在掌握十进制计数器、译码器电路的综合设计的基础下，综合运用了定时器，触发器，计数器，译码器等知识，并能使测得的结果保持一定的精度，具有一定的实用价值。数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中，频率计是用量最大、品种很多的产品。本课题采用的是直接数字式的频率计，设计原理简单，是全硬件电路实现，电路稳定、精度高，大大的缩短了生产周期。 1.3 设计意义 本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字逻辑电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。巩固和加深对数字逻辑课程基本知识的理解，提高学生综合运用所学知识解决特定问题的能力。培养学生根据课题需要选用参考书、查阅手册、图表和文献资料的能力，提高学生独立解决工程实际问题的能力1.4 本章小结 本章主要简述了数字频率计的发展、研究背景和本课题研究的主要内容。第二章 设计简介及设计方案论述2.1 设计简介2.1.1 设计任务任务：设计并实现一个可以测量待测信号频率一数字显示的仪器1设计一个10K的频率计电路，最大计数为9999。2分辨率1Hz;3显示方式: 4位十进制数显示;4误差不大于 10Hz2.1.2设计的基本原理 数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。2.1.3 目前所有的实现框图与方法原理方案一采用频率计模块(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。用转换开关选择 10ms ,0. 1s ,1s ,10s 四种闸门时间 ,同时量程自动切换。 缓冲电路是为了让频率计采用记忆方式 ,即计数过程中不显示数据 ,待计数过程结束后 ,显示测频结束 ,并将此显示结果保持到下一次计数结果 ,显示时间不小于1s ,小数点位置随量程自动移动。芯片驱动电路输出 15mA 35mA 的峰值电流 ,所以在5V电源下可直接点亮 LED。方案二软硬件相结合的实现法，主要的部件有AT89C51单片机芯片、74HC164驱动数码显示寄存器芯片、74LS48位选芯片，放大电路，计数电路，LED数码管和一些电容、电阻等组成，原理框图如图2-1-1； 2-1-1 单片机方法的原理框图该方案可以测量多个通带的信号，通过同步门和功能切换部分电路对电路进行分时复用。用两个计数器实现时间计数和事件计数分开。在有必要的显示其他通道的测量结果的时候另一个通道的数据会被存在单片机里。并可以通过键盘进行相应的设置。方案三本系统采用可控制的计数、锁存、译码显示系统，石英晶体振荡器及多级分频系统，带衰减器的放大整形系统和闸门电路四部分组成。由晶体振荡器，多级分频系统及门控电路得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控信号，当门控信号到来，闸门开启，周期为TX的信号脉冲和周期为T的门控信号相“与”通过闸门，在闸门输出端产生的脉冲信号送到计数器，计数器开始计数，直到门控信号结束，闸门关闭。单稳1的暂态送入锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，计数器停止计数并被单稳2的暂态清零。若取闸门时间T内通过闸门的信号脉冲个数为N,则锁存器中的锁存计数。测量频率可直接从数字显示器上读出。方案四数字频率计由四部分组成：频率产生电路、时基电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。频率产生电路是用555和可调电阻组成的，能够产生一个可调的脉冲。时基电路的作用是产生一个标准时间信号，是用555作为多谐振荡器产生一个周期为1秒的矩形脉冲波并通过JK触发器的电平翻转功能来对计数器进行清零以及实现对锁存器的锁存.再由74LS90十进制计数器和74LS4511锁存器将所测的频率传给数码管，显示出来。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1Hz-10kHz。以频率下限1Hz 比来说，要达到误差001的目的，必须显示5位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到达个测量精度，需要主门连续开启1000S，由此可见，直接测频方法对低频测量是不现实的。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。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，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。方案三和方案四均可实现课题要求，且方案三可根据闸门时间选择量程范围。根据实际实验现有的器件及我们所掌握的知识层面，我们选择采用方案四。2.2 设计方案论述在本设计中选择通过待测电路产生的脉冲信号与基准电路的脉冲信号比较计数的总体思路，即分别用待测频率与基准频率搭建多谐振荡器，产生脉冲信号，其中包含待测频率的振荡器产生的脉冲一定与待测频率成正比，所以将二者比较后输出的脉冲数即为待测频率与基准频率的比值，进而将其计数、显示，测量结果便以数字显示的方式读出，实现设计要求。被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的数字频率计由四部分组成：频率产生电路、时基电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。频率产生电路是用555和可调电阻组成的，能够产生一个可调的脉冲。时基电路的作用是产生一个标准时间信号，是用555作为多谐振荡器产生一个周期为1秒的矩形脉冲波并通过JK触发器的电平翻转功能来对计数器进行清零以及实现对锁存器的锁存.再由74LS90十进制计数器和74LS4511锁存器将所测的频率传给数码管，显示出来。自身脉冲产生电路：由555构成脉冲； 时基信号：产生一个秒信号； 计数/译码电路：计数/译码集成在一块芯片上，计单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码； 显示：把BCD码译码在数码管显示出来。下面是该设计的总体框图。 本次设计的总体框图2.3 本章小结 本章主要介绍了数字频率计的工作原理，已经现有的数字频率计的多种方案。以及最后确定的本次设计的方案过程与理由。第三章 详细设计3.1 频率产生电路该电路主要功能是通过555定时器产生周期为一秒的矩形波从而每隔一秒触发JK触发器使输出电平翻转来实现计数器的清零和锁存器的锁存，从而使数码管的显示值稳定一秒钟，并能反复对要测试的脉冲来进行计数，不断的得到待测频率值。3.1.1 555定时器构成多谐振荡器555定时器是一种集成通用定时器，它外接适当的电阻和电容等元件，可以很方便地构成脉冲产生或波形变换电路。各引脚具体功能如下所示：（1）Vss ：接地端；（2）/TR ：低触发端，此端电平低于Vcc时，引起触发；（3）Vout ：输出端；（4）/Rd ：复位端，此端送入一低电平，可使输出变为低电平。（5）Vco ：电压控制端，此端外接一参考电源时可以改变上下触发电平。（6）TH ：高触发端，此端电平高于Vcc（上触发电平）时，引起触发。（7）DISC ：放电端，也可以作为集电极开路输出。（8）Vcc ：电源端。 555定时器的实际引脚图和仿真软件中引脚图分别如图3-1-1和3-1-2所示： 图3-1-1 555的实际引脚图 图3-1-2 仿真软件中的引脚图555定时器构成多谐振荡器的基础电路图如图3-1-3所示。 图3-1-3 多谐振荡器的基础电路3.1.2 555定时器构成可调整脉冲产生电路 在该实验中需要使用了555定时器构成的多谐振荡器，来产生可调整的脉冲，构成多谐振荡器，多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。两个 暂稳态之间的转换，是由电路内部电容的充、放电 作用自动进行的，所以它不需要外加触发信号，只 要接通电源就能自动产生矩形脉冲信号。设计思想：是无稳态电路，两个暂稳态不断地交替。 利用放电管T作为一个受控电子开关，使电容充电、 放电而改变TH=TR，则交替置0、置1。 电容C充电 电容C放电 充=( R1+R2)C 放= R2C，按上节的原理，把其中一个电阻变成了一个固定电阻和可调电阻串联，这样通过改变可调电阻的阻值就能产生不同频率的脉冲。该模块图为3-1-4其中三脚为输出脉冲的接口图3-1-4 多谐振荡器模块3.2计数控制电路3.2.1控制门 控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。在该电路中运用的是与非门。（图示见3-2-1）这种连接方式可以在第一片计数器计到9的时候使第二片计一个数，当计数器输出为9时，Q0和Q3端为高电平，通过一个与非门可以获得一个低电平从而使第二片计数器计数。 3.2.2计数器 计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为 9999Hz ，应采用 4 位十进制计数器。由于计数器受控制门控制，每次计数只在 JK 触发器 Q 端为高电平时进行。当 JK 触发器 Q 端跳变至低电平时，端的由低电平向高电平跳变，这里的芯片运用的是74ls90。见图示3-2-1图3-2-1 计数器模块附1 74LS90各管脚作用： 图附1 各管脚A 将输出QA与输入B相接，构成8421BCD码计数器；B 将输出QD与输入A相接，构成5421BCD码计数器；C 表中H为高电平、L为低电平、为不定状态。74LS90它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成，整个电路可分两部分，其中FA触发器构成一位二进制计数器；FD、FC、FB构成异步五进制计数器，在74LS90计数器电路中，设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。74LS90具有如下的五种基本工作方式：（1）五分频：即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。（2）十分频（8421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。（3）六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。其计数顺序为000101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。 （4） 九分频：QAR1、QDR2，构成原理同六分频。（5）十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。 此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。3.3逻辑控制电路逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲IV，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲V，使计数器每次测量从零开始计数。3.3.1锁存器为了使数码管稳定显示所得到的频率值，又为设计增添了锁存器电路。锁存器选择了三态八位锁存器74HC373，该芯片实际的引脚图和在仿真环境中的引脚图分别如图3-3-1和3-3-2所示。图3-3-1 实际引脚图 图3-3-2 仿真引脚图锁存器的各引脚如下所示：D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 O0O7 输出端。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总 线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但 锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。选用两个 8 位锁存器74HC373 可以完成上述功能。当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据D 而变。当LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当时锁存信号 CP 的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。高电平结束后，无论 D 为何值，输出端的状态仍保持原来的状态不变。所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。本设计主要用到了锁存器对数据的锁存作用，74HC373在仿真环境中的连接方法如下图3-3-3所示：图3-3-3 仿真环境的连接本电路中就将JK触发器的Q非端与LE和电阻之间的部分连接，初始时刻Q非端为高电平，此时LE引脚为高电平，锁存器此时是透明的，输出和输入一致。当经过1秒Q非端变为低电平时，LE端电平被拉低，由于有电阻的隔离，不会发生高低电平的冲突，从而锁住锁存器此时得到的值。在Q非端电平不改变的时间内，输出端的状态就不再随输入的数据发生变化，数码管就能将测得的频率值稳定显示一段时间也就是一秒钟。3.3.2清零电路同步是指与时钟同步，即时钟触发条件满足时检测清零信号是否有效，有效则在下一个时间周期的触发条件下，执行清零，异步是清零信号有效时，无视触发脉冲，立即清零。在同步清零的计数器电路中，RD 出现低电平后要等下一个CLK信号到达时才能将触发器清零。而在异步清零的计数器电路中，只要RD 出现低电平，触发器立即被置零，不受CLK的控制。本设计主要选用了双下降沿JK触发器74LS112作为触发电路，其实际引脚图和在仿真软件中的引脚图分别如图3-3-4和图3-3-5所示。 图3-3-4实际引脚 图3-3-5 仿真环境引脚 其中J、K是控制输入端，S、R分别是异步置“1”和异步置“0”端。表3-3-1为J-K触发器的特性表。表3-3-1 j-k特性表J-K触发器的特性方程为：，本设计主要是使用其电平翻转功能，因此将J，K端分别接高电平。根据其触发特性，每当时钟信号有一个下降沿脉冲时，触发器工作并将Q端电平翻转，在没有时钟信号时Q端电平则保持不变。JK触发器具体在设计中的电路图如图3-3-6所示。图3-3-6 清零电路模块为了把计数器内数值清掉，就需要有一个清零信号，而且必须从原有的秒信号中取出一个窄脉宽信号用做计数器清零信号。555定时器产生的是周期为1秒的矩形波电路，即每隔1秒给JK触发器提供一个下降沿信号，从而使Q端电平每隔1秒翻转一次。初始化时Q端为低电平，将这一信号接到四个计数器的R0（1）端，当经过1秒时触发器触发并将R0（1）端变为高电平，从而实现计数器的清零功能。这样可以使每隔一秒钟计数器对外来脉冲重新计数。初始时刻Q非端为高电平，将这一信号接到锁存器的LE端，当经过1秒的时候，Q非端会变成低电平，从而锁住锁存器，使数码管将测得的频率值稳定显示一秒钟。3.4 译码显示部分译码显示部分的作用是把用 BCD 码表示的 10 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。3.4.1显示译码器主要运用的是译码器74HC4511，该芯片具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。由CMOS管构成的十进制计时器对进来的脉冲信号进行计数，当计满十个脉冲后，溢出信号让5脚输出一个脉冲进行进位处理。在计数器计满之后，显示控制端会获得一个控制信号，使各显示器从缓存区获得前一秒的计数值，并通过译码器进行译码显示。在这里则通过对4位译码器和数码管的连接实现。74HC4511实际引脚图如图3-4-1所示。3-4-1 实际引脚图BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 在实际使用时截图为3-4-2 图3-4-2 4511实际使用连接3.4.2七段LED显示器件通过发光二极管芯片的适当连接构成8字形，在使用时使某些笔段上发光二极管发光即可显示09数字。 LED七段码显示器，又称LED数码管，它有共阴和共阳两种连接方式：共阴：以阴极为公共极，接低电平，当阳极笔上加上高电平时该笔段发光； 共阳：以阳极为公共极，接高电平，当阴极笔上加上底电平时该笔段发光； 共阴LED数码管的驱动电路应是高电平输出，共阳LED数码管的驱动电路应是底电平输出。 数码管使用共阳连接，要显示的位送入高电平，其要求显示的段为低电平，即可实现显示。 图3-4-3为数码管的单个连接，图3-4-4为4个数码管的共接图。 图3-4-3数码管的单个连接 图3-4-4为4个数码管的共接图。3.5 本章小结 本章主要介绍了数字频率计的各版块工作原理，部分芯片的介绍和单元电路的设计。第四章 设计结果及分析4.1总体设计结果 图4-1-1即为最后的设计结果电路图 图4-1-1 设计结果电路图电路图的左上方即为由555定时器构成的产生可调频率脉冲电路。为了节省仿真时CPU的占用率，在不需要用该电路的时候可以将其关闭，因此在555定时器的电源端加了一个电源开关。该电路右端的单刀双掷开关是为了切换测自身由555定时器产生的脉冲还是测量外来给定的脉冲。在选择了测量外来脉冲时，需要将该电路的电源开关断开。如果选择了测量自身产生的可调脉冲则需要将电源开关闭合。从电路图可以看出JK触发器的时钟信号由下方的555定时器产生的1秒周期矩形波提供。Q端与四片计数器的R0（2）端连在一起，当Q端变为高电平时，计数器的R0（2）端也随着变为高电平，从而使四片计数器一起清零。Q非端则与两个锁存器的LE端连接，当Q非端变为低电平时可以完成对锁存器的锁存动作，稳定数码管显示值。电路图的左下角部分是由555定时器构成的产生1秒周期矩形波电路，该电路产生的波形直接充当了JK触发器的时钟信号。电路图的中间部分则是由四片十进制计数器构成的计数部分，四片计数器的输出都连接到了锁存器的输出端，作为锁存器的输入信号。采用总线是为了使电路图看起来不至于太混乱，每两片计数器的输出端是按顺序依次与锁存器的D0至D7端相连的。计数器的右面是两片锁存器，该锁存器连接在计数器的输出与译码器的输入之间，可以完成对数码管输入信号的锁存功能。电路图的最右边是译码与显示部分，四片译码器分别与四个七段数码管连接。从而将测得的频率值通过数码管显示出来。4.2总体设计分析4.2.1错误分析错误一：计数器错误 在最初的设计之时，因为不会所以参考了网上已有的电路图，然后自己做的时候就发现进位时无法将后位清零（即固定频率设为101时99进位100时最后结果显示为191），还有同学一起参考网上的电路图侯做出该错误结果，经过思考讨论后将二与非门换为四或门。即更改了自己的电路图如4-2-1 图4-2-1 修改1图在改过之后则有了正常的进位，但在后来再细看电路的时候，发现并不是与非门的问题，而是自己的连线出现了问题，虽然可以直接用4-2-1完成老师的设计要求，但本着严谨的原则，我还是修改了用与非门控制的仿真电路，将它改为了如4-1-1的样子，则可以正常计数。错误二：误差错误 在改正了错误一之后，用4-1-1的图测得的频率却有百分之十的误差，例如已知的固定的频率设定的是200hz但用仿真测出的的频率却是219，在多次检查电路之后，还是找不到原因。最后也是误打误撞，同学说你试试改变图上的电阻，结果经过一次次的调试，发现是在触发电路中出现了问题，电阻的阻值设定有问题，如图4-2-2 图4-2-2 修改2图而正确的阻值设定应为71%，才会测出最准确的频率值。4.2.2 实验改进分析 在做这个实验的时候，对1s周期的矩形波的产生，最开始有很多想法，比如用555组成多谐振荡器来使电平翻转，而不是最后定稿的用555和二极管组成的组成占空比连续可调并能调节振荡频率的多谐振荡器电路。因为多谐振荡器没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳