数字频率计的设计.doc

目录题目摘 要第一章 系统概述一、设计方案的选择1、计数法2、计时法二、整体方框图及原理第二章 单元电路设计一、时基电路设计二、闸门电路设计三、控制电路设计四、整形电路设计五、整体电路图六、整机元件清单第三章 元件介绍一、74290计数器的介绍二、八选一数据选择器74LS151的介绍三、心得体会四、参考文献题目： 初始条件： 本设计可以使用在数模电理论课上学过或没学过的集成器件和必要的门电路构建简易频率计，用数码管显示频率计数值。 要求完成的主要任务： 设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，并用发光二极管表示单位。 测量频率的范围：100hz100kz。 测量信号类型：正弦波和方波。 具有超量程报警功能。摘要： 本次是针对简易频率计的设计，在设计过程中，所有电路仿真均基于multisim仿真软件。本课程设计介绍了简易频率计的设计方案及其基本原理，并着重介绍了频率计各单元电路的设计思路，原理及仿真，整体电路的的工作原理，控制器件的工作情况。整个设计配以仿真电路图和波形图加以辅助说明。设计共有三大组成部分：一是原理电路的设计，本部分详细讲解了电路的理论实现，是关键部分；二是仿真结果及分析，这部分是为了分析电路是否按理论那样正常工作，便于理解。三是性能测试，这部分用于测试设计是否符合任务要求。最后是对本次课程设计的总结。关键字：频率计、时基电路、逻辑控制、分频、计数、逻辑显示。第一章 系统概述一、设计方案的选择信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为技术其所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。技术其所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称测频法和测周期法。1、计数法计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。如图1-1所示。图1-1测频法测量原理计数值N1T被测信号标准闸门 设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：f1=(f1-f)/f=1/f 从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。2、计时法计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数，如图1-2所示图2-2计时法测量原理图1-2计时法测量原理若在T时间内的计数值为N2,则有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的绝对误差为N2=N+1。N2的相对误差为N2=(N2-N)/N=1/NT2的相对误差为T2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。 根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。有上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。 图1-3数字频率计原理图输入电路：在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。频率测量：被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号有555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。 时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为 T1=0.7（Ra+Rb）C T2=0.7RbC重复周期为 T=T1+T2 。由于被测信号范围为100Hz100kHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会带来不便，所以可将频率范围设为几档： 1Hz999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽,1kHz100kHz。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1s、0.1s、0.01s、1ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。为使产生的脉冲波的占空比为50%，在电路中引进二极管来将充放电回路分开，具体说明放到单元电路得分析中。 计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图2-5. 控制电路工作波形的示意图如图2-5第二章 单元电路设计一、时基电路设计它由两部分组成: 如图3-1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100kHz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R5取71.5欧姆,R6取71.5欧姆,电容取10nF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在管脚2和7之间加了两个反方向的二极管，这样就将原来由R5、R6、C6构成的充电回路和由R6、C6构成的放电回路的重合部分分开，得到由R5、D2构成的充电回路和由R6、C1构成的放电回路，当R5、R6的取值在符合周期要求的前提下，取相等的值，由占空比=充电时间/周期可得到占空比为50%的脉冲波形。第二部分为分频电路,主要由74LS90组成（74LS90的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为振荡器产生的是100KHz的脉冲,也就是其周期是0.00001s,而时基信号要求为0.001、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3-2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3-2 1kHz的方波分频后波形图二、闸门电路设计 如图3-3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7474后出现的波形图（7474的管脚图、功能表和波形图详见附录）。7474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。控制电路图 1图3-4 三、控制电路设计通过分析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74Ls90的清零信号，74Ls374的锁存信号。控制电路、计数电路和译码显示电路详细的电路如上图所示。当74151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。图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、CLK0端输入波形、R0段清零信号波形、74LS374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CLK0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。CLK0是高电平的时候计数器开始工作。R0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74374（74374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，74374不送数。如果不让74374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CLK0到达下降沿的时候，此时74374的OE端的输入信号也刚好到达下降沿。图3-6 计数器CP信号波形、CLK0端输入波形、R0段清零信号波形、74374锁存端波形图图3-6，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。四、整形电路的设计整形电路采用由555构成的施密特触发器，实际电路图如下：如图将555定时器的2和6管脚输入端连在一起作信号的输入端，就可组成施密特促触发器。为了滤除高频干扰，提高比较器参考电压的稳定性，将5管脚通过0.01F电容接地。其工作图形如图所示。 因此，不论输入何种波形，经过放大整形电路后，可变成脉冲波形，该脉冲波形的周期与源输入信号的周期完全一致，利用计数器对脉冲波形的计数功能，再配合闸门信号就可测量出在时间T内通过的原信号的周期个数N。五、整体电路图 六、整机元件清单元件数量元件数量555定时器两片74374两个71.5K两个74151一片7474一个7448四个 7490十个导线若干数码管四个保护电阻四个0.01F电容两个5V直流电源四个第三章 元件介绍一、74290计数器的介绍：74LS90内部有一个二进制计数器，时钟，输出Q0；一个五进制计数器，时钟，输出Q3 Q2 Q1；可异步构成十进制计数器。它有两高电平有效的清零端R0A、R0B和两高电平有效的置9端S9A、S9B，其功能表如附表所示。123456789101112131474LS90CPBR0ANCVCCS9AS9BQ1Q2GNDQ0NCCPAR0BQ3R0A R0B S9A S9B CP Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 x x 0 0 0 0 1 1 x 0 x 0 0 0 0 x x 1 1 x 1 0 0 1 x 0 x 0 计 数 0 x 0 x 计 数 0 x x 0 计 数 x 0 0 x 计 数 74LS90功能表 当计数脉冲由输入，Q0与相连时，就构成8421BCD计数器。当计数脉冲由输入，Q3与相连时，则可构成5421 BCD计数器。二、八选一数据选择器74LS151的介绍：74LS151为互补输出的8选1数据选择器，引脚排列如图8-2-32，功能如表8-2-31。选择控制端（地址端）为A2A0，按二进制译码，从8个输入数据D0D7中，选择一个需要的数据送到输出端Q，为使能端，低电平有效。 图3.14选1数据选择器示意图3274LS151引脚排列表8-2-3174LS151功能表 输入 输出 A2A1A0Q1 010000D00001D10010D20011D30100D40101D50110D60111D71.使能端1时，不论A2A0状态如何，均无输出（Q0，1）多路开关被禁止。 2.使能端0时，多路开关正常工作，根