简易数字频率计的设计

武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 1 目目 录录 摘 要 3 Abstract 4 1 总体方案设计及原理 5 1 1 方案一 5 1 2 方案二 5 1 3 方案三 5 1 4 方案四 6 2 各模块基本方案及原理论述 7 2 1 数字频率计测频的基本原理 7 2 2 数字频率计的电路设计 8 2 2 1 频率计的基本组成框图 8 2 2 2 逻辑控制电路 9 2 2 3 锁存器 10 2 2 4 脉冲形成电路 11 2 2 5 闸门电路 12 2 2 6 数字频率计的整机电路 12 3 扩展电路设计 14 4 仿真过程及结果 15 4 1 Proteus 软件的介绍 15 4 2 电路调试 16 4 3 仿真结果 17 5 设计心得 20 6 参考文献 21 附录一 22 附录二 23 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 2 摘 要 数字频率计是直接用十进制计数器来显示被测信号频率的一种装置 它不仅可以测 量正弦波 三角波 方波和尖脉冲信号的频率 而且可以测量它们的周期 数字频率计 在测量其他物理量如转速 振动频率等方面获得广泛应用 本次课程设计中画图与仿真 主要用到了 Proteus 软件 Proteus 是一款电路分析实物仿真系统 可仿真各种电路和 IC 元件库齐全 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器 具有模 拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 使用和操作 起来非常方便 关键词 译码显示 放大整形 分频 计数锁存 逻辑控制 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 3 Abstract Digital frequency meter is the direct use of decimal counter to display the measured signal frequency of a device It can not only measure a sine wave triangle wave Fang Bo and spike pulse signal frequency but also to measure their cycle Digital frequency meter in measurement of other physical quantities such as speed the vibration frequency are widely used This course design of drawing and simulation mainly use the Proteus software Proteus is a circuit analysis and physical simulation system simulation various circuit and IC database is complete have all sorts of virtual instrument such as the oscilloscope the logical analyzer signal generator Has the analog circuit simulation and digital circuit simulation and single chip microcomputer and peripheral circuit of the system composed of simulation the usage and operation rise very convenient Key Words Decoding display Amplifying and shaping Frequency divider Counter latch Logic control 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 4 简易数字频率计设计 1 总体设计方案及原理 1 1 方案一 系统采用 MCS 51 系列单片机 8032 作为控制核心 门控信号由 8032 内部的计数 定时器产生 单位为 1 s 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 8032 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 1 2 方案二 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 1 3 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 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 5 1 4 方案四 系统采用由时基电路 放大整形电路 逻辑控制电路和数码显示器四部分组成 时基电路的作用是产生一个标准时间信号 高电平持续时间为 1s 经过 74LS47 和 74LS00 放大整形 由 74LS90 十进制计数器和 74LS273 锁存器将所测的频率传 给数码管 显示出来 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 显然方案一要比方案二简洁 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 0 01 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 件及所掌握的知识层面 选择采用方案四 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 6 2 各模块基本方案及原理论述 2 1 数字频率计测频的基本原理 众所周知 所谓 频率 就是周期性信号在单位时间 1s 内变化的次数 若在一 定的时间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数 N 则其频率可表示为 f N T 2 1 因此 数字频率计测频率时的原理框图如图 2 2 1 a 所示 其中脉冲形成电路的 作用是 劲啊被测信号变成脉冲信号 其重复频率等与被测频率 fx 时间基准信号发生 器提供标准的时间脉冲信号 若其周期为 1s 则门控电路的输出信号持续时间亦准确地 等于 1s 闸门电路由标准秒信号进行控制 当秒信号到来时 闸门开通 被测脉冲信号 通过闸门送到计数译码显示电路 秒信号结束时闸门关闭 计数器停止计数 各点的波 形如图 2 2 1 b 所示 图 2 2 1 a 测频原理框图 图 2 2 1 b 工作波形图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 7 2 2 数字频率计的电路设计 2 2 1 频率计的基本组成框图 如图 2 2 1 a 数字频率计的工作过程是 被测信号 fx 经脉冲形成电路整形 变 成如图 2 2 1 b 中 所示脉冲波形 其周期 Tx 与被测信号的周期相同 时基电路输出 标准时间信号 设其高电平持续时间为 1s 则计数器的计数时间就为 1s 计数器计得 的脉冲数 N 如 所示 就是被测信号的频率 逻辑控制单元的作用有两个 其一 产生 清 0 脉冲 使计数器每次从零开始计数 其二 产生锁存信号 使显示器上的数 字稳定不变 这些信号之间的时序关系如图 2 2 1 b 所示 由于计数器计得的脉冲数 N 是在 1s 时间内的累计数 所以被测频率 fx N Hz 图 2 2 1 a 数字频率计的组成框图 图 2 2 1 b 工作时序波形 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 8 2 2 2 逻辑控制电路 根据图 2 2 1 b 所示时序波形 在标准信号 结束时所产生的负跳变来产生锁存 信号 锁存信号 的负跳变又用来产生清零信号 它们的脉冲宽度由本身电路的时 间常数所决定 因此这两个脉冲信号 和 可以由两个单稳态触发器产生 其电路如图 2 2 2 a 所示 其中 74LS123 是集成电路可重触发的单稳态触发器 其内部有完全独立 的单稳态触发器 图 2 2 2 a 逻辑控制电路 74LS123 的功能表如下表 2 2 2 b 所示 表 2 2 2 b 74LS123 功能表 设锁存信号 和清零信号 的脉冲宽度 tw 0 02s 可计算时间常数等于 0 02s 的值 因为 tw 0 45RC 0 02s 若取 R 10k 则 C tw 0 45R 4 4uF 取其标称值 4 7uF 由 74LS123 的功能表 3 2 2 可得 当 CLR B 1 触发脉冲从 A 输入时 在触发脉冲的副跳 变作用下 输出端 Q 可获得一正脉冲 其脉宽由 RC 决定 对于图 3 2 1 所示电路 Q1 端 和 Q2 非端的输出波形关系正好满足图 2 2 1 b 所示的 和 的波形要求 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 9 2 2 3 锁存器 锁存器的作用是将计器在 1s 结束时的计数值进行锁存 使显示器上获得稳定的测量 值 因为计数器在 1s 内要计成千上万个输入脉冲 若不加锁存器 显示器上的数字将随 计数器的输出发生变化 不便于计数 如图 3 1 b 所示 1s 的计数时间结束时 逻辑 控制电路发出锁存信号 将计数器此时的值送译码显示器 因此显示的数字是稳定的 选用 8D 锁存器 74LS273 可以完成上述锁存功能 图 2 2 3 b 为采用 2 片 74LS273 构 成的 16 位二进制数的输出锁存连接电路 74LS273 功能表如下表 2 2 3 a 所示 表 2 2 3 a 74LS273 功能表 图 2 2 3 b 锁存器的连接电路 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 10 2 2 4 脉冲形成电路 脉冲形成电路的作用是将输入的周期性信号如正弦波 三角波或者其它周期性变化的 波形变换成脉冲波 其周期不变 将其他波形变换成脉冲波的电路有很多种 如施密特 触发器 单稳态触发器 比较器等 方案一 应用 555 构成的施密特触发器 电路图如下图 2 2 4 b 所示 输入输出波形如图 2 2 4 a 所示 图 2 2 4 a 输入输出波形 图 2 2 4 b 555 构成的施密特触发器 方案二 利用与非门 74LS00 构成施密特触发器 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 11 图 2 2 4 c 利用与非门构成施密特触发器 由于在实际仿真时 方案一误差较大 故这里采用方案二 2 2 5 闸门电路 闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲 当标准时间信号 1s 正脉冲 来到时 闸门开通 被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数 标准时间脉冲结束时 为低电平 时 闸门关闭 计数器无时钟脉冲输入 可见闸门电路的逻辑功能可以由一个与非门来 完成 如图 2 2 5 所示 图 2 2 5 标准脉冲产生与闸门电路 2 2 6 数字频率计的整机电路 经过以上各单元电路的设计 可以得到数字频率计的整机电路 如图 3 7 1 所示 电 路的工作过程是 接通电源后 触发手动复位开关 计数器清零 当标准时间秒脉冲信 号到来时 与非门构成的闸门电路开通 4 片 74LS90 组成的计数器开始计数 最大计数 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 12 N 9999Hz 标准时间秒脉冲结束时产生的负跳变触发第一级单稳态触发器 使 Q1 端输出 正脉冲 它的正跳变作为锁存器 74LS273 的锁存时钟脉冲 使锁存器的输出等于此时计 数器的值 它的负跳变用来触发第二级单稳态触发器 使 Q2 非端输出一个负脉冲 用来 对计数器清零 从而完成了一次测量 下一个秒脉冲到来时又按照计数 锁存 复位的 过程完成第二次测量 如此周而复始 实现频率的自动测量 图 2 2 6 数字频率计电路图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 13 3 扩展电路设计 图 2 2 6 所示的是数字频率计电路 其测量的最高频率只能为 9 999KHz 完成一次 测量的时间为 1 25s 若被测量信号频率增加到数百千赫兹或数兆赫兹 则需要增加频率 范围扩展电路 频率扩展电路如图 3 1 1 所示 该电路可以实现频率量程的自动转换 其工作原理是 当被测信号频率升高 千位计数器已满 需要升量程时 计数器的最高位产生进位脉冲 Q3 送到由 74LS92 与两个 D 触发器共同构成的进位脉冲采集电路 第一个 D 触发器的闸 门电路输出端接高电平 当 Q3 的下降沿来到时 74LS92 的 Q0 端输出高电平 则第一个 D 触发器的 1Q 端产生进位脉冲并保持到清零脉冲到来 该进位脉冲使多路数据选择器 74LS151 的地址计数器 74LS90 加 1 多路选择器将选通下一路输入信号 即上一次频率 的 1 10 的分频信号 由于此时个位计数器的输入脉冲的频率是被测信号频率的 1 10 故 要将显示器上的数乘以十以后得到被测频率值 这可以通过移动显示器上的小数点的位 置来实现 图 3 1 1 频率范围扩展电路 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 14 4 仿真过程及结果 4 1Proteus 软件的介绍 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件 它运行于 Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成电路 该软件的特点 是 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS232 动态仿真 I2C 调试器 SPI 调试器 键 盘和 LCD 系统仿真的功能 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 支持主流单片机系统的仿真 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 提供软件调试功能 在硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试功能 同时 可以观察各个变量 寄存器等的当前状态 因此在该软件仿真系统中 也必须具有这些 功能 同时支持第三方的软件编译和调试环境 如 Keil C51 uVision2 等软件 具有 强大的原理图绘制功能 总之 该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件 功能极其强大 本章介绍 Proteus ISIS 软件的工作环境和一些基本操作 它不仅具有其 它 EDA 工具软件的仿真功能 还能仿真单片机及外围器件 它是目前最好的仿真单片机 及外围器件的工具 虽然目前国内推广刚起步 但已受到单片机爱好者 从事单片机教 学的教师 致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐 Proteus 是世界上著名的 EDA 工 具 仿真软件 从原理图布图 代码调试到单片机与外围电路协同仿真 一键切换到 PCB 设计 真正实现了从概念到产品的完整设计 是目前世界上唯一将电路仿真软件 PCB 设 计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台 其处理器模型支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年 即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器 并持续增加其他系列处理器模型 在编译方面 它 也支持 IAR Keil 和 MPLAB 等多种编译器 Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件 例 multisim 的功能 这些功能是 1 原理布图 2 PCB 自动或人工布线 3 SPICE 电路仿真 除此 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 15 之外革命性的特点 1 互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如 RAM ROM 键盘 马达 LED LCD AD DA 部分 SPI 器件 部分 IIC 器件 2 仿真处理器及其外围电路 可以仿真 51 系列 AVR PIC ARM 等常用主流单片机 还可以直接在基于原理图的虚 拟原型上编程 再配合显示及输出 能看到运行后输入输出的效果 配合系统配置的虚 拟逻辑分析仪 示波器等 Proteus 建立了完备的电子设计开发环境 启动页面 如图 4 1 1 图 4 1 1 Proteus 启动页面 4 2 电路调试 4 2 1接通电源后 用双踪示波器观察时基电路的输出波形 应如图 1 3 1 b 所 示的波形 其中 t1 1s t2 0 25s 否则重新调节时基电路中的电阻值使其满足要求 4 2 2将四片 74LS90 的 脚全部接低电平 锁存器 74LS273 的 11 脚全部都接时钟 脉冲 在个位计数器的 14 脚加入计数脉冲 检查四位锁存 译码 显示器的工作是否正 常 4 2 3在放大电路输入端加入 f 1kHz Vp p 1V 的正弦信号 用示波器观察放大电 路和整形电路的输出波形 应为与被测信号同频率的脉冲波 显示器上的读数应为 1000Hz 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 16 4 3 仿真结果 4 3 1接通电源后 用双踪示波器观察时基电路的输出波形 应如图 1 3 1 b 所 示的波形 其中 t1 1s t2 0 25s 否则重新调节时基电路中的电阻值使其满足要求 4 3 2绘制好电路图后 进行仿真运行 首先调节输入波的频率 如图 4 3 2 a 所示 设置为 50Hz 点击 OK 后对电路进行仿真 数码显像管的显示值为 50 如图 4 3 2 b 所示 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 17 图 4 3 2 a 被测波频率设置 图 4 3 2 b 仿真结果图 4 3 3在放大电路输入端加入 f 1kHz Vp p 1V 的正弦信号 用示波器观察放大电 路和整形电路的输出波形 应为与被测信号同频率的脉冲波 显示器上的读数应为 1000Hz 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 18 图 4 3 3 被测波频率设置 图 4 3 3 b 仿真结果图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 19 5 设计心得 本次课程设计给了我一次锻炼自己 提高自己动手实践和思考分析以及解决问题的能 力 我一开始是觉得数电课程设计是比模电课程设计简单的 后来慢慢分析 才发现自 己在很多方面的知识储备都不够 数电的相关知识掌握的不是很好 回想近半个月来 很多时候奋战到凌晨一两点 想找出问题的根由所在 应该如何解决出现的问题 这个 过程是难熬的 同时对我而言也是意义重大的 在这个过程中我收获了很多 本次课程设计中 我查阅了很多专业书籍 文献 访问了许多专业网站 积极向老师 和同学请教 与同学讨论 了解并加深了我对锁存器 脉冲产生 放大整形 555 定时器 以及施密特触发器等的了解 熟悉了 Proteus 软件的应用和仿真 这样对平时学习的不足 和缺陷就有所弥补 我意识到遇到过各种各样的问题 没有扎实的理论知识是无法解决 的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从理论中得出结论 通过实际动手去验 证理论 在这二者的配合下 我们不仅可以成