数字频率计设计与仿真

1数字频率计设计与仿真1引言在现代电子技术中，频率是基本的参数之一，并与许多电子参量的测量方案和测量结果有密切的关系。因此我们对于频率的认识显得就更为重要。频率的测量方法有很多，其中数字频率计具有测量精度高、使用方便和测量迅速等优势，是目前测量频率的主要手段。MULTISIM是以WINDOWS为基础的一种仿真工具，适合用于数字电路或者模拟电路的设计工作。它有直观的捕捉和强大的仿真功能，能够轻松，快速，高效对电路图进行设计和验证。图11频率计方框图数字频率计是一种最基本的测量仪器，是通信设备、计算机应用、音频视频设备等等科研生产领域里不测或缺的测量设备之一，是一种用十进制数字显示被测信号的频率的数字的测量仪器，迄今为止已经有几十年的发展历史，频率计的基本功能是用来测量三角波信号、正弦波信号及方波信号等单位时间内变化的物理量。因而其实际运用范围是很广泛的。在早期，人们对于数字频率计的研究主要表现在扩大测量范围和提高精确度，而这些技术现在已日却成熟，现在人们对数字频率计又提出很多新的要求，例如价格低，操作方便，高精度，高稳定度甚至还包括数据处理和分析功能。较老的频率计是输入信号主门十进制计数器显示器主门触发器十进制计数器时基振荡器输入放大器2多芯片同步十进制技术，新型频率计要求芯片的数量要少，这样器件越少的话对于频率计的技术就会更准确，误差也会越小。一个基本的频率计的方框图如图11所示。而本课题涉及的主要内容是对输入信号的整形，闸门电路控制输入信号，以及对脉冲的计数，锁存和译码，通过该项设计可以将数字电路和模拟电路的理论知识运用到实际的设计中去，具有方便快捷，容易测量等特点。2选择测量方式信号频率指的是信号在单位时间内周期信号变化的次数，其表达式可写为FN/T，其中F指被测信号的频率，N为信号所累计的脉冲的个数，T是产生N个脉冲所需要的时间参数。该表达式其所记录的结果就是被测信号的频率。如在1S的时间内记录了100个脉冲，则该被测信号的频率就是100HZ。对于频率的测量方法大体可以分为两种一种是直接测频法，就是在一定的测量时间内测量被测信号的脉冲个数，因此又可称为计数法。该方法是将被测信号经过脉冲形成电路以后加到闸门电路的一个输入端，只有在闸门被开通的T秒时间内，被测信号的脉冲才被送到十进制计数器里进行计数。如果在闸门打开的时间为T，计数器在T的时间内得到的计数数值为N1，则被测信号的频率FN1/T，如图21所示就是直接测频法的测量原理。图21直接测频法测量原理对于直接测频法，信号的频率越高，误差就越小；而信号的频率越低，测量误差反而越大。所以直接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。被测信号计数值N1标准闸门T3另一种是间接测频法，例如周期测频法。周期测量法是把被测信号用来控制闸门的开闭，将标准时基脉冲信号通过闸门电路加到计数器上，闸门电路在外来信号的一个周期内被打开，则计数器所得到的计数数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后再求周期值的倒数，这样就可以得到所测信号频率值了。首先将被测的信号通过二分频后，得到一个高电平时间内是一个信号周期为T的方波信号；然后用另一个周期T1的高频方波信号来作为计数脉冲信号，在一个信号周期为T的时间内对周期为T1信号进行计数，如图22所示为间接测频法的测量原理图。图22间接测频法的测量原理如果在T时间内的计数值为N2,可以得到T2N2T1，F21/T21/N2T1F1/N2由上述表达式可知N2绝对误差是N2N1，N2相对误差是N2N2N/N1/N，T2相对误差是T2T2T/TN2T1T/TF/F1。由T2的相对误差可知，周期测量误差是与信号频率成正比的，但是却与高频的标准计数信号频率成反比例。当F1是常数时，被测的信号频率越低误差越小，测量精度也就可以越高。本章小结通过对上述频率测量的两种原理和方法的比较可以很明确的看出来周期测量法适合对频率较低信号的测量，而计数法则适合于对频率较高信号的测量，选择测量方法不仅要考虑此因素，还要考虑测量时候的实现难易程度，因为用周期测量法所得到数据还需要通过F1/T求倒运算才可以得出信号的频率，而求倒数运算很难用中小规模数字集成电路来实现，因此周期测量法不适合本实验。而计数法所得到的测量数据，被测信号信号二分频高频信号T4在闸门时间为一秒的时间内不需要进行任何换算，数码管所显示的数字就是被测信号的频率。所以，本设计采用计数法测量，即直接测频法。3设计原理及整体电路分析直接测频法的设计原理框图如图31所示。图31设计原理框图首先有个被测信号FX，但此信号可以是任意形状，例如正选波，三角波和各种不规则的波行，然后就必须把这个波变成规则的矩形脉冲波，这时侯需要一个整形电路，经过整形电路后就会形成与被测信号同频率的矩形脉冲，再将脉冲送入闸门电路。555振荡器由555定时器构成的，其作用是产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间，作为计数器的时钟信号，计数器开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。闸门电路是由一个与非门组成，在闸门电路开通的情况下，开始计被测信号中有多少个上升沿，当计数完后，此时数码管显示计数完成后的数字。锁存器作用是把计数器在1S结束时的计数值进行锁存，从而使显示器上获得稳定的测量值，因为计数器在1秒时间内要完成很多输入脉冲，如果不加锁存器，显示器上的值会随输入的变化而变化，不便于读数。控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号，如下图32所示整形电路脉冲形成闸门电路计数电路锁存电路控制电路时基电路555振荡器BCD码七段显示被测信号5图32控制电路示意图本章小结在设计电路时，自己认为最重要的部分应该是时基电路和整形电路，整形电路是为了得到同频率的标准矩形方波，而时基电路是为了产生标准的时基信号，只有这两部分设计仿真成功，电路设计就完成了一半，这都整个电路仿真是否起着决定的作用4单元电路设计41脉冲形成电路脉冲形成电路是由信号发生器和整形电路组成的，当输入一个信号是正弦波或是三角波或其他周期变化的波形，先经过一个由二极管组成的双向限幅器，再经过由555组成的施密特触发器进行整形，最后得到标准的矩形脉冲信号。电路图如图41所示。6图41脉冲形成电路限幅器起一个滤波作用。只有当输入信号在一定范围内时才能完全通过限幅器，这时输出电压才会随着输入电压变化而变化。而当输入信号超过这一范围时，输出电压或保持不变或二极管截止。555定时器构成施密特触发器的电路图如图42所示,波形图如图43所示。图42555定时器构成施密特触发器限幅器施密特触发器7图43构成施密特触发器输入输出波形图42中，VCO5端接10NF，起滤波作用，以提高电压的稳定性，清0端4接高电平VCC,将两个比较器输入端6和2连在一起，作为施密特触发器的输入端。其工作波形如图43所示。当UI1/3VCC时，输出VO为高电平。当1/3VCCVI2/3VCC,状态保持不变。当VI2/3VCC时，输出VOVOL,状态发生一次翻转。VI由最大值逐步下降，当VI下降至VI1/3VCC时，使输出VOVOH，状态又发生一次翻转。由此可见该电路上限触发电平为VT2/3VCC，下限触发电平为VT1/3VCC。42时基电路时基电路是由555定时器构成的多谢振荡器，如图44所示，工作波形如图45所示，它的功能是产生标准的一秒脉冲。图中VCC8和RST4接高电平，CON5接10NF的电容，起滤波作用，将THR6和TRI2连在一起，作为输入信号的UI输入端，三极管TD输出端DIS7通过通过电阻R6107K接到电源VCC。电路接通电源时，由于555定时器内部电容C还未充电，VCC通过555定时器电阻R1R2对电容C充电，电路进入暂稳态。8在暂稳态期间，随着电容C的充电，VCON的电位不断升高，当VCON2/3VCC时，这时电路输出V0翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。在此同时，555定时器内部的三极管TD导通，电容C放电，电路进入另一暂稳态。然而随着电容C的继续放电，VCON的电位逐渐下降，当下降到VCON1/3VCC时，电路又一次发生自动翻转。此后，如此反复，形成多谐振荡。电路充电时，得到的暂稳态持续时间为T107R6R7C3电容放电时，得到的暂稳态持续时间为T207R7C3从而得到，电路输出矩形脉冲的周期为TT1T207R62R7C3图44时基电路9图45工作波形43闸门电路闸门电路是由一个与非门组成，如下图46闸门电路的作用是控制计数器的输入脉冲，标准时间信号一秒脉冲到来时，闸门开通，这时，脉冲形成电路的被测信号脉冲通过闸门进入计数器，从而计数；当标准时间脉冲结束时，闸门关闭，这时被测信号无法通过闸门，也就无法计数。图46闸门电路44计数器计数器采用74LS90异步计数器，当一秒脉冲到来时，闸门开通，被测信号通过闸10门计数器计数，标准时间脉冲结束时闸门关闭，如图47为74LS90引脚图。图4774LS90引脚图之所以采用74LS90计数器，是因为它有很多好处，其一74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，功能表如表41所示。它可以灵活的构成8421BCD和5421BCD码计数器，分别是QA接B，QD接A。表4174LS90功能表复位输入输出R1R2S1S2QDQCQBQAHHLXLLLLHHXLLLLLXXHHHLLHXLXL计数LXLX计数LXXL计数XLLX计数表中H为高电平、L为低电平、为不定状态。11其二74LS90计数器设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。其三74LS90计数器多种分频方式，即五分频，十分频，六分频，九分频，其中，十分频中又有8421码十分频和5421码十分频。45锁存器本课题锁存器的作用是将计数器在一秒结束时的计数值进行锁存，使在显示器上获得稳定的数值。选用8D锁存器74LS273可以完成上述锁存器，要想完成锁存功能必须使清除端保持高电平，引脚图如48所示其中1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，11脚CLK为锁存控制端。功能如表42图4874LS273引脚图表4274LS273功能表CLRCLKDQ0011110010046BCD码七段显示译码驱动器（74LS48）74LS48是二十进制BCD码译码器，A3A1为二进制码输入，从00001001十种。12下图49是BCD七段荧光数码管显示系统。发光二极管采用共阴极电路，共阴极电路的负极都连在一起，且数码管的负极在外部只有一个引脚，在AG中有几个为高电平到来时就会有相应的二极管导通，当二极管导通时相应的二极管就会发光。几个为高电平时，相应的二极管会导通，使其发光，相应的二极管发光组合在一起便会出现09不同的数字，例如当A3A2A1A00011时2，显示是3，当A3A2A1A01000时，显示的数字是8。图49七段数字显示器系统原理图表4374LS48的逻辑功能表输入输出LEBILTDCBAABCDEFG显示数字0110000111111000110001011000010110010110110120110011111100130110100011001140110101101101150110110001111160110111111000070111000111111180111001111001191347计数译码显示电路图410计数译码显示电路计数译码显示电路是由上述计数器（74LS90）、锁存器（74LS273）、译码器（74LS48）以及数码管所共同组成的。计数电路是由74LS90十进制的计数器所组成，输出4位二进制数；锁存器（74LS273）的作用是用来实现锁存和是计数器清零的功能，在时基电路的脉冲上升沿时刻到来时闸门电路开启，计数器即开始计数，在同一个脉冲的下降沿时刻到来时闸门电路关闭，计数器即停止计数。译码器（74LS48）的功能是用来将74LS273的锁存结果译码后输送到数码管显示。数码管的作用是将被测信号的频率以数字的形式显示出来。计数译码显示电路图如上图410所示。本章小结分别对电路原理图中的各个期间进行简单的介绍，使我们更清楚的了解各个期间的作用，这样在画仿真图时会很清楚的知道器件各个引脚的作用和它们之间的连法，避免仿真时因为连线错误而导致仿真失败。计数器锁存器译码器145整体电路图图51整体电路图经过以上各单元电路的设计和说明，经过分析便可得到以上如图51的整体电路图，接通电源后，计数器清零，当标准时间脉冲到来时，闸门电路开通，在此同时，脉冲形成电路中的信号经整形后得到的方波通过闸门电路，这时，计数器开始计数，标准时间脉冲结束时所产生的为低电平025S触发时基电路，使之产生正脉冲，这个正脉冲作为74LS273锁存器的锁存时钟脉冲，锁存脉冲到达时，锁存器将计数器的值锁存住，这时锁存器输出的值等于计数器的值，时基电路经过与非门对计数器清零，从而完成一次测量，当下一秒脉冲到来时又按照以上步骤进行，从而完成频率的测量。156整体电路元器件清单表61元器件清单名称型号数量共阴数码管LED47段译码器74LS484计数器74LS904二极管1N40074锁存器74LS2732与非门74LS001定时器5552电容、电阻若干7电路仿真要想整体使电路运行成功，必须先对各个主要部分进行仿真，在MULTISIM中利用示波器测试各个分支电路的波形图，测试的主要部位分别为脉冲生成电路，时基电路等是否正常工作。71脉冲形成电路仿真脉冲形成电路仿真图如图71所示由555定时器构成的施密特触发器对输入信号进行限幅和整形，输入端接数字信号发生器，输出端接示波器在数字信号发生器中，有三种状态波，如图72，分别为三角波，正弦波，和方波，当对这三个波都输入相同的频率和振幅，输出都是和输入具有相同频率的方波。16图71脉冲形成电路仿真图图72信号发生器以正弦波为例，信号发生器的波形如图73，经整形后的方波如图74所示。17图73信号发生器产生的正弦波图74整形后波形1872时基电路仿真时基电路采用555定时器构成多谐振荡器，如图75，电路来产生一秒的脉冲，示波器的负级接地，正极接555的引脚3，调整示波器的周期和幅度，使周期为一秒，幅度为5V，使在示波器上显示一秒的时间脉冲。产生标准时基信号波形如图76所示。图75时基电路仿真图图76标准时基信号波形1973整体电路仿真仔细连线计数器，锁存器，译码显示器。整体电路测试时，采用被测信号频率为50HZ和1000HZ分别仿真得出结果