EDA技术课程设计报告数字频率计.doc

课 程 设 计课 程 EDA技术课程设计 题 目 数字频率计 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 大学课程设计任务书课程 EDA技术课程设计题目 数字频率计 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它在测量其他物理量如转速、振动频率等方面获得广泛应用。本课程设计主要是完成一个频率范围是0999999Hz的能测量方波信号的频率的频率计的设计。基本要求：1、设计一个能测量方波信号的频率的频率计。2、测量的频率范围是0999999Hz。3、结果用十进制数显示。主要参考资料：1 潘松著.EDA技术实用教程(第二版). 北京：科学出版社,2005.2 康华光主编.电子技术基础 模拟部分. 北京：高教出版社,2006.3 阎石主编.数字电子技术基础. 北京：高教出版社,2003.完成期限 指导教师 专业负责人 一、 整体功能要求1. 基本原理频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值，其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。2. 系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目为频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。测量电路被测信号 显示电路档位转换数字频率计整体方案结构方框图所用电气指标：被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。 测量频率范围：分三档。1Hz999Hz，0.01kHz9.99kHz，0.1kHz99.9kHz。测量周期范围：1ms1s。测量脉宽范围：1ms1s。测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误差）。当被测信号的频率超出测量范围时,报警.所用扩展指标有：要求测量频率值时，1Hz99.9kHz的精度均为+1。设计条件：电源+5V。门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能数量NE555定时器1片741518选1数据选择器2片74153双4选1数据选择器2片7404六反向器1片4518十进制同步加/减计数器2片74132四2输入与非门（有施密特触发器）1片74160十进制同步计数器3片C392数码管3片4017十进制计数器/脉冲分配器1片45114线七段所存译码器/驱动器3片TL0841片10K电位器1片电阻电容拨盘开关1个二、 整体设计步骤和调试过程 1、总体设计电路频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图所示的算法。框架图是根据算法构建的方框图。计数电路闸门输入电路闸门产生显示电路被测信号 频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10 ³量级，则要求闸门信号的精度为10 量级。2、模块设计和相应模块程序被测信号译码显示衰减放大fx整形电路闸门电路计数电路振荡器时基电路K1K2K3控制电路 测量频率的原理框图时基电路闸门电路计数电路锁存电路译码显示被测信号Tx整形电路二分频控制电路 测量周期的原理框图输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。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：测量频率的原理框图如图。测量频率共有3个档位。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。周期测量：测量周期的原理框图。测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，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为时基信号周期。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1Hz1MHz，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给用户带来不便，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。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1ms、0.1ms、0.01ms。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。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生1kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。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。3、仿真及仿真结果分析时基电路与分频电路第一部分为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,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，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Q³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。1kHz的方波分频后波形图闸门电路设计如图所示，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 。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， 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。闸门电路图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。控制电路、计数电路和译码显示电路电路图控制电路：计数电路和译码显示电路详细的电路如图所示。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。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，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。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。小数点显示电路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。4、实验调试结果首先调测时基信号，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。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。 显示电路调测连接图如图接好显示电路，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。 计数电路调测连接图计数电路按照图 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。控制电路连接图控制电路的连接图如图 ，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。控制电路的调测波形图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。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（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）。 测量频率电路的调测波形图 测量脉宽电路的调测波形图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。 三、结论及心得体会 本次实习让我体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次实习恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在实习的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调准等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。合理的分配时间。在设计控制电路的时候，我们可以连接译码显示和计数电路，这样就加快了完成的进度。最重要的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决参考资料1.张顺兴 . 数字电路与系统设计 . 第1版 . 南京：东南大学出版社，20042.邹其洪 . 电工电子实验与计算机仿真 . 第1版 . 北京：电子工业出版社，2003.93.王玉秀 . 电工电子基础实验 . 第1版 . 南京：东南大学出版社，20064.孙肖子 . 模拟电子技术基础 . 第1版 . 西安：西安电子科技大学出版社，2001.15.谢自美 . 电子线路设计实验测试 . 第2版 . 武昌：华中科技大学出版社，2000.76.张豫滇 . 电子电路课程设计 . 第1版 . 南京：河海大学出版社，2005.8