课程设计简易数字频率计数器.doc

《课程设计简易数字频率计数器.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计简易数字频率计数器.doc（21页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、课程设计课程名称： 学 院： 专 业： 姓 名： 学 号： 年 级： 任课教师： 年 月 日目录目录2摘要3Abstract4前言51. 技术指标61.1设计的目的61.2主要技术指标62、整体方案设计论证72.1、数字频率计测频率的基本原理72.2频率的测量82.3设计方案82.3.1测频法83、 单元电路设计与参数计算103.1逻辑控制电路的设计103.1.1逻辑电路参数计算123.2锁存器及计数器的设计123.3闸门电路133.3.1闸门电路参数计数133-4脉冲形成电路154、整体电路设计图174.1 整体电路设计图175、设计总结185.1 设计任务完成情况185.2心得体会186：

2、参考文献187、致谢198、附录20简易数字频率计数器摘要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。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，它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。简易数字频率计的系统主要由输入整形电路、逻辑控制电路、闸门、门控电路、计数译码显示电路等组成。关键词：数字频率计 频率 逻辑门控电路 Digital fre

3、quency planAbstractFrequency is one of the most basic parameters, and with a lot of electric parameters of the measurement program, the measurement results have a very close relationship, and frequency measurement is even more important. There are several ways of measuring frequency, the electronic

4、counter to measure frequency with high precision, easy to use, rapid measurement, and easy to automate the measurement process, etc., is one of the important means of frequency measurement. The digital frequency meter is the direct use of decimal digits to display the signal frequency of a measuring

5、 device, it can measure not only the sine wave, square wave, triangle wave and spike frequency of the signal, but also to measure their cycle. Simple digital frequency meter system mainly consists of input shaping circuit, the logic control circuit, the gate, the gating circuit, counting the decodin

6、g display circuit and other components.Keywords:Digital frequency meter ,frequency, logic gating circuit前言频率计是数字电路中的一个典型应用，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，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。设计所要达到的效果，同时此设计具有抗干扰性强、易于传输 ,较高的测量精度等特点。数字频率计是一种基础测量仪器，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,测量频率的方法有多种,其中电子计

7、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, 测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。1. 技术指标1.1设计的目的1.学习系统设计方法，掌握简易数字频率计整体设计。2.熟练掌握数字频率计的设计与调试方法。3.熟

8、悉一些常用的集成芯片及其联线方式。4.熟练掌握仿真软件的操作。1.2主要技术指标主要功能要求 4位十进制数显示、小数点自动定位；频率测量范围 1HZ10KHZ、10KHZ100KHZ、100K HZ1MHZ；频率准确度 -3；被测信号幅度Vxm=0.2V5V（正弦波、方波、三角波）2、整体方案设计论证2.1、数字频率计测频率的基本原理数字频率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，它不仅可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率，而且还可以测量它们的周期。频率就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔T内测的这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频

9、率可以表示为 f=N/T数字频率计测频率的原理如图2-1译码显示器锁存器计数器闸门电路器时基电路放大整形电路逻辑控制电路x锁存计数清“0”TxN图2.1简易数字频率计的组成框图和波形图2.2频率的测量频率测量：测量频率的原理框图如图2-1.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。2.3设计方案测量频率的基本方法有两种：计数法和

10、计时法，或称测频法和测周期法。 2.3.1测频法测频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2-2所示。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。图2.3.1测频法测量原理计数值N1T被测信号标准闸门 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1

11、s），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；测量的过程如图所示，在TW时间内通过计数器记录被测信号脉冲的个数，然后把记录结果锁存，经过运算后，送数码管显示，即为所测频率。，方案二： 测周期法测周期法需要有标准信号的频率fs，这个标准信号应该取一个频率适中的高频信号，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx=fs/Ns。图2.3.2周期测量原理测量测周期法的过程如上图所示，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准信号周期的个数，然后把记录结果锁存，经过运算

12、后，送数码管显示，即为所测频率。，比较一二两种方案： 这两种测频率的原理基本一样，都是通过在给定的时间内记录脉冲的个数，经过一定的运算处理，得出结果显示出来。并且这两种方案的计数值都会产生误差，都与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。但是考虑到用VHDL语言编写乘除的算法比较困难，并且经过乘除运算后所得结果的误差较大，因此选用方案一。 方案一得好处是闸门信号直接可以选择1S的时钟信号，在这1S时间内记录的被测信号脉冲的个数，正好就是被测信号的频率，不再需要进行运算处理。不但减少编程的难度，而且也减小了实验的误差。因为侧周期法的标准信号是一个高频信号，在不同的被测信号的脉冲下所造成的误差有很大的不

13、同。而在1S闸门信号下，记录的脉冲个数，对于所有被测信号的产生的误差基本是一样。考虑到以上的各因素，我认为方案一是比较理想的选择。3、 单元电路设计与参数计算3.1逻辑控制电路的设计图3.1.1逻辑控制电路根据图3-1所示，在标准时间信号结束时所产生的负跳变用来产生锁存信号（接13管脚），锁存信号的负跳变又用来产生0信号（接12管脚），它们 的脉冲宽度由本身的参数所决定。因此这两脉冲信号可以由两个单稳态触发器产生。图3-1中两芯片为74LS123构成。 表3-1 74LS123功能表 输 入 输 出 CLR A B Q Q(_) 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 图3

14、.1.2可重触发单稳态触发器的输出输入波形3.1.1逻辑电路参数计算 由74LS123组成的逻辑控制电路如图2-33所示。设锁存信号IV和清零信号V的脉冲宽度Tw相同，Tw=0.02s,则由式得： Tw=0.45 RextCext=0.02s若取Rext=10 k，则 Cext=Tw/(0.45Rext)=4.4uF,取标称值4.7uF。3.2锁存器及计数器的设计 锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数进行所存，使显示器上获得稳定的测量值。这时因为计数器在1s内要计成千上万个输入脉冲，若不加锁存器，显示器上的数字将通过随机计数器的输入而变化，不便于读数。当1s的计数器结束时，逻辑控制电路发出

15、锁存信号，将计数器此时的值送译码显示器，因此显示器的数字是稳定的。根据设计要求频率值由4位数字显示，则技术器相应地应该是10000进制。10000进制计数器可由4片7SEG-MPX1-CA构成，即每一片连成十进制，则4片级连构成10000进制。锁存器的作用是将计数器在1s结束时所记得的数进行锁存，是显示器上能稳定地显示此时计数器的值送译码显示器。选用8位锁器74LS273可以完成上述功能，当时钟脉冲CP正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态不变，所以在计数期间，计数器的输出不会送到译码显示

16、器。图3.2.1锁存电路和译码显示电路3.3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）到来时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器；标准时间脉冲结束时（为低电平时），闸门关闭，计数器无时钟输入。3.3.1闸门电路参数计数设标准时间为1s时的脉冲是由定时器555构成的多谐振荡器电路产生，若取振荡器的频率f=1/()=0.8Hz,则振荡器的输出波形如图3.3-2所示，其中 可以计算电阻R1、R2及电容的值，即 t1=0.7(R1+R2)C t2=0.7R2C若电容C=10uF，则 t2/o.7C=36 取 3.3.1闸门电路图3.3.2闸门电路的波形图3-4脉

17、冲形成电路脉冲形成电路的作用是将输入的周期信号如正弦波、三角形波或其他呈周期性变化的波形变换成脉冲波，器周期不变。 图3.4.1脉冲电路图图3.4.2脉冲信号波形图由于集成定时器555构成的施密特触发器的上触发电平V+=2/3Vcc，下触发电平V-=1/3Vcc。回差电平 即 输入信号的直流电平Vox应满足下列关系 输入信号的幅度Vxm、直流电平Vox和回差有关。一般来说，越小，对输入信号的要求越小。如果需要减少回差，可以在集成定时器555的控制端CO即5脚接入一正源电压。 4、整体电路设计图4.1 整体电路设计图由已设计好：逻辑控制电路图、锁存器计数器电路、脉冲形成电路图、闸门电路图等局部电

18、路图联线并得到图4.1.1所示。图4.1.1整体电路图5、设计总结5.1 设计任务完成情况通过为期两周的课程设计，完成了本次设计的技术指标，刚开始设计的时候，大脑一头雾水，不知所措。在牛老师的指导讲解下并通过查阅相关资料对本次课程设计有所领悟。在设计中所遇到困难有很多。如对仿真软件还不能熟练使用，以至于开始时设计进度较慢。另外对控制电路这部分比较难搞定，所以在连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最后搞定控制电路的连接。它所实现的功能就是可以测被测信号的频率，周期和脉宽。在调测的过程中

19、发现测量频率时，档位在1Hz999Hz，最终得到的结果的误差稍微大了点，其他的测量结果非常接近测量值。5.2心得体会通过课程设计让我们加深了对电子技术基础课程的理解和在课堂所遇到一些疑惑得到了简答。同时也体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的失败的苦楚与运行成功的喜悦。设计是我们将来必需的技能，这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆和网上查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的正确运行出结果，都对我所学的知识进行了检验。在这设计的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。好多知识一考完试就忘了差不多，然而不得不重新拿取课本把遗忘的知识补上。除此之外，

20、在这过程中还遇到了一些以前没有见到过的元件芯片，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用。最终成功的完成了这次课程设计的要求。6：参考文献1.电子技术基础数字部分（第五版）华中科技大学电子技术课程组 编 主编 康华光 副主编 邹寿彬 秦臻 高等教育出版社 2002年出版2.电子电路计算机辅助分析与设计 解月珍 谢沅清 编著.北京邮电大学出版社 2001年出版1999.3.电路原理图与电路板设计教程. 兵器工业出版社. 夏路易.2002.4.电子技术实验指导 王愉节 窦勤耕 贵州科技出版社.2010.7、致谢本次课程设计是我在大学这三年来第一次课程设计，初次实践操作中，遇到了许多困难。然而，我得到众多老师的关心支持和帮助。在老师们的指导和帮助下，这次课程设计得以顺利完成目标任务。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！另外，感谢校方给予我这样一次实践机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们能够将学到的只是应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议的各位老师表示由衷的感谢。8、附录