基于Multisim數(shù)字頻率計電路設計

1、成績：數(shù)字電路綜合設計報告課程名稱：數(shù)字電路與邏輯綜合設計題 目：數(shù)字頻率計姓 名：孫喜洋專 業(yè)：計算機科學與技術(shù)班 級：15-5班學 號：1504010522計算機科學與技術(shù)學院 2016年12月24日一、概述1.數(shù)字邏輯電路數(shù)字頻率計是采用數(shù)字電路制作成的能實現(xiàn)對周期性變化信號頻率測量的儀器。頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值。其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。2.數(shù)字頻率計要求：可以測量正弦波、三角波、方波、周期性異型波，用數(shù)碼管顯示被測量波的頻率，可以根據(jù)被測信號幅值設定參考電壓。每1秒更新一次顯示。可以連續(xù)測量，暫停、復位，可以設定頻率上下限報警

2、。測量范圍09999Hz。3.利用這學期所學的電路設計，將LC震蕩波形發(fā)生器，555施密特方波整形，秒脈沖發(fā)生電路及數(shù)字邏輯電路知識，組合設計數(shù)字頻率計。 二、電路設計原理與單元模塊1.整體設計框圖圖1 波形產(chǎn)生部分圖2.頻率計部分波形產(chǎn)生部分：利用LC震蕩波形，經(jīng)過555施密特方波整形，變成方形波。頻路計數(shù)部分：由四個74LS192(十進制計數(shù)器)實現(xiàn)對波形頻率計數(shù)功能，在秒脈沖的控制下，打到鎖存器74LS273,并且每秒更新頻率值，同時完成對計數(shù)器的清零，另設清零單元和限制報警電路，在傳遞函數(shù)最小值0.001s對計數(shù)器，鎖存器進行清零，與非控制蜂鳴器，實現(xiàn)限制報警功能。2. LC

3、震蕩電路1) LC 振蕩電路由放大器、反饋網(wǎng)絡和選頻網(wǎng)絡組成的振蕩電路可以產(chǎn)生高頻振蕩(幾百千赫以上)圖3.LC原理圖2）電容三點式振蕩單元和選頻網(wǎng)絡 選頻網(wǎng)絡由電感L和電容C1、C2組成諧振回路，諧振回路的三個端點分別接晶體管集電極，發(fā)射極，基極，將電容C2兩端電壓作為反饋信號。設C1、C2串聯(lián)的等效電容為C,即但調(diào)節(jié)f0要同時調(diào)節(jié)C1、C2，并要保持C1、C2的比值不變，很不方便，因此該電路常作為固定頻率輸出，C2根據(jù)自身參數(shù)，在復雜的頻譜中選取與自身諧振頻率相同的頻率將其反饋，而其他頻率成分因不滿足振蕩條件被衰減，故振蕩電路就產(chǎn)生了單一頻率的正弦波。3）放大電路放大單元由2NSC945，

4、三極管構(gòu)成放大電路，在振蕩開始時，由于激勵信號較弱，輸出電壓的振幅Uo則比較小，此后經(jīng)過不斷放大與反饋循環(huán)，輸出幅度U0開始逐漸增大，為了維持這一過程使輸出振幅不斷增加，應使反饋回來的信號比輸入到放大器的信號大，即振蕩開始時應為增幅振蕩，即：T(jw ) > 1，將反饋信號放大，反饋網(wǎng)絡起正反饋，將信號反饋到放大單元輸入，進一步放大，所以此信號得以不斷放大最終由輸出端輸出。4）整體電路圖圖4.LC震蕩電路圖圖5.波形圖3.555施密特方波整形1）555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的電路圖如圖4-13所示,施密特觸發(fā)器屬于波形變換電路，該電路可以將正弦波、三角波、鋸齒波變?yōu)槊}沖信號。圖6.555

5、施密特電路組成 圖7.555施密特集成圖2）工作原理（1）Vi=0V時由于VTH=VTR；Vi=0V,顯然，比較器C1輸出為1，比較器C2輸出為0,基本RS觸發(fā)器工作狀態(tài)為1，即Q=1,Uo1=Uo2=UOH。Vi升高，在未到2VCC/3之前，狀態(tài)不變。（2）Vi上升到2VCC/3時比較器C1輸出為0，比較器C2輸出為1,基本RS觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到0，即Q=0,Uo1=Uo2=UOL。Vi下降，在未到VCC/3之前，狀態(tài)不變。（3）Vi下降到到VCC/3時比較器C1輸出為1，比較器C2輸出為0, 基本RS觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)1，即Q=1 ,Uo1=Uo2=UOH。Vi下降到0之前，狀態(tài)不變。圖8.

6、施密特工作波形3)靜態(tài)參數(shù)(1)接通電平V+把Vi上升過程中，使施密特觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出電壓VO由高電平UOH跳變到低電平UOL時，所對應的輸入電壓的值叫做接通電平。在圖6中，V+ =2VCC/3。(2)斷開電平V-把Vi下降過程中，使施密特觸發(fā)器狀態(tài)更新，輸出電壓VO由低電平UOL跳變到高電平UOH時，所對應的輸入電壓的值叫做斷開電平。在圖6中，V-=VCC/3。(3)回差電壓V回差電壓又叫滯回電壓，定義為V= V+ - V-在圖6中V=V+ - V- =2VCC/3-VCC/3=VCC/34）整體電路圖8.整流部分電路圖圖9.整流工作電路圖（說明：LC發(fā)生波形失真）4.電壓跟隨器1）電壓

7、跟隨器是實現(xiàn)輸出電壓跟隨輸入電壓的變化的一類電子元件，電壓跟隨器在電路中用作中間級，以“隔離”前后級之間的影響，此時稱之為緩沖級?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點。2）工作原理電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特點，圖10有運算放大器和將輸出完全反饋到輸入的一根導線所組成，當輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路；當輸出阻抗很低時，對后級電路就相當于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。一個對前級電路相當于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響的電路當然具備隔離作用，使前、后級電路之間互不影響。3）整體電路圖10.電壓跟隨器電路圖5.74LS192計數(shù)器1）74LS192是可預

8、置同步的十進制同步加/減計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。表1.74LS192真值表2）引腳功能 UP為加計數(shù)時鐘輸入端，DOWN為減計數(shù)時鐘輸入端。 LOAD為預置輸入控制端，異步預置。 CLR為復位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出， BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。A-D是初始置數(shù)端：在LOAD為高電平時QA-QD輸出端則輸出為初始置數(shù)，在LOAD為高電平時，QA-QD是輸出端輸出為計數(shù)結(jié)果。圖11.74LS192引腳圖3）功能實現(xiàn)說明：用四個74LS192串聯(lián)實現(xiàn)對頻率0-9999的加法計數(shù)，輸出接到四個七段顯示譯碼器（紅色

9、），進行直觀的顯示，為了便于計數(shù)器的調(diào)試波形的發(fā)生用函數(shù)發(fā)生計。圖12.頻率計數(shù)顯示4）整體電路圖三、數(shù)字電路的仿真與調(diào)試四、總結(jié)最終實驗結(jié)果要求抓圖。結(jié)果可以是仿真時序波形圖圖13.計數(shù)部分電路6.鎖存器及復位、清零1）鎖存器74ls273:是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。CLR復位端：低電平有效,當是低電平時,輸出腳Q1-Q8全部輸出0,即全部復位;CLK觸發(fā)端:當CLR腳為高電平時,CLK是上升沿觸發(fā)鎖存,當有一個上升沿,立即鎖存輸入腳D1-D8的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳Q1-Q8上。 圖14.74LS

10、273引腳圖同樣，用輸出接到四個七段顯示譯碼器（綠色），進行直觀的每秒頻率顯示。圖15. 每秒頻率顯示2）復位控制由要求可知要求每秒一更新數(shù)字頻率計的頻率，用脈沖時鐘源（1HZ）統(tǒng)一控制鎖存器和計數(shù)器清零端實現(xiàn)圖16.脈沖時鐘源3）窄脈沖產(chǎn)生器（邏輯電路中門的延遲產(chǎn)生的競爭和冒險）圖17. 窄脈沖電路4）清零控制清零實現(xiàn)原理與復位實現(xiàn)原理相同，不同的是清零頻率更高，間隔時間設為傳遞函數(shù)0.001秒，都是在計數(shù)器和鎖存器清零端加單刀雙刃開關(guān)，一個接清零，一個接復位圖18.控制電路5）該部分整體電路五、參考文獻圖19.鎖存、清零、復位電路圖7.頻率限制設定1000（或者其他值）為報警限制，用三輸入

11、與門與蜂鳴器組合邏輯實現(xiàn)，注意蜂鳴器的電壓要比電源電壓低而且頻率不能超過100k也不能太小。圖20.1上限報警電路三、數(shù)字電路的仿真與調(diào)試1.整體電路圖21.整體電路圖2.LC振蕩由C1=C2=1nF=10-9FL=18mH=10-3Hf0=圖22.fo計算理論值圖23.fo實驗實際值（說明：三點式LC振蕩電路的振蕩頻率嚴格來說不僅與L、C有關(guān)，還與晶體管參數(shù)有關(guān)）3.555施密特觸發(fā)器圖24.波形調(diào)試相關(guān)實驗值(說明“XFC1”是LC振蕩頻率計，“XFC2”是555整流頻率計，綠色正弦波是LC振蕩產(chǎn)生，紅色方波是555整流后)4.計數(shù)器與鎖存器為了方便調(diào)試將J1、J2開關(guān)置上，接入函數(shù)發(fā)生器

12、，實現(xiàn)每秒計數(shù)、更新頻率的功能，同時，將時鐘脈沖源頻率設為10HZ,即0.1秒更新，清零的函數(shù)發(fā)生器頻率固定位1000HZ,即使0.001s清零,代替波形發(fā)生的函數(shù)發(fā)生器測試頻率為1000HZ,即0.01秒100HZ。圖25.計數(shù)鎖存調(diào)試相關(guān)實驗值為了方便調(diào)試將J1開關(guān)置上，接入函數(shù)發(fā)生器，J1開關(guān)置下，實現(xiàn)同時復位計數(shù)器和鎖存器的功能，其他參數(shù)不變。圖26.計數(shù)鎖存復位相關(guān)實驗值6.警報器為了方便觀察和調(diào)試，將頻率限制電路改為一輸入控制，限制值設為100HZ,設立橙色燈和蜂鳴器進行警報提示圖27.上限警報器工作四、總結(jié) 通過這一學期的數(shù)字電路設計的學習，我感到了數(shù)字邏輯的魅力，通過親自動手設

13、計調(diào)試修改，使我進一步熟悉掌握了數(shù)字邏輯的基礎知識和，為我今后的學習奠定了良好的實驗基礎和實驗態(tài)度。 首先，在對上學期以及這學期所學的理論課而言，這學期大量的實驗、作業(yè)、實踐給了我一個很好的把理論應用到實踐的平臺和機會，讓我們能夠很好的把書本知識轉(zhuǎn)化到實際能力，提高了對于理論知識的理解，認識和掌握，同時提高了我對Multisim這個仿真平臺的熟練操作。 其次，這學期的課程設計很好的解決了我們實踐能力不足且得不到很好鍛煉機會的不足，通過這學期的鍛煉，提高了自身的實踐能力和思考能力，并且能夠通過實驗很好解決自己對于理論的學習中存在的一些知識盲點。 回顧這學期的每次課上課下設計電路調(diào)試電路的過程，收

14、獲還是很多的。最直接的收獲是提高了實驗中的基本操作能力，并對Multisim仿真有了了解，并掌握了基本的操作。但我感到更重要的收獲是培養(yǎng)了自己對電路設計的認識和體會，促進自己不斷的思考，不斷找資料修改電路，不斷地翻書查找問題的原因，不斷找同學交流共同提高。在這個過程中，我就是切身的體驗到了嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度和學習態(tài)度是十分重要，會直接決定你完成電路的質(zhì)量和準確，也反映出一個人做事的態(tài)度與責任。 在最后的綜合設計中，我遇到了很多困難，有的通過查找網(wǎng)頁資料解決了，有的通過與別人的交流也得到了解決，當用了很多時間和精力去自己去琢磨，去試驗，卻沒有什么進展的時候，真的會覺得很沮喪，想放棄，但走過來的時候回想，看著自己或許不完美的電路圖和綜合報告，心里有一股深深的自豪與開心，感謝這一路的經(jīng)歷與成長。五、參考文獻1 Multisim的用戶手冊.2 毛法堯 數(shù)字邏輯 （第二版）2000年6月3 葉挺秀、張伯堯 電工電子學（第二版）199