數(shù)字頻率計數(shù)器電子設計

1、目 錄1. 實習目的12. 實習內(nèi)容.22.1 數(shù)字頻率計數(shù)器測頻的基本原理32.2 頻率測量的技術指標.42.3 數(shù)據(jù)頻率計的設計52.4 我的電路分析113 實習心得13附錄附錄A 數(shù)字頻率計的原理圖1. 實習目的電子線路實習時了配合模擬電子技術基礎課程的教學而開設的。采用EAD 技術中的multisim 軟件來對模擬電路進行仿真運行，讓學生完成EDA 技術方面的初步訓練，培養(yǎng)起掌握新技術的能力，以適應當今電子技術的飛速發(fā)展。 以計算機仿真為基礎的電子設計自動化即EAD 技術已成為當代電子電路及集成電路設計中不可缺少的重要手段。multisim 是一個優(yōu)秀的電子技術訓練工具，利用它可以更靈

2、活的進行電路實驗，并在實驗室難以達到的實驗條件下進行模擬，從而提高學生設計和分析電路的能力。通過綜合性設計能使學生會解決較復雜實際問題的能力，為其后續(xù)課程的學習和以后 從事實際工作打下堅實的基礎。2. 實習內(nèi)容2.1 數(shù)字頻率計數(shù)器測頻的基本原理數(shù)字頻率計是用十進制來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T 內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)N ，則頻率可以表示為：T N f /因此，數(shù)字頻率計的原理框圖如下圖所示： 圖1、數(shù)字頻率計的原理框圖首先脈沖形成電路進行波形變換將被測信號變成頻率等于fx 的脈沖信號 時基信號發(fā)生器提供標準

3、的時間脈沖信號，若其周期為1S, 則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確的等于1S 。閘門電路有標準秒信號控制，當秒信號到來時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器記得的脈沖數(shù)N 是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。邏輯控制單元的作用有兩個：其一，產(chǎn)生清”0”脈沖，是計數(shù)器每次從零開始計數(shù)；其二，產(chǎn)生鎖存信號，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。最后，將鎖存器中的數(shù)據(jù)送入譯碼顯示器即可實現(xiàn)頻率測量。2.2頻率測量的技術指標數(shù)字頻率計測量頻率時的測量誤差稱為頻率準確度，常用相對誤差fx/fx來表示。分析表明：1(fcfc Tfx f

4、x fx += 式中，1/（Tfx ）=N/N稱為量化誤差，是數(shù)字頻率計所特有的誤差。fc/fc=T/T 稱為閘門時間的相對誤差，主要由基準信號發(fā)生器提供的標準頻率的準確度所決定，fc/fc1/(Tfx.數(shù)字頻率計測量的最高頻率成為頻率測量范圍，主要由脈沖形成電路的頻率響應決定。頻率計的數(shù)字顯示的位數(shù)決定了數(shù)字頻率計的分辨率。一般情況下，位數(shù)越多分辨率越高，當然需要的計數(shù)譯碼器的位數(shù)也就越多。數(shù)字頻率計完成一次測量所需的總時間稱為測量時間。若用t 表示總測量時間，則 t=t1+t2+t3+t4式中，t1準備時間，t2計數(shù)時間，t3鎖存時間，t4復位時間2.3 數(shù)字頻率計數(shù)器的設計放大整形電路由

5、晶體管 3DGl00與74LS00等組成，其中3DGl00組成放大器將輸入頻率為的周期信號如正弦波、三角波等進行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進行整形，使之成為矩形脈沖。其電路如圖： 圖2 放大整形電路其中由C1端輸入未知頻率的波，74LS00組成的施密特觸發(fā)器將從3DG00放大的信號進行整形變換，得到需要的方波.主要由74LS160組成（74LS160的管腳圖，功能表及波形圖詳見附錄），因為振蕩器產(chǎn)生的是100KHz 的脈沖, 也就是其周期是0.00001s, 而時基信號要求為0.001、0.01s 、0.1s 和1s 。4518為雙BCD 加計數(shù)器，由兩個相

6、同的同步4級計數(shù)器構(gòu)成，計數(shù)器級為D 型觸發(fā)器，具有內(nèi)部可交換CP 和EN 線，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)，在單個運算中，EN 輸入保持高電平，且在CP 上升沿進位，CR 線為高電平時清零。計數(shù)器在脈動模式可級聯(lián)，通過將Q 連接至下一計數(shù)器的EN 輸入端可實現(xiàn)級聯(lián)，同時后者的CP 輸入保持低電平。6如圖3-2所示，555產(chǎn)生的1kHz 的信號經(jīng)過三次分頻后得到3個頻率分別為100Hz 、10Hz 和1Hz 的方波。 圖3 分頻電路控制電路與主控門電路如圖192所示。主控電路由雙D 觸發(fā)器CC4013及與非門CC4011構(gòu)成。CC4013(a的任務是輸出閘門控制信號，以控制主控門(2的開啟與

7、關閉。如果通過開關S2 選擇一個時基信號，當給與非門(1輸入一個時基信號的下降沿時，門1就輸出一個上升沿，則CC4013（a ）的 Q1 端就由低電平變?yōu)楦唠娖?，將主控門2開啟。允許被測信號通過該主控門并送至計數(shù)器輸入端進行計數(shù)。相隔1s （或0.1s ，10ms ，1ms ）后，又給與非門1輸入一個時基信號的下降沿，與非門1輸出端又產(chǎn)生一個上升沿，使CC4013（a ）的Q1 端變7為低電平，將主控門關閉，使計數(shù)器停止計數(shù)，同時1端產(chǎn)生一個上升沿，使CC4013（b ）翻轉(zhuǎn)成Q21，20，由于20，它立即封鎖與非門1不再讓時基信號進入CC4013（a ），保證在顯示讀數(shù)的時間內(nèi) Q1 端始終

8、保持低電平，使計數(shù)器停止計數(shù)。 圖4 控制電路及主控門電路利用Q2端的上升沿送到下一級的延時、整形單元電路。當?shù)竭_所調(diào)節(jié)的延時時間時，延時電路輸出端立即輸出一個正脈沖，將計數(shù)器和所有D 觸發(fā)器全部置0。復位后，Q10，11，為下一次測量作好準備。當時基信號又產(chǎn)生下降沿時，則上述過程重復。8 圖5如圖所示。Q2 端所產(chǎn)生的上升沿經(jīng)微分電路后，送到由與非門組成的斯密特整形電路的輸入端，在其輸出端可得到一個邊沿十分陡峭且具有一定脈沖寬度的負脈沖，然后再送至下一級延時電路。延時電路由D 觸發(fā)器、積分電路（由電位器RW1和電容器C2 組成）、非門（3）以及單穩(wěn)態(tài)電路所組成，如圖所示。由于的D3端接VDD

9、 ，因此，在P2 點所產(chǎn)生的上升沿作用下，翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)后30，由于開機置“0”時或門輸出的正脈沖將的 Q3 端置“0”，因此31，經(jīng)二極管2AP9迅速給電容C2充電，使C2 二端的電壓達“1”電平，而此時30，電容器C2 經(jīng)電位器RW1 緩慢放電。當電容器 C2 上的電壓放電降至非門（3）的閾值電平VT 時，非門（3）的輸出端立即產(chǎn)生一個上升沿，觸發(fā)下一級單穩(wěn)態(tài)電路。此時，P3 點輸出一個正脈沖，該脈沖寬度主要取決于時間常數(shù)Rt Ct 的值，延時時間為上一級電路的延時時間及這一級延時時間之和。由實驗求得，如果電位器RW1用510的電阻代替，C2 取3f ，則總的延遲時間也就是顯示器所顯示的時間為

10、3s 左右。如果電位器RW1用2M 的電阻取代，C2 取22f ，則顯示時間可達10s 左右?？梢?，調(diào)節(jié)電位器RW1可以改變顯示時間。9 圖6延時電路P3 點產(chǎn)生的正脈沖送到圖195所示的或門組成的自動清零電路，將各計數(shù)器及所有的觸發(fā)器置零。在復位脈沖的作用下，Q30，31，于是3端的高電平經(jīng)二極管2AP9再次對電容C2電，補上剛才放掉的電荷，使C2兩端的電壓恢復為高電平，又因為CC4013(b復位后使 Q2 再次變?yōu)楦唠娖剑耘c非門1又被開啟，電路重復上述變化過程。 圖7 自動清零電路10這部分電路是頻率計內(nèi)作重要的電路部分，由計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、顯示器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。其中計數(shù)器按

11、十進制計數(shù)，由4個異步十進制計數(shù)器74ls90構(gòu)成，一次從個位開始計數(shù)，向上位發(fā)出進位信號進而使高位開始計數(shù)。計數(shù)輸出如果電路中不接鎖存器，則顯示器上的顯示數(shù)字就會隨計數(shù)器的狀態(tài)不停地變化，要使計數(shù)器停止計數(shù)時，顯示器上的數(shù)字顯示能穩(wěn)定，就必須在計數(shù)器后接入鎖存器。 圖 計數(shù)、鎖存、譯碼電路鎖存器的工作是受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制的。門控信號的下降沿使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1進入暫穩(wěn)態(tài)，單穩(wěn)1的上升沿作為鎖存器的時鐘脈沖。為了使計數(shù)器穩(wěn)定、準確的計數(shù)，在門控信號結(jié)束后，鎖存器將計數(shù)結(jié)果鎖存。單穩(wěn)1的暫態(tài)脈沖的下降沿使單穩(wěn)2進入暫態(tài)，利用2的暫態(tài)對計數(shù)器清零，清零后的計數(shù)器又等待下一個門控信號到來重新計數(shù)。鎖存器

12、的作用是將計數(shù)器在1s 結(jié)束時所得的數(shù)進行鎖存，使顯示器穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值。1s 計數(shù)時間結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號，將此時計數(shù)器的值送至數(shù)碼顯示器。選用鎖存器74LS273可以完成上述功能。當時鐘脈沖CP 的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D，從而將計數(shù)器的輸本次實習讓我們體味到設計電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的樂苦與甜。 設計是我們將來必需的技能， 這次實習恰恰給我們提供了一個應用自己所學知識 的機會，從到圖書館查找資料到對電路的設計對電路的調(diào)試再到最后電路的成 型， 都對我所學的知識進行了檢驗。在實習的過程中發(fā)現(xiàn)了以前學的數(shù)字電路的 知識掌握的不牢。同時在設計的過

13、程中，遇到了一些以前沒有見到過的元件，但 是通過查找資料來學習這些元件的功能和使用。 制作過程是一個考驗人耐 心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對電路的調(diào)試要一步一步來，不能急躁， 因為是在電腦上調(diào)試，比較慢，又要求我們有一個比較正確的調(diào)試方法，像把頻 率調(diào)準等等。這又要我們要靈活處理，在不影響試驗的前提下可以加快進度。合 理的分配時間。在設計控制電路的時候，我們可以連接譯碼顯示和計數(shù)電路，這 樣就加快了完成的進度。 最重要的是要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試 驗中出現(xiàn)的問題進行分析解決。在整個課程設計完后，總的感覺是：有收獲。以 前上課都是上一些最基本的東西而現(xiàn)在卻可以將以前學的東西作出有實際價值 的東西。在這個過程中，我的確學得到很多在書本上學不到的東西，如：如何利 用現(xiàn)有的元件組裝得到設計利用計算機來畫圖等等。但也遇到了不少的挫折，有 時遇到了一個錯誤怎么找也找不到原因所在， 找了老半天結(jié)果卻是接頭的方向接 錯了，有時更是忘接電源了。在學習中的小問題在課堂上不可能犯，在動手的過 程中卻很有可能犯。特別是在接電路時，一不小心就會犯錯，而且很不容易檢查 出來。但現(xiàn)在回過頭來看，還是挺有成就感的。我的動手能力又有了進一步的提 高，我感到十分的高興 通過緊張有序的設計實踐，我覺得自己的動手能力有了很大的提高;自信心 也增強了.在課程設計中自己動腦子解決遇到的問題，