北理工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)浮點(diǎn)頻率計(jì)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告浮點(diǎn)頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：年 月 日至 日目錄一、課程設(shè)計(jì)目的二、課程設(shè)計(jì)要求三、使用到的儀器、器件清單四、課題分析及方案論證五、EDA仿真分析六、調(diào)試與結(jié)果分析七、總結(jié)與體會(huì)八、參考文獻(xiàn)九、附錄一、課程設(shè)計(jì)目的鞏固和加深在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”和"數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)"課程中所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)訓(xùn)技能,基本掌握常用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)這一實(shí)訓(xùn)課程,能讓學(xué)生對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程有一個(gè)初步的了解，使學(xué)生掌握常用模擬、數(shù)字集成電路（運(yùn)算放大器、非門(mén)、555定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、譯碼器等）的應(yīng)用，包括熟悉集成電路的引腳安排、各芯片的邏輯及

2、使用方法，了解面包括板結(jié)構(gòu)及其接線(xiàn)方法，通過(guò)使用multisim仿真技術(shù)，獨(dú)立完整地設(shè)計(jì)一定功能的電子電路，以及仿真和調(diào)試等得綜合能力。二、課程設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)一個(gè)浮點(diǎn)頻率計(jì)2.技術(shù)指標(biāo)（1）要求測(cè)量頻率最高可達(dá)1MHz。（2）測(cè)量結(jié)果以三位LED數(shù)碼管顯示，其中兩位用以顯示有效數(shù)字，一位顯示10的冪次。（3）要求具有啟、停控制用于啟動(dòng)和停止頻率的連續(xù)測(cè)量和顯示。（4）在連續(xù)測(cè)量工作狀態(tài)要求每次測(cè)量1s顯示3s左右，并且連續(xù)進(jìn)行直至按動(dòng)停止按鈕。2.器件選擇范圍74LS90、74LS160、以及其它常用TTL邏輯器件三、使用到的儀器、器件清單1.使用儀器：數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱、示波器、信號(hào)發(fā)生器2.

3、使用元件清單：元件名稱(chēng)數(shù)量（個(gè)）芯片74LS90674LS160174LS153174LS00274LS04274LS08274LS321555定時(shí)器1電阻270k1510k120021k2電容2200pF410nF14.7F1四、課題分析及方案論證 （1）課題分析本課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)浮點(diǎn)式數(shù)字頻率計(jì)。一般的數(shù)字頻率計(jì)通常是由石英晶體振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器以及測(cè)量與顯示控制器等組成。其原理框圖見(jiàn)圖。其中石英晶體振蕩器、分頻器、控制器的主要任務(wù)是產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，其脈沖寬度必須是準(zhǔn)確的，例如1s或0·1s等。這種時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)被用來(lái)控制被測(cè)信號(hào)的輸人計(jì)數(shù)，可見(jiàn)被測(cè)信號(hào)的頻率與基準(zhǔn)信號(hào)選通期

4、間計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)值成正比。若基準(zhǔn)信號(hào)為1s，則計(jì)數(shù)值即為被測(cè)信號(hào)的頻率，若基準(zhǔn)信號(hào)為0.1s，則計(jì)數(shù)值乘以10即為被測(cè)信號(hào)的頻率等等。因此基準(zhǔn)信號(hào)通常設(shè)計(jì)為10的整數(shù)次冪，從而使測(cè)量結(jié)果的定標(biāo)只要移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)的位置即可。 基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)選通時(shí)間的長(zhǎng)短以及計(jì)數(shù)器的位數(shù)決定了頻率計(jì)的分辨率，而頻率計(jì)的精度主要取決于基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)本身的精度。這就是脈沖源采用石英品體振蕩器的原因。由于作為開(kāi)門(mén)信號(hào)的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)與被測(cè)信號(hào)不同步，所以這種測(cè)量方法存在著±1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的誤差。當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率很低時(shí)，該誤差將使測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差很大，因此上述測(cè)量原理將不適用解決這個(gè)問(wèn)題的方法通常是首先測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周期，然

5、后再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率值。 本課題所要求的頻率計(jì)屬于前者情況，即被測(cè)信號(hào)頻率較高，所以上圖的原理框圖仍適用，但其特殊點(diǎn)在于計(jì)數(shù)器的小數(shù)點(diǎn)位置是不固定的（即使在同一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)下），所以稱(chēng)為浮點(diǎn)式頻率計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于一般的頻率計(jì)，在其時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)選定的情況下，計(jì)數(shù)器小數(shù)點(diǎn)的位置就被固定，而且在基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)選通期間，計(jì)數(shù)器所計(jì)的全部數(shù)字都要保留，因此計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度必須足夠，不能產(chǎn)生溢出，否則結(jié)果將是錯(cuò)誤的。這樣所需顯示器的位數(shù)也很多。對(duì)于浮點(diǎn)式頻率計(jì)，在其基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)選通期間，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)不管多大，只要保留系統(tǒng)所規(guī)定的有效數(shù)字位數(shù)，例如本系統(tǒng)只需要保留最高兩位的有效數(shù)字，后面各位的數(shù)字一概不予保留

6、，而只反映出其后面還有多少位就可以了。本例中通過(guò)一位十進(jìn)制“冪次數(shù)計(jì)數(shù)器、顯示器"來(lái)反映測(cè)量結(jié)果的小數(shù)點(diǎn)位置?？梢?jiàn)本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的顯示只需3位十進(jìn)制數(shù)，頭兩位是結(jié)果保留的有效數(shù)字，第三位是此數(shù)所乘以10的冪次數(shù)，即結(jié)果的表達(dá)式為×10n，其中為兩位十進(jìn)制數(shù)，N為一位十進(jìn)制數(shù)。系統(tǒng)的最高測(cè)量頻率為1MHz，因此顯示范圍完全夠用。 （2）方案論證根據(jù)以上的分析，本系統(tǒng)方案如下圖所示。其基本原理如下所述。 1)石英晶體振蕩器、分頻器I、控制器。該部分電路主要用來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，采用石英晶體振蕩器保證了基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性，從而保證了測(cè)量結(jié)果的精度。基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)的脈沖寬度可以是1

7、s，也可以是0.1s等多種，這要根據(jù)系統(tǒng)測(cè)量頻率的范圍及精度要求來(lái)確定。一般頻率計(jì)都設(shè)計(jì)為多種，由用戶(hù)在使用中選擇。本系統(tǒng)以講清原理為主，因此只選擇1的一種。 此外控制電路還要求具有啟動(dòng)和停止系統(tǒng)測(cè)量的功能，這可以通過(guò)“啟"、“停"兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)和相應(yīng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在連續(xù)測(cè)量與顯示工作狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)測(cè)量1s，顯示約3s，再測(cè)量，再顯示等功能。 2）m計(jì)數(shù)器與N計(jì)數(shù)器。m計(jì)數(shù)器為有效數(shù)字計(jì)數(shù)器，它由兩位BCD計(jì)數(shù)器組成。N計(jì)數(shù)器為冪次計(jì)數(shù)器，它由一位BCD計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。其工作過(guò)程是這樣的：首先把m、N計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)要測(cè)頻時(shí)，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB啟，系統(tǒng)進(jìn)人連續(xù)測(cè)量與顯示工作狀態(tài)。當(dāng)基

8、準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)（1s）選通時(shí)，計(jì)數(shù)器控制門(mén)打開(kāi)，被測(cè)量信號(hào)進(jìn)人"計(jì)數(shù)器。當(dāng)m計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)，即N計(jì)數(shù)器仍為0。被測(cè)信號(hào)再來(lái)一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器應(yīng)（達(dá)99時(shí)），頻率顯示為99×100。為100，即計(jì)數(shù)器應(yīng)從99變?yōu)?0，而N計(jì)數(shù)器應(yīng)從0變?yōu)?。此后，計(jì)數(shù)器再來(lái)的脈沖應(yīng)以10為單位，即被測(cè)信號(hào)每送入10個(gè)脈沖，m計(jì)數(shù)器才應(yīng)計(jì)一個(gè)1，所以被測(cè)信號(hào)應(yīng)該經(jīng)過(guò)十分頻電路后再送人m計(jì)數(shù)器。同樣道理，在N：1的情況下，m計(jì)數(shù)器計(jì)到99時(shí)（頻率顯示為99×10），若m計(jì)數(shù)器再接收一個(gè)脈沖，則m計(jì)數(shù)器應(yīng)由99變?yōu)?0，而N計(jì)數(shù)器應(yīng)由1變?yōu)?。此后，"計(jì)數(shù)器的輸人應(yīng)從被測(cè)信號(hào)經(jīng)100分頻

9、器后的輸出接收，此過(guò)程一直進(jìn)行到系統(tǒng)的最高測(cè)量頻率，即m、N計(jì)數(shù)器的最大值99×104?？梢?jiàn)計(jì)數(shù)器中的高位BCD計(jì)數(shù)器必須具有預(yù)置功能，以便實(shí)現(xiàn)9- 1的轉(zhuǎn)換。 3）分頻器II和多路選擇器。由上述分析可知，"計(jì)數(shù)器的輸人分別為被測(cè)信號(hào)了及其分頻信號(hào)10、102、103、104分頻器Il就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)這些分頻，所以它是由4級(jí)十分頻電路來(lái)完成。多路選擇器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)上述5種輸人信號(hào)進(jìn)行選擇，把所需信號(hào)送人m計(jì)數(shù)器，因此它要受N計(jì)數(shù)器的狀態(tài)控制。當(dāng)N：0時(shí)，多路選擇器送出了信號(hào)；當(dāng)N=1時(shí)，送人弦10；當(dāng)N=2時(shí)，送入弦102；當(dāng)N=3時(shí)，送人弦103；當(dāng)N：4時(shí)，送人104可見(jiàn)多

10、路選擇器應(yīng)為五選一電路。（3）方案實(shí)現(xiàn) 1)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)的產(chǎn)生與控制電路的設(shè)計(jì)。 方案a.為了產(chǎn)生1s脈沖寬度的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，采用了100kHz的石英晶體振蕩器和5級(jí)十分頻電路，從而獲得了1Hz的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。電路如下圖所示，其中多諧振蕩器使用了74LS04六反相器，而分頻器使用了5片74LS290二·五·十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 方案b.555定時(shí)器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，用555可連接成時(shí)鐘脈沖發(fā)生器。如下圖，電容C被充電，當(dāng)VC上升到2VCC3 時(shí)，使為低電平， 同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過(guò)R2和T放電，VC下降。當(dāng)VC下降到VCC3時(shí)， V0翻轉(zhuǎn)為

11、高電平。當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止， VCC將通過(guò)R1、R2 向電容器C 充電。當(dāng)VCC上升到2VCC3 時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在 電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。電路的振蕩頻率為：f=1tpH+tpH=1.43R1+2R2輸出1khz再經(jīng)3組74LS290二·五·十進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻得到1hz信號(hào)。方案c. 用石英晶體組成石英晶體振蕩器，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范

12、圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。如圖4，G1用于震蕩；G2用于緩沖整形；R是反饋電阻，通常在幾兆歐到幾十兆歐間選?。籖1起穩(wěn)定振蕩的作用，通常取十至幾百歐之間；C1是頻率微調(diào)電容，C2是溫度特性校正用電容，C1，C2串聯(lián)等與負(fù)載電容。它們與晶體共同構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。電路的震蕩頻率及取決于石英晶體的并聯(lián)諧振頻率，與R、C的數(shù)值無(wú)關(guān)。以上三種方案，方案a由于沒(méi)有100khz晶振元件，方案b的振蕩周期不僅與時(shí)間常數(shù)RC有關(guān)而且方案b還取決于門(mén)電路的閾值電壓Vt 。由于 Vt容易受溫度、電源電

13、壓及干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差，只能應(yīng)用于對(duì)頻率穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。而本系統(tǒng)要求要產(chǎn)生穩(wěn)定性非常高的時(shí)鐘信號(hào)，所以采用方案c。 此電路輸出的1Hz脈沖信號(hào)只要經(jīng)過(guò)二分頻其脈沖寬度就是1s。但還不能這樣簡(jiǎn)單地獲取1s基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，因?yàn)榛鶞?zhǔn)測(cè)量信號(hào)還受到啟動(dòng)信號(hào)的控制，即只有啟動(dòng)后才允許標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)輸出去選通控制門(mén)，而且1s信號(hào)還必須受到啟動(dòng)信號(hào)的同步控制，即不允許啟動(dòng)后發(fā)出不完整的Is信號(hào)。為此設(shè)計(jì)的啟?？刂婆c標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)電路如圖所示。其工作原理是，當(dāng)接通電源或按動(dòng)SB停時(shí)，工作狀態(tài)觸發(fā)器被清零，Q=0處于停止?fàn)钤谶@里電容c起加電自動(dòng)復(fù)位作用。當(dāng)按動(dòng)SB啟鍵時(shí)，工作狀態(tài)觸發(fā)器被置1，Q=1

14、系統(tǒng)處于測(cè)量工作狀態(tài)。 工作狀態(tài)觸發(fā)器的輸出端Q接一T形觸發(fā)器（由JK觸發(fā)器74LS76構(gòu)成）的T輸人端，把1Hz信號(hào)接T觸發(fā)器的CP端，這樣從T觸發(fā)器的輸出QT端就可以獲得了受同步控制的1s基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，QT的脈寬確是1s，但仍不能用此信號(hào)1Hz直接去選通計(jì)數(shù)控制門(mén)，其原因有二，一是若用平期間將封鎖控制門(mén)1s），顯示時(shí)間不可調(diào)，達(dá)QT不到顯示3s的要求；其二是再次測(cè)量時(shí)（下一個(gè)正脈沖期間），前一次測(cè)量結(jié)果未清除，所以本測(cè)量將在前一次結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)累加，使結(jié)果錯(cuò)誤。為此可以想到控制電路應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)拍發(fā)生器，它應(yīng)由QT的下降沿啟動(dòng)，發(fā)出的第一個(gè)節(jié)拍信號(hào)JP1應(yīng)封鎖基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，使之不能送出后面

15、的測(cè)量信號(hào)。第二個(gè)節(jié)拍信號(hào)應(yīng)在將近3s時(shí)發(fā)JP2出，用來(lái)清除本次測(cè)量的結(jié)果?？梢?jiàn)顯示時(shí)間約為3s。最后發(fā)出JP3信號(hào)，解除對(duì)QT的封鎖，即再次QT啟動(dòng)測(cè)量電路。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的節(jié)拍發(fā)生器控制時(shí)序圖見(jiàn)圖，實(shí)現(xiàn)電路見(jiàn)圖7P2由控制時(shí)序圖可見(jiàn)，3個(gè)節(jié)拍所占時(shí)間只要略小于3s的顯示時(shí)間即可。 節(jié)拍1由A555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，其中R=510k，Cl=4.7F，所以負(fù)脈沖寬度為25s左右，和JP3都是由與非門(mén)74LS00構(gòu)成的典型單穩(wěn)觸發(fā)器輸出， R、C分別為200和2200pF，所以和JP3負(fù)脈沖寬度約為06s，滿(mǎn)足工作要求。 電路的工作過(guò)程是這樣的：當(dāng)按動(dòng)SB停鍵（或者系統(tǒng)加電時(shí)），工作狀

16、態(tài)觸發(fā)器FI和連續(xù)運(yùn)行觸發(fā)器F，均復(fù)位，Q=0、Q'=0，所以G門(mén)輸出為0，T觸發(fā)器處于0狀態(tài)并保持不變，IHz信號(hào)不起作用，基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)輸出售=0，封鎖計(jì)數(shù)控制門(mén)，從而系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)當(dāng)按動(dòng)SB啟鍵，F(xiàn)l和F2均被置1，所以G門(mén)輸出為1，當(dāng)1Hz信號(hào)下降沿時(shí)，T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，QT輸出一個(gè)脈沖為1s的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，選通計(jì)數(shù)控制門(mén)，實(shí)現(xiàn)測(cè)頻功能。當(dāng)QT下降沿到達(dá)時(shí)，經(jīng)RC微分電路觸發(fā)555構(gòu)成的第一級(jí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，從而獲得Jp1信號(hào)。JP1信號(hào)一方面送連續(xù)運(yùn)行觸發(fā)器F2，使之復(fù)位，另一方面送第二級(jí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。7P1的前沿（下降沿）使Q'：0，所以G門(mén)輸出為0，T觸發(fā)器保持0狀態(tài)不

17、變，系統(tǒng)處于顯示狀態(tài)。7P1的后沿（上升沿）觸發(fā)第二級(jí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，從而獲得7P2信號(hào)。和SB停按鈕信號(hào)一起形成清零信號(hào)用以清除T觸發(fā)器、m計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器以及分頻器，保證再次測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)的正確性。JP2信號(hào)還送到第三級(jí)單穩(wěn)定觸發(fā)器的輸人端，當(dāng)7P2的后沿（上升沿）到達(dá)時(shí)，觸發(fā)第三級(jí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，從而獲得7P3信號(hào)。送連續(xù)運(yùn)行觸發(fā)器F2，使之再次啟動(dòng)Q'=0，所以G門(mén)輸出為1，T觸發(fā)器在IH，信號(hào)作用下又一次發(fā)出基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，再次進(jìn)行測(cè)量，如此周而復(fù)始進(jìn)行下去，完成系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量與顯示的功能。直到按動(dòng)SB停鍵，使Q=0，Q'=0封鎖G門(mén)，系統(tǒng)處于停止測(cè)量狀態(tài)。2）m計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器

18、的設(shè)計(jì)。在方案論證中已經(jīng)看到計(jì)數(shù)器要求由99變?yōu)?0，即其高位應(yīng)由9變?yōu)?，所以其低位和N計(jì)數(shù)器均可采用一般的BCD計(jì)數(shù)器，本系統(tǒng)仍可選用兩片74LS290來(lái)實(shí)現(xiàn)，而，”計(jì)數(shù)器的高位選用一片具有同步預(yù)置功能的74LS160來(lái)完成?？傔壿嬰娐穲D見(jiàn)圖10·23所示。當(dāng)74LS160計(jì)到9時(shí)，其進(jìn)位端C=1，經(jīng)反相器送同步預(yù)置端仞。當(dāng)?shù)臀黄?變到0時(shí)，送來(lái)一個(gè)進(jìn)位脈沖，則高位片將并行置人DCBA段的信號(hào)。系統(tǒng)中將DCBA固定接成0001狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了高位片由9變1的要求。3）分頻器及多路選擇器的設(shè)計(jì)。由方案論證可知，待測(cè)信號(hào)了需經(jīng)4級(jí)10分頻電路產(chǎn)生7、弦10、弦102、弦103、弦1

19、04五路信號(hào)送多路選擇器，在此仍采用74LS290實(shí)現(xiàn)十分頻。但要注意該分頻器Il必須受系統(tǒng)清零信號(hào)控制，以便獲得準(zhǔn)確的分頻器全0初始狀態(tài)，從而避免由于初始狀態(tài)不同而造成的測(cè)頻誤差。電路總邏輯圖見(jiàn)圖10·23。分頻器輸人控制c門(mén)的作用是這樣的，它受標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)QT控制，因此只有在測(cè)量期間c門(mén)才接通，此外均關(guān)閉。所以它一方面起到計(jì)數(shù)控制門(mén)的作用，另一方面又保證在系統(tǒng)清零信號(hào)解除后而測(cè)量信號(hào)到來(lái)前，分頻器Il的初始全0狀態(tài)保持不變。這就是c門(mén)為什么必須放在分頻器Il之前，而不能直接放在m計(jì)數(shù)器Il之前的道理。多路選擇器由74LS153雙四選一和或門(mén)74LS32組成八選一電路。本系統(tǒng)僅選五

20、路信號(hào)，所以多出的三路不用。選通由N計(jì)數(shù)器的低3位QC、QB、QA來(lái)控制。4）顯示電路。N計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)三片74L7BCD到七段顯示譯碼器/驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)3位D數(shù)碼管完成測(cè)量結(jié)果的顯示。到此為止設(shè)計(jì)完成。五、EDA仿真分析（1）仿真為了驗(yàn)證以上方案的正確性，在進(jìn)行安裝與調(diào)試之前首先節(jié)拍發(fā)生器進(jìn)行仿真。仿真時(shí)為了加快仿真速度'將原圖中的1秒脈沖信號(hào)改為10Hz信號(hào)。仿真電路圖如所示，各仿真波形分別如下圖所示，分別為QT信號(hào)、JP1信號(hào)、7P2信號(hào)和JP3信號(hào)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了節(jié)拍發(fā)生器。（2）浮點(diǎn)計(jì)數(shù)器部分仿真，由于實(shí)驗(yàn)室只提供74ls90，因此仿真時(shí)也采用74ls90。仿真結(jié)果，通入各個(gè)

21、頻段信號(hào)后可以進(jìn)行正常計(jì)數(shù)，正常進(jìn)位。 總設(shè)計(jì)電路圖如下，上下兩部分經(jīng)過(guò)方針均可以正常工作，但是將其二者組合在一起時(shí)，可能由于multisim軟件本身性能原因，對(duì)于高頻數(shù)字電路的仿真速度有待提高。在進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)每當(dāng)計(jì)數(shù)到高位為9時(shí)即將進(jìn)位時(shí)，計(jì)數(shù)變得極其緩慢乃至卡機(jī)的情況出現(xiàn)導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行仿真。但是節(jié)拍發(fā)生器和浮點(diǎn)計(jì)數(shù)器均能正常工作，根據(jù)電路的邏輯原理推理可的此方案可行，經(jīng)知道老師許可后開(kāi)始進(jìn)行實(shí)際電路的搭建與調(diào)試工作。總邏輯電路圖六、調(diào)試與結(jié)果分析 安裝與調(diào)試根據(jù)先局部后整機(jī)的原則，本系統(tǒng)可劃分為如下幾個(gè)功能塊，沿著信號(hào)的流向具體調(diào)試步驟為：1）首先安裝調(diào)試1Hz信號(hào)電路。2）安裝和調(diào)試分頻

22、器II以及多路選擇器。注意，此時(shí)QT信號(hào)輸入端應(yīng)先接高電平，清零信號(hào)輸入端應(yīng)先接地，被測(cè)信號(hào)輸人端可先接來(lái)自數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱上的10kHz的脈沖信號(hào)，而多路選擇器的選擇控制端可先接到4個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)上。通過(guò)雙蹤示波器觀察各級(jí)10分頻電路的輸出是否正確，再觀察八選一電路在三個(gè)邏輯開(kāi)關(guān)為不同狀態(tài)下的輸出（即或門(mén)的輸出）是否與相應(yīng)選擇的信號(hào)一致?？梢?jiàn)在局部電路的調(diào)試過(guò)程中，必然遇到某些輸入信號(hào)尚未產(chǎn)生的情況。這時(shí)必須對(duì)這些輸入端進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚聪劝阉鼈冞B接到某些合理的信號(hào)或電平上，才能使局部電路的調(diào)整成為可能。當(dāng)然在進(jìn)行整機(jī)統(tǒng)調(diào)，或其他局部電路調(diào)整涉及到這些點(diǎn)時(shí)，不要忘記恢復(fù)正常連接的情況。3）安裝和調(diào)

23、試計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器。其方法與上述情況類(lèi)似，本部分完成后計(jì)數(shù)器部分基本搭建完成，通入1hz、10hz和20hz信號(hào)后可以進(jìn)行連續(xù)的計(jì)數(shù)，證明功能完好，與仿真結(jié)果符合4）安裝和調(diào)試主控制器電路和節(jié)拍發(fā)生器。加電后測(cè)試有關(guān)各點(diǎn)的初始狀態(tài)是否正確，按動(dòng)SB啟鍵，用示波器觀察QT輸出端，每3s后應(yīng)出現(xiàn)一次1s脈寬的正跳變。還可以觀察JP1等信號(hào)，但JP2、JP3及清零等信號(hào)由于太窄，不易觀察。上述觀察時(shí)，示波器掃描頻率應(yīng)選得很低，并使用單次觸發(fā)。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)方面，最開(kāi)始參考的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課本上給出的方案中R為270K。但是在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)如果使用270K電阻的話(huà)會(huì)導(dǎo)致單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完全沒(méi)用，經(jīng)

24、過(guò)老師提示，考慮到TTL與非門(mén)的負(fù)載特性，應(yīng)該選用0.91k以下的電阻，最后選擇了200的電阻，測(cè)試后終于可以產(chǎn)生正常負(fù)脈沖。在測(cè)試時(shí)，由于整個(gè)節(jié)拍發(fā)生器的信號(hào)成為一個(gè)閉環(huán)，為了測(cè)試各個(gè)模塊的正常工作與否，必須先仿真得到各個(gè)輸入輸出端應(yīng)該得到的信號(hào)波形，再將電路拆解開(kāi)來(lái)，用信號(hào)發(fā)生器通入改信號(hào)，用示波器觀察是否得到應(yīng)得的型號(hào)，以此來(lái)排查故障點(diǎn)，最終經(jīng)過(guò)幾個(gè)模塊的拆解測(cè)試終于將各個(gè)模塊的輸入輸出調(diào)整正常。5）整機(jī)統(tǒng)調(diào)。接好全部電路加電后顯示器應(yīng)為000被測(cè)信號(hào)端加入信號(hào)發(fā)生器給定的某一頻率的脈沖信號(hào)，按動(dòng)啟鍵，觀察系統(tǒng)是否測(cè)量1顯示，按動(dòng)B停鍵，系統(tǒng)是否停止測(cè)量且顯示為全為0，如果正常，則系統(tǒng)統(tǒng)

25、調(diào)完畢，否則通過(guò)故障點(diǎn)跟蹤測(cè)試法查找和分析故障性質(zhì)，從而決定返回以上哪個(gè)步驟重新進(jìn)行，直到系統(tǒng)達(dá)到指標(biāo)要求為止。系統(tǒng)工作正常后就需要進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源就可以看到系統(tǒng)的測(cè)量精度。6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如下圖為實(shí)際電路通入4.5khz頻率時(shí)的情況，三位數(shù)碼管顯示情況為452，即頻率為45×102hz。由于設(shè)計(jì)只有四級(jí)分頻電路，因此本系統(tǒng)最大可測(cè)頻率為1MHz，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率超過(guò)1MHz時(shí)，三位數(shù)碼管將一直顯示105，即為上限頻率1MHz。7）誤差分析。本實(shí)驗(yàn)中誤差主要來(lái)源有：1）1S基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)的誤差。本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生1Hz基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)的三種方案分別為：100Khz晶振經(jīng)過(guò)十分頻得到；55

26、5定時(shí)器接成1S脈沖信號(hào)發(fā)生器；32768晶振正弦波振蕩電路；具體方案已在上面詳細(xì)介紹。采用555定時(shí)器方案取決于門(mén)電路的閾值電壓，易受溫度，電源電壓及干擾的影響。而采用32768晶振取決于電路的并聯(lián)諧振頻率，對(duì)電容的選擇有較高的要求。2）計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)誤差，即“±1誤差”。由于計(jì)數(shù)器的工作原理在1S計(jì)數(shù)脈沖內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)多計(jì)1個(gè)或少計(jì)1個(gè)的情況，當(dāng)頻率較低時(shí)誤差就會(huì)非常明顯。而進(jìn)位時(shí)的計(jì)數(shù)誤差更有可能導(dǎo)致進(jìn)位錯(cuò)誤。根據(jù)方案中的脈沖寬度測(cè)量方法，分析脈寬測(cè)量誤差。設(shè)被測(cè)信號(hào)脈寬為T(mén)wxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)頻率為Fs，則脈沖寬度的測(cè)量值為 Twx=Nx/Fs 在一次測(cè)量中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)

27、值Nx可能產(chǎn)生±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)周期的計(jì)數(shù)誤差，則脈寬測(cè)量相對(duì)誤差為 |Twx/Twx|=(1·Fs)/(Nx·Fs)=1/Nx 其中NxTwx·Fs.可以看出，在Fs一定時(shí)，脈寬越小，誤差越大。當(dāng)Twx=100s，F(xiàn)s=60MHz時(shí)，Nx6000，則有 |Twx/Twx|=1/6000=0.17七、總結(jié)與體會(huì) 此次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時(shí)請(qǐng)教，做課程設(shè)計(jì)要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃悸泛褪炀毜膭?dòng)手能力，我感覺(jué)自己做了這次設(shè)計(jì)后，明白了總的設(shè)計(jì)方法及思路，通過(guò)這次嘗試讓我有了更加廣闊的思路，對(duì)今后的學(xué)習(xí)也有莫大的好處。學(xué)習(xí)基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握模擬電路設(shè)計(jì)的基本