簡易頻率計的設(shè)計仿真與制作

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 簡易頻率計的設(shè)計仿真與制作 初始條件：本設(shè)計既可以使用集成脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、鎖存器、放大器、整形電路和必要的門電路等，也可以使用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計。用數(shù)碼管顯示頻率計數(shù)值。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：1周內(nèi)完成對簡易頻率計的設(shè)計、仿真、裝配與調(diào)試。2、技術(shù)要求： 設(shè)計一個頻率計。要求用4位7段數(shù)碼管顯示待測頻率，格式為0000Hz。測量頻率范圍：109999Hz。測量信號類型：正弦波、方波和三角波。測量信號幅值：0.5

2、5V。設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器，以此產(chǎn)生閘門信號，閘門信號寬度為1S。確定設(shè)計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排：1） 2010 年 6 月 2627 日，查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)設(shè)計原理。2） 2010 年 6 月 2830 日， 方案選擇和電路設(shè)計仿真。3） 2010 年 7 月 13 日， 電路調(diào)試和設(shè)計說明書撰寫。4） 2010 年 7 月 4 日上交課程設(shè)計成果及報告，同時進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日

3、系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日簡易頻率計的設(shè)計仿真與制作目 錄1 Protues軟件介紹.32 設(shè)計要求42.1整體功能要求42.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求.42.3測試指標(biāo)43單元電路設(shè)計與分析.53.1 數(shù)字頻率計的基本原理53.2 數(shù)字頻率的設(shè)計6 放大整形電路6 時基電路6 邏輯控制電路7 輸出實現(xiàn)電路84整體電路的設(shè)計仿真與調(diào)試.104.1整機(jī)電路圖.104.2 元件清單.125課程設(shè)計心得.146參考文獻(xiàn)157成績評定表.161 Protues 軟件介紹 Proteus 是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，它可以仿真51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外圍電路(如LCD，

4、RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，AD/DA，部分SPI 器件，部分IIC 器件.)。本文章基于ProteusPRO6.7SP3和KEIL uVision3 軟件。當(dāng)然，軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應(yīng)的仿真模型，用開發(fā)板和仿真器當(dāng)然是最好選擇，可是對于單片機(jī)愛好者，或者簡單的開發(fā)應(yīng)該是比較好的選擇。Proteus 與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU 的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果

5、。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 Protues 軟件與Keil uVision 的結(jié)合 對于初次使用Protues 軟件的人可能還不知道如何設(shè)置，現(xiàn)在把設(shè)置步驟簡介如下，僅供參考(本文章只討論在單機(jī)上結(jié)合，在兩個聯(lián)網(wǎng)機(jī)器使用由于篇幅限制不在此討論)：設(shè)置步驟如下： (1) 把proteus 安裝目錄下 VDM51.dll ( C:ProgramFilesLabcenterElectronicsProteus6ProfessionalMODELS)文件復(fù)制到 Keil 安裝目錄的 C51BIN 目錄中;(2) 編輯C51 里tools.ini 文

6、件, 加入:TDRV1=BINVDM51.DLL("PROTEUS VSM MONITOR-51 DRIVER");(3)Keil uVision 里設(shè)置: project->options forproject->debug tab;(4) 選中use proteus VSM monitor 51( 如果想用兩臺電腦仿真,雙擊setting,輸入IP 地址 或者DNS name);(5) 載入proteus 文件;(6)proteus 里選擇DEBUG->use remote debug monitor;進(jìn)入KEIL 的project 菜單option

7、for target '工程名'。在DEBUG 選項中右欄上部的下拉菜選中 Proteus VSMMonitor-51 Driver。 在進(jìn)入seting，如果同一臺機(jī)IP 名為127.0.0.1,如不是同一臺機(jī)則填另一 臺的IP 地址。端口號一定為8000 注意：可以在一臺機(jī)器上運(yùn)行keil，另一臺中運(yùn)行proteus 進(jìn)行遠(yuǎn)程仿真.(7)打開KEIL uVision, 按F5 開始仿真. proteus 的工作過程 運(yùn)行proteus 的ISIS 程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設(shè)置view 菜單下的捕捉對齊和system 下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具

8、欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices 窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫程序;在source 菜單的Define code generation tools 菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴(kuò)展名等項目;在source菜單的Add/remove source files 命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對應(yīng)程序;通過debug 菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運(yùn)行情況。Proteus 軟件所提供了30 多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。 Proteus 軟件所提供的調(diào)試手段 Proteus 提

9、供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus 提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調(diào) 試以看具體的執(zhí)行情況。對于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug 菜單下的execute 菜單項或F12 快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug 菜單下的pause animation 菜單項或pause 鍵暫停系統(tǒng)的運(yùn)行;或用debug 菜單下的stop animation 菜單項或shift-break 組合鍵停止系統(tǒng)的運(yùn)行。其運(yùn)行方式也可以選擇工具欄中的相應(yīng)工具進(jìn)行。對于軟件的分步調(diào)試， 應(yīng)先執(zhí)行debug 菜

10、單下的start/restart debugging 菜單項命令，此時可以選擇stepover 、step into 和 step out 命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11 和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進(jìn)入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start / restart debuging命令后，在debug 菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機(jī)的系統(tǒng)資源等，可供調(diào)試時分析和查看。在教學(xué)中利用該軟件，除了能教單片機(jī)的具體課程內(nèi)容外，還可以教會學(xué)生應(yīng)用該工具的能力，為今后的工作打下基礎(chǔ)。2設(shè)計要求2.1整體功能要求設(shè)計一個數(shù)字頻率計，要求用4位7段數(shù)碼管顯示待

11、測頻率，格式為0000Hz，用以測定正弦波，方波和三角波。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器，以此產(chǎn)生閘門信號，閘門信號寬度為1S。2.3測試指標(biāo)測量頻率范圍：109999Hz。測量信號類型：正弦波、方波和三角波。測量信號幅值：0.55V。確定設(shè)計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。3單元電路設(shè)計與分析3.1 數(shù)字頻率計的基本原理數(shù)字頻率計是直接用十進(jìn)制數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它不僅可以測量正弦波，方波，三角波和類似脈沖信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。數(shù)字頻率計在測量其他物理量如轉(zhuǎn)速，振動頻率等方面獲得廣泛

12、應(yīng)用。 眾所周知，所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）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(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為fN/T 因此，數(shù)字頻率計測頻率時的原理框圖如下。其中脈沖形成電路的作用是：將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)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)時間也準(zhǔn)確的等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)的秒信號進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號來到時，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(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N為在1s時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測信號的頻率fx =N Hz

13、。從數(shù)字頻率計的基本原理出發(fā)，根據(jù)設(shè)計要求，得到如圖一所示的電路框圖。頻率計的組成框圖圖一、 數(shù)字頻率計框圖下面介紹結(jié)構(gòu)較為簡單的數(shù)字式頻率計，電路組成如圖所示。它是由兩位計數(shù)器、控制閘門、秒時基發(fā)生電路和被測信號輸入電路組成。3.2 數(shù)字頻率的設(shè)計 放大整形電路其電路圖如圖二圖二 放大整形電路放大整形電路由晶體管3DG100與NE555等組成，其中3DGl00組成放大器將輸入頻率。為f x 的周期信號如正弦波、三角波等進(jìn)行放大，NE555施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。 時基電路其電路圖如圖三所示圖三 時基電路時基電路的作用是產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)時間信號（高電平持續(xù)時間

14、為 1s），由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生。由公式t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C，要使其產(chǎn)生1s的門信號，通過計算可以得出C=10uF,R1大約取47K，R2大約取39K左右，則振蕩器的輸出波形如圖中的波形II所示，其中t1=1s，t2=0.25s。 邏輯控制電路其電路圖如圖四所示圖四 邏輯控制電路根據(jù)圖所示五波形，在計數(shù)信號II結(jié)束時產(chǎn)生鎖存信號IV，鎖存信號IV 結(jié)束時產(chǎn)生 清“0”信號 V。脈沖信號IV和V可由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生，它們的脈沖寬度由電路的時間常數(shù)決定。設(shè)所存信號IV和清“0”信號V的脈沖寬度tw相同，如果要求tw=0.02s，則得：tw

15、=0.45RextCext=0.02s若取 Rext=10k，則 Cext=tw/0.45Rext=4.4F。由74LS123的功能（見下表1）可得，當(dāng)觸發(fā)脈沖從1A端輸入時，在觸發(fā)脈沖的負(fù)跳變作用下，輸出端1Q可獲得一負(fù)脈沖，其波形關(guān)系正好滿足圖1所示的波形IV和V的要求。手動復(fù)位開關(guān)S按下時，計數(shù)器清“0”。圖五數(shù)字頻率計波形圖表一：表一 74LS123功能表說明：1.外接電容接在 Cext（正）和 Rext/Cext（正）之間 2.為了改善脈沖寬度的精度和重復(fù)性，可在 Rext/Cext 和Vcc 之間接外接電阻。 3.為了得到可變脈沖寬度，可在 Rext/Cext 和 Vcc 之間接接

16、可變電阻。 H高電平 L低電平 X任意 低到高電平跳變 一個高電平脈沖高到低電平跳變 一個低電平脈沖 輸出實現(xiàn)電路其電路圖如圖六所示圖六輸出實現(xiàn)電路該部分由計數(shù)器電路，鎖存器電路，顯示譯碼器與數(shù)碼管組成.1計數(shù)器電路計數(shù)器的作用是對輸入脈沖計數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求，最高測量頻率為 9999Hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計數(shù)器，可以選用現(xiàn)成的10進(jìn)制集成計數(shù)器。本電路采用74LS90芯片，其功能如表二：表二 表二74LS90的不同接線方法.2鎖存器電路 在確定的時間（ 1S ）內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果（被測信號頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測得的數(shù)據(jù)寄存起來，送顯示

17、譯碼器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器，為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。本電路采用了74LS273鎖存器對計數(shù)器送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存的。 .3顯示譯碼器與數(shù)碼管 顯示譯碼器的作用是把用 BCD 碼表示的10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。選用顯示譯碼器時其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。本項目顯示數(shù)碼管采用的是共陰極雙列直插式的，所以其顯示譯碼器選用了74LS48來驅(qū)動這四個共陰數(shù)碼管了。4整體電路的設(shè)計仿真與調(diào)試4.1整機(jī)電路圖整個電路系統(tǒng)工作原理是：時基信號由555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。

18、被測信號通過閘門，作為74LS90計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，計數(shù)的個數(shù)經(jīng)74LS273鎖存器鎖存，然后，經(jīng)74LS48譯碼驅(qū)動，數(shù)碼管實時顯示被測信號頻率的數(shù)值，整個計數(shù)和譯碼過程必須在74LS123的控制下進(jìn)行的，這樣就達(dá)到了測量頻率的目的。整個電路系統(tǒng)原理圖如圖七所示：當(dāng)輸入正弦信號時，電壓為3V，頻率66HZ仿真如下圖七整個電路圖器件檢測及方法1基準(zhǔn)時間信號檢測 依次用示波器檢測NE555 時基脈沖輸出信號，74LS123 組成的分頻輸出信號以及由74LS90組成的計數(shù)器的輸出波形，并用數(shù)字萬用表測的電壓與波形對照。如無輸出波形或波形形狀不對，則應(yīng)對 NE555、74

19、LS123、74LS90 各引腳的電平或信號波形進(jìn)行檢測，并檢查電路線路是否連通，以消除故障，直至數(shù)碼管正常顯示。 2輸入信號檢測從被測信號輸入端輸入幅值在 1V 左右頻率為 1KHz 以內(nèi)的正弦信號，如果電路正常，數(shù)碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則作進(jìn)一步檢測。 3 控制門檢測 檢測控制門74LS00 輸出信號波形，正常時，每間隔 1S 時間，可以在熒屏上觀測到被測信號的矩形波。如觀測不到波形，則應(yīng)檢測控制門的兩個輸入端的信號是否正常 , 并通過進(jìn)一步的檢測找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測計數(shù)器電路。 4 計數(shù)器電路的檢測 依次檢測4個計數(shù)器74LS90時鐘端的輸入波形，正常時，相鄰計數(shù)器時鐘端的波形頻率依次相差10倍。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對計數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測。正常情況各電平值或波形應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。通過檢測與分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 5鎖存電路的檢測 依次檢測 74LS273 鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況各電平值應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。其中，第 11 腳的電平每隔 1S 鐘跳變一次。如不正常，則應(yīng)檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計仍不能正常工作，