數(shù)字邏輯-數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

.z.**學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)系別：網(wǎng)絡(luò)與通信工程系專業(yè)：網(wǎng)絡(luò)工程組別：第四組起止日期:2012年5月28日~指導(dǎo)教師:計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院二○一二年制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書目錄2.1題目2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求2.3制作要求2.4擴(kuò)展指標(biāo)2.5運(yùn)行環(huán)境2.6設(shè)計(jì)條件2.7元件介紹①計(jì)數(shù)顯示器3②74160N4③7473N5④*FG164．1單元電路設(shè)計(jì)4．2控制電路4．3關(guān)于JK觸發(fā)器4．4測試5.1第一次仿真5.2第二次仿真5.3第三次仿真5.4第四次仿真-.z.1引言數(shù)字頻率計(jì)是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要測量工具之一，同時(shí)也是其他許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測量儀器。數(shù)字頻率計(jì)是在基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)把測量的脈沖數(shù)記錄下來，換算成頻率并以數(shù)字的形式顯示出來。數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)用于測量信號（方波、正玄波或其他周期信號）的頻率，并用十進(jìn)制數(shù)顯示。它具有精度高、測量速度快、讀數(shù)直觀、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。2設(shè)計(jì)要求2.1題目頻率計(jì)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(kuò)展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。①頻率測量*圍：1HZ~10HZ。②數(shù)字顯示位數(shù)：四位靜態(tài)十進(jìn)制數(shù)顯示被測信號的頻率。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求數(shù)字頻率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進(jìn)行處理、測量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測試的項(xiàng)目—頻率、周期或脈寬，若測量頻率則進(jìn)一步選擇檔位2.3制作要求①被測信號波形：正弦波、三角波和矩形波。②測量頻率*圍：1Hz~10kHz。③測量周期*圍：0.1ms~1s。④測量脈寬*圍：0.1ms~1s。⑤測量精度：顯示4有效數(shù)字（要求分析1Hz、1kHz和10kHZ測量誤差）。2.4擴(kuò)展指標(biāo)要求測量頻率值時(shí)，1Hz~10z的精度均為±1。2.5運(yùn)行環(huán)境軟件環(huán)境：windows*PMultisim10。硬件環(huán)境：微型計(jì)算機(jī)。2.6設(shè)計(jì)條件①電源條件：+5V。②可供選擇的元器件*圍如表2-2-1所示：表2-2-1所需原件列表元件名稱數(shù)量電源2個(gè)計(jì)數(shù)顯示器4個(gè)74160N4個(gè)7473N2個(gè)OR31個(gè)7408N1個(gè)*FG11個(gè)2.7元件介紹①計(jì)數(shù)顯示器該元件本質(zhì)為顯示譯碼器，人們直接利用譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示器，因此人們就把這種類型的譯碼器叫做顯示譯碼器，也就是我們通常說的顯示器。如圖2-2-1所示圖2-2-1計(jì)數(shù)顯示器其功能如表2-2-2所示表2-2-2計(jì)數(shù)器工作原理abcd顯示結(jié)果000000001100102001130100401015011060111710008100191010A1011b1100c1101d1110E1111F②74160N74160N是一種十進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，在本設(shè)計(jì)中由于仿真時(shí)受原件的限制，這里只使用計(jì)數(shù)芯片74160，且要求顯示四位，四個(gè)計(jì)數(shù)器74160N可以組成分頻器。如圖2-2-2所示圖2-2-274160N其工作原理如表2-2-3所示表2-2-374169N\的工作原理MRCPCEPCETPEDNQNTC0*****00Reset(clear)1.**︱︱001.**︱H1(1)Parallelload1.hhh*count(1)Count1*︱*h*q(1)Hold(Donothing)1**︱h*q0③7473N7473N的主要功能由JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)JK觸發(fā)器的J、K端同時(shí)接高電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)會隨著每輸入一個(gè)脈沖改變一次。因此JK觸發(fā)器輸入端的頻率是輸出端的兩倍，這就是通常認(rèn)為的二分頻。將輸入端加到下一個(gè)JK觸發(fā)器的時(shí)鐘端又可實(shí)現(xiàn)頻率的再次二分頻，以此類推可實(shí)現(xiàn)頻率的逐次分頻。圖2-37473N其功能如下表2-2-4所示表2-2-47473N的工作原理CLKJKQQ0***011.00Hold1.10101.01011.11Toggle④*FG1函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波掃三角波和矩形波，信號頻率可以再1HZ到999MHZ*圍內(nèi)調(diào)整，信號的幅值以及占空比等參數(shù)也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，信號發(fā)生器有三個(gè)引線端口：負(fù)極、正極和公共端，函數(shù)信號發(fā)生器的圖標(biāo)和面板如圖2-2-4所示圖2-2-4*FG13整體設(shè)計(jì)方案數(shù)字頻率計(jì)一般由振蕩器、分頻器、放大整形器、控制電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路等部分組成。由振蕩器的振蕩電路產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，經(jīng)分頻器分頻得到控制脈沖?？刂泼}沖經(jīng)過控制器中的門電路分別產(chǎn)生選通脈沖、鎖存信號、清零信號。待測信號經(jīng)過限幅、運(yùn)放的放大、施密特整形之后，輸出一個(gè)與待測信號同頻率的矩形脈沖信號，該信號與鎖存信號和清零信號共同控制計(jì)數(shù)、鎖存和清零三個(gè)狀態(tài)，然后通過數(shù)碼顯示器件顯示。數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如圖3-1所示：施密特整形這不過、、施密特整形這不過、、閘門檢測技術(shù)譯碼數(shù)碼顯示晶振分頻控制單元待測信號選通清零控制信號圖3-1數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖4詳細(xì)分析4．1單元電路設(shè)計(jì)選用帶譯碼器的集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片CD40110，該芯片有鎖存控制器端，可對計(jì)數(shù)進(jìn)行鎖存。計(jì)數(shù)部分只顯示鎖存后的數(shù)據(jù)，每鎖定一次計(jì)數(shù)部分跳動(dòng)一次，更新數(shù)據(jù)，如此反復(fù)。由于仿真時(shí)受元件的限制，這里僅使用計(jì)數(shù)芯片74160，且要求顯示四位，因此使用4組74160和數(shù)碼管。將各計(jì)數(shù)器的LOAD、ENP、ENT分別接高電平，個(gè)位的CLK端外接技術(shù)信號，低位的進(jìn)位端接高電位的CLK端，各芯片的CLK端連接起來外接清零信號，4個(gè)輸出端接數(shù)碼管，以此實(shí)現(xiàn)一個(gè)能顯示4位十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。連接后電路如圖4-1所示：圖4-1計(jì)數(shù)譯碼顯示電路4．2控制電路控制電路時(shí)整個(gè)數(shù)字頻率計(jì)正常工作的核心部分，需仔細(xì)分析各種頻率信號（技數(shù)、選通、鎖存、清零）的時(shí)序關(guān)系，一最終控制計(jì)數(shù)譯碼器顯示電路的工作狀態(tài)。由于功能要求識別的最小頻率是1HZ，因此將選通信號的高電平時(shí)間定為1s，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)允許帶測信號輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)，鎖存和清零信號的輸出均為高電平。在選通信號為低電平是關(guān)閉閘門，計(jì)數(shù)停止，處于數(shù)據(jù)鎖存的時(shí)間段，此時(shí)的鎖存信號為低電平，清零信號仍為高電平，直到選通信號的下一個(gè)高電平到來前（開始下一個(gè)計(jì)數(shù)），清零信號端輸出一個(gè)低電平時(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的清零，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)計(jì)數(shù)周期。如此往復(fù)，以實(shí)現(xiàn)待測信號頻率的反復(fù)測量。這幾個(gè)信號的工作時(shí)序如圖4-2所示：圖4-2控制電路各頻率信號時(shí)序關(guān)系4．3關(guān)于JK觸發(fā)器當(dāng)JK觸發(fā)器的J、K端同時(shí)接高電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)會隨著每輸入一個(gè)脈沖改變一次。因此JK觸發(fā)器輸入端的頻率是輸出端的兩倍，這就是通常認(rèn)為的二分頻。將輸入端加到下一個(gè)JK觸發(fā)器的時(shí)鐘端又可實(shí)現(xiàn)頻率的再次二分頻，以此類推可實(shí)現(xiàn)頻率的逐次分頻。電路連接和工作時(shí)序如圖4-3與4-4所示：圖4-3JK觸發(fā)器分頻電路圖4-4工作時(shí)序圖4．4測試創(chuàng)建如下圖4-5所示電路，根據(jù)控制電路各信號時(shí)序分析得知，選通信號的周期應(yīng)大于等于鎖存信號和清零信號，因此選用上述電路的Q2作為選通信號的輸出端。假定選通信號的高電平時(shí)間為1s，那Q2端的頻率應(yīng)為0.5HZ，由此可推出CP端和Q1端的信號頻率為2HZ和1HZ。在Q2端的選通信號為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)，頻率計(jì)開始工作。當(dāng)Q2端進(jìn)入低電平段，頻率計(jì)為鎖存階段，直至下一個(gè)Q2端高電平到來前，CP、Q1、Q2端均為低電平，可以考慮用一個(gè)3輸入的或門將這三個(gè)端口連接，輸出一個(gè)低電平作為清零信號，加到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路的CLR端。由此得到選通信號周期為2s，計(jì)數(shù)時(shí)間為1s，鎖存時(shí)間為0.75s，清零時(shí)間為0.25s。如果對上述時(shí)間不滿意，還可以通過改變JK觸發(fā)器的輸入時(shí)鐘頻率或者用不同的門電路連接CP、Q1、Q2端來構(gòu)成計(jì)數(shù)、鎖存和清零信號，建構(gòu)過程中只要把握好CP、Q1、Q2三者的時(shí)序關(guān)系即可。圖4-5JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字頻率計(jì)電路原理圖5調(diào)試與操作說明JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字頻率計(jì)仿真。接入2Hz的時(shí)鐘信號源作為控制電路的時(shí)鐘脈沖，同時(shí)在待測新號端接上函數(shù)信號發(fā)生器。任意設(shè)定函數(shù)信號發(fā)生器的波形（正弦波、方波、三角波），并改變每種波形的頻率（9Hz、99Hz、999Hz、9999Hz）,啟動(dòng)仿真開關(guān)進(jìn)行仿真，可以看到無論何種波形都能準(zhǔn)確的顯示函數(shù)信號發(fā)生器頻率。下面進(jìn)行操作：仿真分為四檔即（9Hz、99Hz、999Hz、9999Hz）5.1第一次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號設(shè)定頻率為9Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(jié)果如圖5-1所示：圖5-1第一次仿真結(jié)果5.2第二次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號設(shè)定頻率為99Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(jié)果如圖5-2所示：圖5-2第二次仿真結(jié)果5.3第三次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號設(shè)定頻率為999Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(jié)果如圖5-3所示：圖5-3第三次仿真5.4第四次仿真：將設(shè)定的函數(shù)信號設(shè)定頻率為9999Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(jié)果如圖5-4所示：圖5-4第四次仿真從以上四次仿真可以看出每次仿真都能精確的顯示已經(jīng)設(shè)定好的函數(shù)信號發(fā)生器的頻率。說明實(shí)驗(yàn)的測試、仿真成功。6課程設(shè)計(jì)總結(jié)課程的課程設(shè)計(jì)實(shí)際是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程后進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練。其目的在于加深對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論和基本知識的理解，掌握運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)合理論知識設(shè)計(jì)一些簡單的基本應(yīng)用電路的方法。雖說整個(gè)課設(shè)過程很辛苦，可是我們從中找到了樂趣、接觸了實(shí)踐，以前不是特別明白的地方也通過實(shí)踐弄懂了?？偟膩碚f這次課程設(shè)計(jì)使我們感受到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的及其重要意義。不但使我對所掌握的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識有了更深刻的認(rèn)識，還提高了我的動(dòng)手查閱資料的能力而且還鍛煉了自己的獨(dú)立思考能力。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料為我們設(shè)計(jì)的成功打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)簡潔、易懂、不超出我們的能力*圍的內(nèi)容不涉及，一些想法在我們沒設(shè)計(jì)此電路之前就已經(jīng)有拉考慮，但是做完之后發(fā)現(xiàn)我們當(dāng)前考慮的還是有所欠缺，做為一名剛學(xué)習(xí)完《數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)》的我們來說有一定的難度，但是這對于我們掌握理解學(xué)習(xí)過的知識有很大的幫助，對于思維、邏輯及其理論知識的運(yùn)用等多方面有了更加進(jìn)一步的掌握。在做課設(shè)的過程中我們查閱了很多的參考書即相關(guān)資料通過參考及運(yùn)用自己所掌握的知識完成了此次的設(shè)計(jì)。7致謝感謝姚光順的指導(dǎo)和幾個(gè)組員的積極配合，才有此次課程設(shè)計(jì)的成功。在這里我也感謝所有給予我們關(guān)心幫助的老師，希望以后有更多的機(jī)會來鍛煉自己的綜合素質(zhì)，為