基于Multisim的數(shù)字頻率計

./商業(yè)大學(xué)2008屆本科電子技術(shù)課程設(shè)計數(shù)字頻率計的設(shè)計姓名：璐系別：自動化系專業(yè)：自動化學(xué)號：20083331指導(dǎo)教師：侯淑萍20XX12月9日.數(shù)字頻率計的設(shè)計1設(shè)計任務(wù)與要求1.1基本功能1能夠測量正弦波、方波、三角波等交流信號的頻率；2測量信號的頻率圍為1HZ~9999KHZ,分辨率為1HZ；3測量結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)值,通過四個數(shù)碼管顯示；4可手動測量,手動清零；5具有高精度、迅速測量、讀數(shù)方便等優(yōu)點。1.2擴(kuò)展功能1具有不同可測頻率圍的多個檔位；2有超量程警告,當(dāng)測量信號頻率超過所選檔位的量程時,頻率計發(fā)出警報。2設(shè)計原理脈沖信號的頻率就是在單位時間<1s>里產(chǎn)生的脈沖個數(shù),若在一定時間間隔tw測得這個周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N,則其頻率可表示為：f=N/T〔1數(shù)字頻率計的總體框圖如圖1所示：整形電路整形電路被測正弦、三角波信號計數(shù)器閘門電路被測方波信號鎖存電路顯示電路1s0.1s0.01s1msT1超量程報警Vx圖1數(shù)字頻率計由四大基本電路組成：整形系統(tǒng),單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的閘門電路,可控的計數(shù)系統(tǒng)、鎖存譯碼顯示電路、超量程報警系統(tǒng)。經(jīng)過放大衰減后的被測信號〔包括正弦波,三角波,方波等周期信號經(jīng)過整形電路,變成峰值為3~5V<與TTL兼容>的方波信號Vx,送入計數(shù)器的時鐘脈沖端。當(dāng)門控信號到來后,閘門電路開啟,時間為T1,計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)功能,T1時間過后閘門關(guān)閉,計數(shù)停止,鎖存器使能端置零,計數(shù)結(jié)果被鎖存,通過數(shù)碼管可以方便讀出被測信號頻率。圖2為數(shù)字頻率計的波形圖：圖23電路設(shè)計3.1整形電路1搶答電路的功能：將被測信號整形成方波,方便計數(shù)。2整形電路如圖3所示：圖3.13整形電路原理及功能實現(xiàn)：XFG1為Multisim軟件自帶的波形發(fā)生器,能產(chǎn)生不同頻率的,占空比可調(diào)的三角波,正弦波和方波,所產(chǎn)生信號可代替被測外界周期信號,方便進(jìn)行仿真。74LS14D為有施密特觸發(fā)器的六反相器,作用是將三角波或正弦波整形成方波,這里我們只用其中一個就行。施密特反相器功能表如表1所示：表1其核心部分為施密特電路。施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài),但與一般觸發(fā)器不同的是,施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式,其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號,施密特觸發(fā)器有兩個不同的閥值電壓。分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓,在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用,可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+,即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。4整形電路的輸入輸出波形：圖3.11圖3.12圖3.11圖3.12分別為輸入信號分別為正弦波和三角波時整形電路的波形圖。3.2閘門電路1閘門電路功能：只有當(dāng)閘門開啟時,計數(shù)器才實現(xiàn)技術(shù)功能,計數(shù)器開啟的時間就是閘門開啟時間。計數(shù)結(jié)果為外界整形之后得到的方波的負(fù)脈沖個數(shù)。可見,當(dāng)閘門開啟時間一定時,被測信號頻率可由計數(shù)結(jié)果與閘門開啟時間相除求得。2閘門電路圖如3.2所示：圖3.23閘門電路原理及功能實現(xiàn)：閘門電路是555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,輸入端為TRI端,閉合J1,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)。輸出端OUT〔IO1連入計數(shù)器的LOAD端,IO1輸出高電平時,計數(shù)器計數(shù)。IO2連接到第二個數(shù)碼管和第三個數(shù)碼管之間的指示燈上,IO3連接到第三個數(shù)碼管和第和個數(shù)碼管之間的指示燈上。選擇對應(yīng)對應(yīng)檔位,該指示等亮,表示對應(yīng)的小數(shù)點顯示。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點如下：1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài),一個暫穩(wěn)態(tài)。2.在外加脈沖的作用下,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個暫穩(wěn)態(tài)。3.由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用,該暫態(tài)維持一段時間又回到原來的穩(wěn)態(tài),暫穩(wěn)態(tài)維持的時間取決于RC的參數(shù)值。沒有觸發(fā)信號時,即J1為斷開狀態(tài),Vi<TRI端>處于高電平,接通電源后,Vo=0,電路只有一種穩(wěn)態(tài),Vo保持低電平不變。當(dāng)圖中J1閉合,觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號〔Vi<Vcc/3,電路的輸出狀態(tài)由低電平跳為高電平,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),放電三極管T截止,此后電容C1充電至Vc=2Vcc/3時,電路的輸出電壓Vo由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平,同時T導(dǎo)通,于是電容C1放電,電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略T的飽和壓降,則Vc從0電平升到2Vcc/3的時間,即為輸出電壓Vo的脈寬twtw=RC1In3≈1.1RC〔2在電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間,加入新的觸發(fā)脈沖,該脈沖不起作用,電路為不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。令C1=10nF,由公式〔2可知,R取不同的值時,數(shù)字頻率計所測信號頻率圍不同,分辨率也不同。當(dāng)只有J2閉合,選擇R5=91.2MOhm的檔,tw=R5C1In3≈1s,f=N/1,顯示數(shù)值為所測信號頻率,單位為HZ,可測頻率圍1HZ~9999HZ,分辨率1HZ；當(dāng)只有J3閉合,選擇R4=9.12MOhm的檔,tw=R4C1In3≈0.1s,fN/0.1=10N,IO2連入的指示燈亮,顯示數(shù)值〔帶小數(shù)點為所測信號頻率,單位為KHZ,可測頻率圍10HZ~99.99KHZ,分辨率10HZ；當(dāng)只有J4閉合,選擇R3=912kOhm的檔,tw=R3C1In3≈0.01s,f=N/0.01=100N,IO3連入的指示燈亮,顯示數(shù)值〔帶小數(shù)點為所測信號頻率,單位為KHZ,可測頻率圍100HZ~999.9KHZ,分辨率100HZ；當(dāng)只有J5閉合,選擇R1=9.12kOhm的檔,tw=R1C1In3≈1ms,fN/0.001=1000N,顯示數(shù)值為所測信號頻率的,單位為KHZ,可測頻率圍1KHZ~9999KHZ,分辨率1KHZ;總結(jié)：閘門時間選擇將得到不同的分辨力,閘門時間越長,分辨力越高,但速度降低,為達(dá)到測量迅速的目的,在設(shè)計中我們選擇設(shè)定閘門時間都在1s及以下的檔。4>閘門電路輸入輸出波形：下圖為分別選擇分辨率為1HZ〔圖3.21、10HZ〔圖3.22、100HZ〔圖3.23、1KHZ〔圖3.24的檔位,閘門電路輸入輸出的波形圖,其中tw=T2-T1.由圖可知,當(dāng)施密特觸發(fā)器觸發(fā)輸入端輸入一個觸發(fā)信號〔下降沿時,其輸出端輸出一個時間為tw的高電平,tw分別約等于1s,100ms,10ms,1ms.圖3.21圖3.22圖3.23圖3.243.3計數(shù)電路1>計數(shù)電路的功能：脈沖信號進(jìn)入十進(jìn)制計數(shù)器,在閘門時間T1=tw,累計信號脈沖個數(shù)N=T×f,計數(shù)器通過對脈沖信號計數(shù),可直接或間接測出周期信號的頻率。2計數(shù)電路如圖3.3所示：圖3.33計數(shù)電路原理及功能實現(xiàn)：計數(shù)電路所選芯片為74LS160,該芯片為可預(yù)置的十進(jìn)制同步計數(shù)器。其真值表如表2所示：表274LS160的清除端是異步的。當(dāng)清除端CLR為低電平時,不管時鐘端CLK狀態(tài)如何,即可完成清除功能；74LS160的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器LOAD為低電平時,在CP上升沿作用下,輸出端QA－QD與數(shù)據(jù)輸入端A－D一致；160的計數(shù)是同步的,靠CLK同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當(dāng)CEP、CET均為高電平時,在CP上升沿作用下QA－QD同時變化,從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。74LS160有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計數(shù)溢出時,進(jìn)位輸出端RCO輸出一個高電平脈沖,其寬度為Q0的高電平部分。在不外加門電路的情況下,可級聯(lián)成N位同步計數(shù)器。只要將低位的進(jìn)位端RCO與高位的CLK端相連接即可。這里我們將四個74LS160級聯(lián)成4位同步十進(jìn)制計數(shù)器。整個計數(shù)電路的輸入端IO1〔第一個74LS160的LOAD端與閘門電路的輸出端連接,閘門打開,計數(shù)器開始計數(shù)。閘門關(guān)閉,計數(shù)器停止計數(shù)。IO2為最高位的進(jìn)位端,在之后的超量程報警中用到。3.4鎖存顯示電路1鎖存顯示電路功能：當(dāng)計數(shù)完成,即閘門關(guān)閉時,通過鎖存電路將計數(shù)結(jié)果鎖存,計數(shù)結(jié)果〔為十進(jìn)制,讀數(shù)方便通過四個十六進(jìn)制數(shù)碼管顯示,不需要通過譯碼,大大的簡化了電路。2鎖存顯示電路圖如圖3.4所示,圖3.4注：圖3.4中LOCK1為整體電路的子電路形式,整個設(shè)計中要用到4個該子電路,分別對計數(shù)器電路的四位數(shù)字進(jìn)行鎖存。圖3.41為該子電路的原理圖：圖3.413鎖存顯示電路原理及功能實現(xiàn)：鎖存電路由四個D鎖存器構(gòu)成,D鎖存器是電平觸發(fā)的存儲單元。數(shù)據(jù)存儲的動作取決于使能信號的電平值,僅當(dāng)存儲器處于使能狀態(tài)時,輸出才會隨著數(shù)據(jù)輸入發(fā)生變化。在不鎖存數(shù)據(jù)時,輸出端的信號隨著輸入信號發(fā)生變化,就像信號通過一個緩沖器一樣；一旦鎖存信號起鎖存作用,數(shù)據(jù)被鎖住,輸入信號不起作用。其真值表如表3所示：D鎖存器真值表ENDQ10011100鎖存01鎖存表3四個鎖存器的輸入端D分別與計數(shù)器的QA~QD相連,輸出端Q分別與后面的顯示電路相連。4個D鎖存器的EN端都連接到閘門電路的輸出端,當(dāng)閘門打開時,輸出端的信號隨著輸入信號發(fā)生變化,不起鎖存作用,閘門關(guān)閉后,鎖存信號起鎖存作用,數(shù)據(jù)被鎖住,輸入信號不起作用。3.5超量程報警顯示電路1超量程報警顯示電路功能：在被測信號頻率圍未知的情況下,如果選擇了不合適的檔位,特別是量程小于被測頻率的檔,此時不能正確測量信號頻率。超量程報警顯示電路在超量程測量時會進(jìn)行報警,并且通過信號燈進(jìn)行顯示,提醒用戶更換更高量程的檔位。2超量程報警顯示電路如圖3.5所示：圖3.53超量程報警顯示電路原理及功能實現(xiàn)：如圖可知,5輸入與門的5個輸入端,其中四個分別與個十百千位計數(shù)器的進(jìn)位端RCO連接,剩下的一個與閘門電路的輸出端連接。輸出端連接到一個指示燈以及蜂鳴器的一端。當(dāng)閘門仍然處于開啟狀態(tài),計數(shù)至9999,即四個計數(shù)器進(jìn)位端都處于高電平時,與門輸出高電平,指示燈亮,且蜂鳴器發(fā)出報警聲音。3.6整機(jī)電路整機(jī)電路圖如圖3.5所示：圖3.5注：為了節(jié)約空間,整機(jī)電路圖中計數(shù)電路的擺放與圖3.3不同,但連線完全一樣。3.7其余功能的實現(xiàn)主要為手動清零功能以及測量完成顯示功能。手動清零功能的實現(xiàn)主要依靠開關(guān)J6,當(dāng)開關(guān)閉合時,計數(shù)電路和閘門電路正常工作,當(dāng)開關(guān)打開時,計數(shù)電路與閘門電路均無外電源供應(yīng),起到手動清零的作用。清零后將開關(guān)再次閉合,可以進(jìn)行下次測量。測量完成狀態(tài)由顯示燈X4顯示。測量完成即閘門關(guān)閉時,閘門電路輸出低電平,經(jīng)過一個非門后變?yōu)楦唠娖?此時指示燈X4亮,表示測量完成。3.8仿真結(jié)果在Multisim軟件里,按下仿真鍵,將開關(guān)J6閉合,依次選擇1HZ檔,10HZ檔,100HZ,1KHZ檔,測不同圍頻率,檢查結(jié)果是否與理論值相符合。外界被測信號由軟件自帶的波形發(fā)生器生成,可設(shè)置任意頻率值。下面分別為用1HZ檔測頻率為1001HZ的信號<如圖4.1>,10HZ檔測頻率為11.03kHZ的信號<如圖4.2>,100HZ檔測頻率為111.1kHZ的信號<如圖4.3>,1kHZ檔測頻率為1001kHZ的信號<如圖4.4>所得的仿真結(jié)果。圖4.1圖4.2圖4.3圖4.4仿真所測值與理論值大致相等。HZ檔誤差為±1HZ,10HZ檔誤差為±10HZ,100HZ檔誤差為±100HZ,1kHZ檔誤差為±1kHZ。測量完成后,X4指示燈亮。4設(shè)計體會一周的電子技術(shù)課程設(shè)計結(jié)束了,在這一周里,在我們組全體成員的努力和合作下,這次課程設(shè)計以圓滿告終。這一周的課程設(shè)計讓我學(xué)到了很多,不僅是鞏固了先前學(xué)的模電、數(shù)電的理論知識,而且也培養(yǎng)了我的動手能力,更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展。只有擁有扎實的理論知識才能形成設(shè)計理念。課程設(shè)計前期,我們查閱了大量資料,重拾電子技術(shù)教材以及相關(guān)讀物,對知識進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的梳理。溫故而知新,對理論知識有了全面的掌握后,我們整理出思路,靈感一觸即發(fā),我們很快設(shè)計出總體框架圖。然而實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),有了理論基礎(chǔ)的我們,在實際操作中并非一帆風(fēng)順。電路連接好以后,我們遇到了很多問題,譬如在設(shè)計數(shù)字頻率計的超量程報警時,計數(shù)到9000它就開始顯示超程；譬如小數(shù)點的設(shè)置,譬如555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等等。這些問題一度讓我們百思不得其解,但是通過不斷的調(diào)試,這些問題最終得到了解決。創(chuàng)新求發(fā)展,雖然網(wǎng)上不乏可借鑒的資料,這些資料能打開我們的思路,給我們靈感,但是我們每一步的設(shè)計都是通過自己思考,加入我們自己的創(chuàng)新思維。有則改之無則加勉,雖然我們的設(shè)計已經(jīng)基本完成,也得到了指導(dǎo)老師的肯定,但是我們?nèi)匀蛔非笸昝馈Ｓ袝r候我們整天都在宿舍進(jìn)行仿真調(diào)試,就為了精度能夠更高,讀數(shù)能夠更加方便,操作使用更加人性化甚至電路看上去更整潔清晰。仿真的過程有時候很緩慢