課程設(shè)計簡易數(shù)字頻率計數(shù)器

1、課程設(shè)計課程名稱： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號： 年 級： 任課教師： 年 月 日目錄目錄2摘要3abstract4前言51. 技術(shù)指標(biāo)61.1設(shè)計的目的61.2主要技術(shù)指標(biāo)62、整體方案設(shè)計論證72.1、數(shù)字頻率計測頻率的基本原理72.2頻率的測量82.3設(shè)計方案82.3.1測頻法83、 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算103.1邏輯控制電路的設(shè)計103.1.1邏輯電路參數(shù)計算123.2鎖存器及計數(shù)器的設(shè)計123.3閘門電路133.3.1閘門電路參數(shù)計數(shù)133-4脈沖形成電路154、整體電路設(shè)計圖174.1 整體電路設(shè)計圖175、設(shè)計總結(jié)185.1 設(shè)計任務(wù)完成情況185.2心得體會186：

2、參考文獻187、致謝198、附錄20簡易數(shù)字頻率計數(shù)器摘要頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量顯得更為重要。測量頻率的方法有多種，其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。數(shù)字頻率計是直接用十進制數(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、三角波和尖脈沖信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。簡易數(shù)字頻率計的系統(tǒng)主要由輸入整形電路、邏輯控制電路、閘門、門控電路、計數(shù)譯碼顯示電路等組成。關(guān)鍵詞：數(shù)字頻率計 頻率 邏輯門控電路 digital fre

3、quency planabstractfrequency is one of the most basic parameters, and with a lot of electric parameters of the measurement program, the measurement results have a very close relationship, and frequency measurement is even more important. there are several ways of measuring frequency, the electronic

4、counter to measure frequency with high precision, easy to use, rapid measurement, and easy to automate the measurement process, etc., is one of the important means of frequency measurement. the digital frequency meter is the direct use of decimal digits to display the signal frequency of a measuring

5、 device, it can measure not only the sine wave, square wave, triangle wave and spike frequency of the signal, but also to measure their cycle. simple digital frequency meter system mainly consists of input shaping circuit, the logic control circuit, the gate, the gating circuit, counting the decodin

6、g display circuit and other components.keywords:digital frequency meter ,frequency, logic gating circuit前言頻率計是數(shù)字電路中的一個典型應(yīng)用，是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器，頻率測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。設(shè)計所要達到的效果，同時此設(shè)計具有抗干擾性強、易于傳輸 ,較高的測量精度等特點。數(shù)字頻率計是一種基礎(chǔ)測量儀器，在許多情況下，要對信號的頻率進行測量，利用示波器可以粗略測量被測信號的頻率，精確測量則要用到數(shù)字頻率計,測量頻率的方法有多種,其中電子計

7、數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子計數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量, 測量采用了多周期同步測量法，它避免了直接測量法對精度的不足，同時消除了直接與間接相結(jié)合方法，需對被測信號的頻率與中介頻率的關(guān)系進行判斷帶來的不便，能實現(xiàn)較高的等精度頻率和周期的測量。1. 技術(shù)指標(biāo)1.1設(shè)計的目的1.學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計方法，掌握簡易數(shù)字頻率計整體設(shè)計。2.熟練掌握數(shù)字頻率計的設(shè)計與調(diào)試方法。3.熟

8、悉一些常用的集成芯片及其聯(lián)線方式。4.熟練掌握仿真軟件的操作。1.2主要技術(shù)指標(biāo)主要功能要求 4位十進制數(shù)顯示、小數(shù)點自動定位；頻率測量范圍 1hz10khz、10khz100khz、100k hz1mhz；頻率準確度 -3；被測信號幅度vxm=0.2v5v（正弦波、方波、三角波）2、整體方案設(shè)計論證2.1、數(shù)字頻率計測頻率的基本原理數(shù)字頻率數(shù)字頻率計是直接用十進制數(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、三角波和尖脈沖信號的頻率，而且還可以測量它們的周期。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)測的這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為n，則其頻

9、率可以表示為 f=n/t數(shù)字頻率計測頻率的原理如圖2-1譯碼顯示器鎖存器計數(shù)器閘門電路器時基電路放大整形電路邏輯控制電路x鎖存計數(shù)清“0”txn圖2.1簡易數(shù)字頻率計的組成框圖和波形圖2.2頻率的測量頻率測量：測量頻率的原理框圖如圖2-1.測量頻率共有3個檔位。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號有555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標(biāo)準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達到了測量頻率的目的。2.3設(shè)計方案測量頻率的基本方法有兩種：計數(shù)法和

10、計時法，或稱測頻法和測周期法。 2.3.1測頻法測頻法是將被測信號通過一個定時閘門加到計數(shù)器進行計數(shù)的方法，如果閘門打開的時間為t，計數(shù)器得到的計數(shù)值為n1，則被測頻率為f=n1/t。改變時間t，則可改變測量頻率范圍。如圖2-2所示。設(shè)在t期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值應(yīng)為n,根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)特性可知，n1的絕對誤差是n1=n+1,n1的相對誤差為n1=(n1-n)/n=1/n。由n1的相對誤差可知，n的數(shù)值愈大，相對誤差愈小，成反比關(guān)系。圖2.3.1測頻法測量原理計數(shù)值n1t被測信號標(biāo)準閘門 因此，在f以確定的條件下，為減少n的相對誤差，可通過增大t的方法來降低測量誤差。當(dāng)t為某確定值時（通常取1

11、s），則有f1=n1,而f=n，故有f1的相對誤差： f1=(f1-f)/f=1/f 從上式可知f1的相對誤差與f成反比關(guān)系，即信號頻率越高，誤差越小；測量的過程如圖所示，在tw時間內(nèi)通過計數(shù)器記錄被測信號脈沖的個數(shù)，然后把記錄結(jié)果鎖存，經(jīng)過運算后，送數(shù)碼管顯示，即為所測頻率。，方案二： 測周期法測周期法需要有標(biāo)準信號的頻率fs，這個標(biāo)準信號應(yīng)該取一個頻率適中的高頻信號，在待測信號的一個周期tx內(nèi)，記錄標(biāo)準頻率的周期數(shù)ns，則被測信號的頻率為：fx=fs/ns。圖2.3.2周期測量原理測量測周期法的過程如上圖所示，在待測信號的一個周期tx內(nèi)，記錄標(biāo)準信號周期的個數(shù)，然后把記錄結(jié)果鎖存，經(jīng)過運算

12、后，送數(shù)碼管顯示，即為所測頻率。，比較一二兩種方案： 這兩種測頻率的原理基本一樣，都是通過在給定的時間內(nèi)記錄脈沖的個數(shù)，經(jīng)過一定的運算處理，得出結(jié)果顯示出來。并且這兩種方案的計數(shù)值都會產(chǎn)生誤差，都與計數(shù)器中記錄的數(shù)值nx或ns有關(guān)。但是考慮到用vhdl語言編寫乘除的算法比較困難，并且經(jīng)過乘除運算后所得結(jié)果的誤差較大，因此選用方案一。 方案一得好處是閘門信號直接可以選擇1s的時鐘信號，在這1s時間內(nèi)記錄的被測信號脈沖的個數(shù)，正好就是被測信號的頻率，不再需要進行運算處理。不但減少編程的難度，而且也減小了實驗的誤差。因為側(cè)周期法的標(biāo)準信號是一個高頻信號，在不同的被測信號的脈沖下所造成的誤差有很大的不

13、同。而在1s閘門信號下，記錄的脈沖個數(shù)，對于所有被測信號的產(chǎn)生的誤差基本是一樣。考慮到以上的各因素，我認為方案一是比較理想的選擇。3、 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算3.1邏輯控制電路的設(shè)計圖3.1.1邏輯控制電路根據(jù)圖3-1所示，在標(biāo)準時間信號結(jié)束時所產(chǎn)生的負跳變用來產(chǎn)生鎖存信號（接13管腳），鎖存信號的負跳變又用來產(chǎn)生0信號（接12管腳），它們 的脈沖寬度由本身的參數(shù)所決定。因此這兩脈沖信號可以由兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生。圖3-1中兩芯片為74ls123構(gòu)成。 表3-1 74ls123功能表 輸 入 輸 出 clr a b q 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 圖3.1.2可

14、重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出輸入波形3.1.1邏輯電路參數(shù)計算 由74ls123組成的邏輯控制電路如圖2-33所示。設(shè)鎖存信號iv和清零信號v的脈沖寬度tw相同，tw=0.02s,則由式得： tw=0.45 rextcext=0.02s若取rext=10 k，則 cext=tw/(0.45rext)=4.4uf,取標(biāo)稱值4.7uf。3.2鎖存器及計數(shù)器的設(shè)計 鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時的計數(shù)進行所存，使顯示器上獲得穩(wěn)定的測量值。這時因為計數(shù)器在1s內(nèi)要計成千上萬個輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將通過隨機計數(shù)器的輸入而變化，不便于讀數(shù)。當(dāng)1s的計數(shù)器結(jié)束時，邏輯控制電路發(fā)出鎖存信號，

15、將計數(shù)器此時的值送譯碼顯示器，因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。根據(jù)設(shè)計要求頻率值由4位數(shù)字顯示，則技術(shù)器相應(yīng)地應(yīng)該是10000進制。10000進制計數(shù)器可由4片7seg-mpx1-ca構(gòu)成，即每一片連成十進制，則4片級連構(gòu)成10000進制。鎖存器的作用是將計數(shù)器在1s結(jié)束時所記得的數(shù)進行鎖存，是顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值送譯碼顯示器。選用8位鎖器74ls273可以完成上述功能，當(dāng)時鐘脈沖cp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)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無論d為何值，輸出端q的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變，所以在計數(shù)期間，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器。圖3.

16、2.1鎖存電路和譯碼顯示電路3.3閘門電路閘門電路的作用是控制計數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)標(biāo)準時間信號（1s正脈沖）到來時，閘門開通，被測信號的脈沖通過閘門進入計數(shù)器；標(biāo)準時間脈沖結(jié)束時（為低電平時），閘門關(guān)閉，計數(shù)器無時鐘輸入。3.3.1閘門電路參數(shù)計數(shù)設(shè)標(biāo)準時間為1s時的脈沖是由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器電路產(chǎn)生，若取振蕩器的頻率f=1/()=0.8hz,則振蕩器的輸出波形如圖3.3-2所示，其中 可以計算電阻r1、r2及電容的值，即 t1=0.7(r1+r2)c t2=0.7r2c若電容c=10uf，則 t2/o.7c=36 取 3.3.1閘門電路圖3.3.2閘門電路的波形圖3-4脈沖形成電路

17、脈沖形成電路的作用是將輸入的周期信號如正弦波、三角形波或其他呈周期性變化的波形變換成脈沖波，器周期不變。 圖3.4.1脈沖電路圖圖3.4.2脈沖信號波形圖由于集成定時器555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平v+=2/3vcc，下觸發(fā)電平v-=1/3vcc。回差電平 即 輸入信號的直流電平vox應(yīng)滿足下列關(guān)系 輸入信號的幅度vxm、直流電平vox和回差有關(guān)。一般來說，越小，對輸入信號的要求越小。如果需要減少回差，可以在集成定時器555的控制端co即5腳接入一正源電壓。 4、整體電路設(shè)計圖4.1 整體電路設(shè)計圖由已設(shè)計好：邏輯控制電路圖、鎖存器計數(shù)器電路、脈沖形成電路圖、閘門電路圖等局部電路圖聯(lián)線并

18、得到圖4.1.1所示。圖4.1.1整體電路圖5、設(shè)計總結(jié)5.1 設(shè)計任務(wù)完成情況通過為期兩周的課程設(shè)計，完成了本次設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，剛開始設(shè)計的時候，大腦一頭霧水，不知所措。在牛老師的指導(dǎo)講解下并通過查閱相關(guān)資料對本次課程設(shè)計有所領(lǐng)悟。在設(shè)計中所遇到困難有很多。如對仿真軟件還不能熟練使用，以至于開始時設(shè)計進度較慢。另外對控制電路這部分比較難搞定，所以在連接電路的時候，就會停下來設(shè)計控制電路，為了提高效率，在實際的操作中，先連好時基電路，分頻電路測試通過后，再把顯示電路和計數(shù)電路連好，調(diào)測符合要求。最后搞定控制電路的連接。它所實現(xiàn)的功能就是可以測被測信號的頻率，周期和脈寬。在調(diào)測的過程中發(fā)現(xiàn)測量頻率時，檔位在1hz999hz，最終得到的結(jié)果的誤差稍微大了點，其他的測量結(jié)果非常接近測量值。5.2心得體會通過課程設(shè)計讓我們加深了對電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的理解和在課堂所遇到一些疑惑得到了簡答。同時也體味到設(shè)計電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的失敗的苦楚與運行成功的喜悅。設(shè)計是我們將來必需的技能，這次課程設(shè)計恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識的機會，從到圖書館和