基于Multisim的數字頻率計

1、天津商業(yè)大學2008屆本科電子技術課程設計數字頻率計的設計姓 名： 張璐 系 別： 自動化系 專 業(yè)： 自動化 學 號： 20083331 指導教師： 侯淑萍 2010年12月 9日數字頻率計的設計1 設計任務與要求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）測量信號的頻率范圍為1HZ9999KHZ，分辨率為1HZ；3）測量結果直接用十進制數值，通過四個數碼管顯示；4）可手動測量，手動清零；5）具有高精度、迅速測量、讀數方便等優(yōu)點。1.2 擴展功能1）具有不同可測頻率范圍的多個檔位；2）有超量程警告，當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 設計原理脈沖

2、信號的頻率就是在單位時間(1s)里產生的脈沖個數，若在一定時間間隔tw內測得這個周期信號的重復變化次數為N，則其頻率可表示為： f=N/T （1）數字頻率計的總體框圖如圖1所示：整形電路被測正弦、三角波信號計數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)器構成的閘門電路，可控的計數系統(tǒng)、鎖存譯碼顯示電路、超量程報警系統(tǒng)。經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）經過整形電路，變成峰值為35V(與TTL兼容)的方波信號Vx，送入計數器的時鐘脈沖端。當門控信號到來后，閘門電路開啟，時間

3、為T1，計數器實現計數功能，T1時間過后閘門關閉，計數停止，鎖存器使能端置零，計數結果被鎖存，通過數碼管可以方便讀出被測信號頻率。圖2為數字頻率計的波形圖：圖23 電路設計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。2）整形電路如圖3所示：圖3.13）整形電路原理及功能實現：XFG1為Multisim軟件自帶的波形發(fā)生器,能產生不同頻率的，占空比可調的三角波，正弦波和方波，所產生信號可代替被測外界周期信號，方便進行仿真。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

4、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向閾值電壓。正向閾值電壓與負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

5、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：只有當閘門開啟時，計數器才實現技術功能，計數器開啟的時間就是閘門開啟時間。計數結果為外界整形之后得到的方波的負脈沖個數?？梢?，當閘門開啟時間一定時，被測信號頻率可由計數結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：閘門電路是555定時器構成的單穩(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）連入計數器的LOAD端，IO1輸出高電

6、平時，計數器計數。IO2連接到第二個數碼管和第三個數碼管之間的指示燈上，IO3連接到第三個數碼管和第和個數碼管之間的指示燈上。選擇對應對應檔位，該指示等亮，表示對應的小數點顯示。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。 當圖中J1閉合，觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（

7、Vi<Vcc/3）,電路的輸出狀態(tài)由低電平跳為高電平，電路進入暫穩(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由高電平翻轉為低電平，同時T導通，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=RC1In31.1RC （2） 在電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間內，加入新的觸發(fā)脈沖， 該脈沖不起作用，電路為不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。令C1=10 nF，由公式（2）可知，R取不同的值時，數字頻率計所測信號頻率范圍不同，分辨率也不同。當只有J2閉合，選擇R5=91.2MOhm的檔，tw=R5C

8、1In31s，f=N/1,顯示數值為所測信號頻率，單位為HZ，可測頻率范圍1HZ9999HZ，分辨率1HZ；當只有J3閉合，選擇R4=9.12MOhm的檔，tw=R4C1In30.1s，f N/0.1=10N，IO2連入的指示燈亮，顯示數值（帶小數點）為所測信號頻率，單位為KHZ，可測頻率范圍10HZ99.99KHZ，分辨率10HZ；當只有J4閉合，選擇R3=912kOhm的檔，tw=R3C1In30.01s，f=N/0.01=100N, IO3連入的指示燈亮，顯示數值（帶小數點）為所測信號頻率，單位為KHZ，可測頻率范圍100HZ999.9KHZ，分辨率100HZ；當只有J5閉合，選擇R1=

9、9.12kOhm的檔，tw=R1C1In31ms，f N/0.001=1000N,顯示數值為所測信號頻率的，單位為KHZ，可測頻率范圍1KHZ9999KHZ，分辨率1KHZ;總結：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，為達到測量迅速的目的，在設計中我們選擇設定閘門時間都在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

10、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計數電路1) 計數電路的功能：脈沖信號進入十進制計數器，在閘門時間T1=tw內,累計信號脈沖個數N=T×f，計數器通過對脈沖信號計數，可直接或間接測出周期信號的頻率。2）計數電路如圖3.3所示：圖3.33）計數電路原理及功能實現：計數電路所選芯片為74LS160，該芯片為可預置的十進制同步計數器。其真值表如表2所示：表274LS160 的清除端是異步的。當清除端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 的預置是同步的。當置入控制器

11、LOAD為低電平時，在CP 上升沿作用下，輸出端QAQD 與數據輸入端AD一致；160 的計數是同步的，靠CLK 同時加在四個觸發(fā)器上而實現的。當CEP、CET 均為高電平時，在CP 上升沿作用下QAQD同時變化，從而消除了異步計數器中出現的計數尖峰。74LS160 有超前進位功能。當計數溢出時，進位輸出端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，可級聯成N 位同步計數器。只要將低位的進位端RCO與高位的CLK端相連接即可。這里我們將四個74LS160級聯成4位同步十進制計數器。整個計數電路的輸入端IO1（第一個74LS160的LOAD端）與閘門電路的輸出端

12、連接，閘門打開，計數器開始計數。閘門關閉，計數器停止計數。IO2為最高位的進位端，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：當計數完成，即閘門關閉時，通過鎖存電路將計數結果鎖存，計數結果（為十進制，讀數方便）通過四個十六進制數碼管顯示，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，整個設計中要用到4個該子電路，分別對計數器電路的四位數字進行鎖存。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：鎖存電路由四個D鎖存器構成，D鎖存器是電平觸發(fā)的存儲單元。數據存儲的動作取決

13、于使能信號的電平值，僅當存儲器處于使能狀態(tài)時，輸出才會隨著數據輸入發(fā)生變化。在不鎖存數據時，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，數據被鎖住，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分別與計數器的QAQD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，閘門關閉后，鎖存信號起鎖存作用，數據被鎖住，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

14、頻率范圍未知的情況下，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行報警，并且通過信號燈進行顯示，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：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器的進位端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。當閘門仍然處于開啟狀態(tài)，計數至9999，即四個計數器進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 整機電路整機電路圖如圖3.5所示

15、：圖3.5注：為了節(jié)約空間，整機電路圖中計數電路的擺放與圖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主要依靠開關J6，當開關閉合時，計數電路和閘門電路正常工作，當開關打開時，計數電路與閘門電路均無外電源供應，起到手動清零的作用。清零后將開關再次閉合，可以進行下次測量。測量完成狀態(tài)由顯示燈X4顯示。測量完成即閘門關閉時，閘門電路輸出低電平，經過一個非門后變?yōu)楦唠娖剑藭r指示燈X4亮，表示測量完成。3.8 仿真結果在Multisim軟件里，按下仿真鍵，將開關J6閉合，依次選擇1HZ檔，10HZ檔，100HZ，1KHZ檔，測不同范圍頻

16、率，檢查結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 設計體會一周的電子技術

17、課程設計結束了，在這一周里，在我們組全體成員的努力和合作下，這次課程設計以圓滿告終。這一周的課程設計讓我學到了很多，不僅是鞏固了先前學的模電、數電的理論知識，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計理念。課程設計前期，我們查閱了大量資料，重拾電子技術教材以及相關讀物，對知識進行了系統(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)，我們很快設計出總體框架圖。然而實踐是檢驗真理的唯一標準，有了理論基礎的我們，在實際操作中并非一帆風順。電路連接好以后，我們遇到了很多問題，譬如在設計數字頻率計的超量程報警時，計數到90

18、00它就開始顯示超程；譬如小數點的設置，譬如555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等等。這些問題一度讓我們百思不得其解，但是通過不斷的調試，這些問題最終得到了解決。創(chuàng)新求發(fā)展，雖然網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，雖然我們的設計已經基本完成，也得到了指導老師的肯定，但是我們仍然追求完美。有時候我們整天都在宿舍進行仿真調試，就為了精度能夠更高，讀數能夠更加方便，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，例如為了驗證超量程報警是否可行，計數器要計數到9999，這個過程甚至可以長達半個小時之久。我們耐心和執(zhí)著的態(tài)度，使得我們的設計成果一點點得到改進。我們也從中不斷領悟，不斷獲取。這一周的課程設計讓我學到了很多，不僅是鞏固了先前學的模電、數電的理論知識，而且也培養(yǎng)了我的動手能力，團隊合作能力，磨煉了我的毅力，更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展。 參考資料1 曾龍坤. 簡易數字頻率計J. 集成電路應用, 1991, (06)2 易靈芝,王根平,李衛(wèi)平,彭寒梅. Multisim在電類課程實驗教學中的應用J計量與測試技術, 2009,(05)3 翟紅藝. 計算機仿真實驗教學探討J計算機教育, 2010,(13)4 李