數(shù)字顯示頻率計的設(shè)計

數(shù)字顯示頻率計的設(shè)計第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五數(shù)字顯示頻率計的研制過程二、設(shè)計步驟——選擇可行的方案，進行單元電路設(shè)計三、安裝(下載)調(diào)試——先進行單元電路的調(diào)試，然后進行產(chǎn)品的調(diào)試。四、總結(jié)整理——實驗總結(jié)報告一、設(shè)計要求——確定產(chǎn)品的性能指標第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五一、設(shè)計要求用PLD器件ispLSI1016及4只7段動態(tài)顯示數(shù)碼管（一只用于量程顯示）設(shè)計一只數(shù)字頻率計，要求：測頻范圍10.0Hz～9.99KHz；測量誤差小于等于1%。響應(yīng)時間不大于15秒。具有超量程顯示功能。頻率計分成三個頻段進行設(shè)計：序號頻率范圍顯示110.0Hz～99.9Hz2100Hz～999Hz31.00KHz～9.99KHz第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五二、設(shè)計步驟設(shè)計一個具有異步清零、計數(shù)/保持功能的10×10×10進制加法計數(shù)器。設(shè)計頻率計的控制電路，要求能產(chǎn)生10秒、1秒的閘門用相應(yīng)的清零、鎖存脈沖。設(shè)計頻率計的自動量程轉(zhuǎn)換電路，要求能手動控制頻段轉(zhuǎn)換，超量程顯示。將上述設(shè)計構(gòu)成頻率測量電路，并進行測試。設(shè)計12位信號鎖存電路、動態(tài)選通電路、顯示電路、譯碼電路。構(gòu)成一個完整的顯示控制電路，并進行測試。最終實現(xiàn)自動頻段轉(zhuǎn)換的3位數(shù)顯頻率計。第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五四、實驗總結(jié)報告頻率計設(shè)計要求及方案分析。頻率計的整體設(shè)計思想及設(shè)計框圖。提供頻率計單元電路（計數(shù)器、控制電路、自動量程轉(zhuǎn)換電路、顯示選通電路等）的具體設(shè)計說明、源程序及整體設(shè)計電路圖。頻率計設(shè)計的重要調(diào)試過程，遇到具體問題的解決方法。記錄您設(shè)計的頻率計的測頻結(jié)果（高．中．低三頻段），并對測頻精度、響應(yīng)速度及量程轉(zhuǎn)換過程等作出分析。您對擴大本頻率計的功能．提高頻率計的性能有何設(shè)想（要提供設(shè)計思路）？談?wù)動肞LD器件設(shè)計數(shù)字電路的體會，您認為用PLD器件較之用傳統(tǒng)中規(guī)模數(shù)字器件設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)有什么優(yōu)缺點。總結(jié)本次設(shè)計的收獲、存在問題，并對選題、設(shè)計調(diào)試過程中的指導(dǎo)等方面提出您的意見與建議。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五原理框圖(靜態(tài)顯示)計數(shù)器鎖存器譯碼電路&整形控制電路閘門控制信號清零脈沖信號鎖存脈沖信號FX4444448888第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五原理框圖(動態(tài)顯示)

掃描選擇計數(shù)鎖存器顯示電路譯碼電路&整形控制電路與自動量程閘門控制信號清零鎖存信號量程控制信號FX44448第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五電路圖顯示模塊鎖存器計數(shù)器動態(tài)顯示選通鎖存器鎖存器計數(shù)器計數(shù)器自動量程轉(zhuǎn)換譯碼器控制電路分頻器1KHz輸入信號1Hz8Hz顯示選通小數(shù)點溢出第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五電路單元10×10×10進制計數(shù)器控制電路自動量程轉(zhuǎn)換10分頻電路12位鎖存器動態(tài)顯示選通電路顯示電路顯示譯碼電路頻率測量電路動態(tài)顯示電路數(shù)顯頻率計電路第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五10×10×10進制加法計數(shù)器第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五十進制加法計數(shù)器

輸入信號：

CLK－輸入脈沖；

CLR－清零脈沖；

C_H－保持信號（以后稱為：閘門信號）（C_H＝0保持，C_H＝1允許計數(shù)）。

輸出信號：

QQ=Q3,Q2,Q1,Q0=[Q3..Q0]。

邏輯關(guān)系：當C_H＝0時，輸出保持不變。當C_H＝1時，⑴輸出<9，QQ=QQ+1。⑵輸出≥9，QQ=0。第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五要點復(fù)習（一）

賦值運算：⑴不帶時鐘的賦值（組合輸出）運算符（＝）⑵帶時鐘的賦值（寄存輸出）運算符（:＝）

管腳及節(jié)點屬性：⑴組合信號輸出‘COM’（例：apinistype‘com’;）⑵寄存器信號輸出’REG’（例：apinistype‘reg’;）

指示字的使用：

@Dcset（隨意值的設(shè)置）：用隨意條件來幫助優(yōu)化不完全規(guī)定的邏輯函數(shù)。

注意電路圖的層次化

用文件擴展名來了解文件類型

第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五

時序電路中的點擴充命令：.CLK－時鐘輸入（例：QQ.CLK=CLK;QQ的時鐘信號為

CP）.AR－異步寄存器復(fù)位（例：QQ.AR=CLR;QQ的異步復(fù)位信號為CLR）.FB－寄存器反饋（例：QQ:=QQ.FB+1;QQ輸出＋1）.LH－鎖存器的鎖存使能（例：QQ.LH=LOCK;QQ的鎖存使能信號為LOCK）要點復(fù)習（二）

特殊常量：.C.-上升沿時鐘輸入.X.-無關(guān)項注意：特殊常量值用大小寫均可，但是前后兩個“．”不能省略！第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五原理圖中的符號修改：在菜單中選取Edit\Symbol，選取需修改的符號，進入SymbolEditor圖形編輯窗口，根據(jù)需要進行修改。原理圖中的圖符編號修改：在菜單中選取Add\InstanceName，根據(jù)需要進行修改。原理圖中的導(dǎo)線屬性修改：在菜單中選取Add\NetName，根據(jù)需要進行修改。原理圖中的符號屬性修改：在菜單中選取Add\SymbolAttribute，根據(jù)需要進行修改。要點復(fù)習（三）第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五頁面設(shè)置：File\SheetSetup。圖符編輯：Edit\symble。繪圖順序：Symble\Wire\NetName\I/OMaker。文件名與圖符名：一定要有區(qū)別。顯示波形默認為十六進制。希望用二進制或十進制來檢查。每一個功能模塊都要進行測試。標識符對大小寫敏感要點復(fù)習（四）第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五十進制計數(shù)器.abl與.sch第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五十進制計數(shù)器.abv與waveformTEST_VECTORS([CLK,C_H,CLR]->QQ)@REPEAT2{[.C.,0,0]->.X.;}@REPEAT12{[.C.,1,0]->.X.;}@REPEAT2{[.C.,1,1]->.X.;}@REPEAT3{[.C.,0,1]->.X.;}@REPEAT3{[.C.,1,1]->.X.;}第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五10×10×10進制加法計數(shù)器第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五10×10×10計數(shù)器測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([CLK,C_H,CLR]->QQ)@REPEAT2{[.C.,0,0]->.X.;}@REPEAT115{[.C.,1,0]->.X.;}@REPEAT2{[.C.,1,1]->.X.;}@REPEAT5{[.C.,0,1]->.X.;}@REPEAT10{[.C.,1,1]->.X.;}第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五頻率測量原理與方法兩種頻率測量的方法：1.直接測量法即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)。直接測量法適合于高頻信號的頻率測量。2.間接測量法如周期測量法。周期測量法，首先測出被測信號的周期Tx，然后經(jīng)過倒數(shù)運算得到信號頻率Fx=1/Tx。為了保證低頻信號（頻率在幾十Hz以下）的測頻精度，最有效、方便的方法是周期測量法。第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五控制電路的設(shè)計頻率計的設(shè)計關(guān)鍵是控制電路的設(shè)計，控制電路產(chǎn)生頻率測量所需的閘門、清零和鎖存信號。這些信號具有一定的時序關(guān)系。為了保證測量的精確性，在每次閘門信號變?yōu)楦咝盘柷?，必須給計數(shù)器提供一個清零信號。當閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)；當閘門信號為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)。如果閘門寬度為1S，則閘門時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值即為被測信號的頻率；改變閘門寬度可以改變頻率計的量程，閘門寬度越小，頻率計的量程越大。另一種擴大量程的方法為：閘門寬度保持不變，對被測信號先進行分頻，然后再對其測頻。相對來說，后者更加容易實現(xiàn)。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五控制電路原理圖

輸入信號：F1-1Hz信號；F8-8Hz信號；SET-量程選擇控制信號。輸出信號：C_H-閘門信號；CLR-清零信號；LOCK-鎖存信號。

第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五控制電路原理在控制模塊(KZ)中，F(xiàn)8為8Hz的時鐘輸入；F1為1Hz的時鐘輸入。SEL為量程選擇控制端，當SEL=0時，8Hz時鐘進入JSQ15模塊；當SEL=1時，1Hz時鐘進入JSQ15模塊，經(jīng)JSQ15分頻模塊和BMQ編碼模塊后，分別產(chǎn)生閘門時間為1秒和10秒的閘門信號(C_H)，以及相應(yīng)的清零信號(CRL)、鎖存信號(LOCK)；分頻器的分頻數(shù)應(yīng)滿足：最大產(chǎn)生10秒閘門信號，及清零信號、鎖存信號的時間。因此必須大于12分頻，為了可靠起見，選擇15分頻。編碼器根據(jù)SEL信號，產(chǎn)生閘門時間為1秒(F8輸入)或10秒(F1輸入)的閘門信號，清零信號、鎖存信號。以及它們之間的時序關(guān)系。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五控制電路輸出信號閘門信號當閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)，反之計數(shù)器停止計數(shù)。改變閘門寬度可以改變頻率計的量程，閘門寬度越小，頻率計的量程越大。清零信號

為了保證測頻準確，在每次閘門信號開通前必須讓計數(shù)器處在零狀態(tài)，保證計數(shù)器每次都從零開始計數(shù)。鎖存信號為了防止頻率計的顯示隨著計數(shù)值的增加不斷變化，不斷閃爍。在計數(shù)器和顯示、譯碼之間增加一級鎖存電路。第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五閘門信號、清零信號及鎖存信號時序關(guān)系閘門信號清零信號鎖存信號CP脈沖上圖給出了一個典型的由頻率為8Hz的時鐘源產(chǎn)生的閘門信號、清零信號和鎖存信號。其中閘門高電平時間為1秒，清零信號和鎖存信號有效時間各為一個時鐘周期。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五計數(shù)器測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS(CLK->QQ)0->.X.;

@REPEAT15{.C.->.X.;}

第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五編碼器的設(shè)計要點選擇信號，SEL=0,CLK=F8,SEL=1,CLK=F1。當QQ=0時，產(chǎn)生清零信號。當QQ=14時，產(chǎn)生鎖存信號。當SEL＝0，且(0<QQ<9)時，輸出1秒保持信號。當SEL＝1，且0<QQ<11)時，輸出10秒保持信號。第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五編碼器測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([QQ,SEL]->[C_H,CLR,LOCK])@CONSTN=0;

@REPEAT2{@CONSTM=0;

@REPEAT15{[M,N]->.X.;@CONST

M=M+1;};

@CONSTN=N+1;}第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五控制電路測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([SEL,F1,F8]->[C_H,CLR,LOCK])@REPEAT5{@REPEAT4{[0,0,.C.]->.X.;}@REPEAT4{[0,1,.C.]->.X.;}}@REPEAT22{@REPEAT4{[1,0,.C.]->.X.;}

@REPEAT4{[1,1,.C.]->.X.;}}第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五自動量程轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

輸入信號：

CARRY-進位

HIGH-高位全零時等于0LOCK-鎖存輸出信號：

OVER-溢出(在一個閘門時間內(nèi)，當最高位計數(shù)值由9變?yōu)?時，說明計數(shù)溢出，發(fā)出超量程信號。)

S1-閘門(S1=0:產(chǎn)生1秒閘門。S1=1:產(chǎn)生10秒閘門。)S2-分頻(S2=0:對被測信號不分頻。S2=1:被測信號10分頻后再測頻。)第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五分頻信號(S2)與閘門信號(S1)的組合

S2S1=001秒閘門-不分頻，中頻段(100Hz~999Hz)，無小數(shù)點。量程顯示Hz。即：中頻無小數(shù)點。S2S1=0110秒閘門-不分頻，低頻段(10.0Hz~99.9Hz)，個位前小數(shù)點亮。量程顯示Hz。即：低頻個位小數(shù)。S2S1=101秒閘門-10分頻，高頻段(1.00KHz~9.99KHz)，十位前小數(shù)點亮。量程KHz。即：高頻十位小數(shù)。S2S1=1110秒閘門-10分頻=[S2S1=00]。中頻段(100Hz~999Hz)，無小數(shù)點。量程顯示Hz。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五自動量程轉(zhuǎn)換電路如果超量程，且當前SS=10，發(fā)出超量程信號(OVER=1)。否則需要轉(zhuǎn)向更高頻段。即：從低頻段(SS=01)轉(zhuǎn)向中頻段(S2S1=00)，或從中頻段(SS=00)轉(zhuǎn)向高頻段(SS=10)。注：SS＝[S2,S1]如果沒有超量程，⑴計數(shù)器的最高位的4位二進制數(shù)不全為0，說明當前量程設(shè)置合理，頻段SS的值不必變化。⑵計數(shù)器的最高位的4位二進制數(shù)全為0，說明當前量程設(shè)置不合理，必須轉(zhuǎn)向更低頻段。即：從高頻段(SS=10)轉(zhuǎn)向中頻段(SS=00)，或從中頻段(SS=00)轉(zhuǎn)向低頻段(SS=01)。自動量程轉(zhuǎn)換電路必須具有記憶功能，因此，需要使用寄存器變量，寄存器的時鐘來自控制電路的鎖存信號(LOCK)。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五自動量程轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計要點CARRY=0-無進位(最高位<9）HIGH≠0-保持量程不變。HIGH=0、SS=00(中頻)或01(低頻量程)——SS=01(低頻量程)。HIGH=0、SS=10(高頻量程)——SS=00(中頻量程)。HIGH=0、SS=11(中頻量程)——SS=01(低頻量程)。CARRY=1-有進位(最高位=9)SS=01(低頻量程)——SS=00(中頻量程)。SS=00(中頻)或SS=10(高頻量程)——SS=10(高頻量程)。SS=11(中頻量程)——SS=10(轉(zhuǎn)向高頻量程)。注意：HIGH為最高位4位二進制數(shù)的狀態(tài)

當全為0時，HIGH=0；不全為0時，HIGH≠0。第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五自動量程轉(zhuǎn)換電路測試矢量TEST_VECTORS([LOCK,HIGH,CARRY]->[SS,OVER])[0,0,0]->[.X.,.X.];@REPEAT4{[.C.,0,0]->[.X.,.X.];}

@REPEAT

4{[.C.,1,0]->[.X.,.X.];}@REPEAT4{[.C.,0,0]->[.X.,.X.];}

@REPEAT4{[.C.,1,1]->[.X.,.X.];}@REPEAT4{[.C.,0,0]->[.X.,.X.];}

@REPEAT4{[.C.,1,0]->[.X.,.X.];}@REPEAT4{[.C.,1,1]->[.X.,.X.];}

@REPEAT4{[.C.,1,0]->[.X.,.X.];}第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五自動量程轉(zhuǎn)換電路仿真波形第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五十分頻電路的設(shè)計輸入信號：FPKZ-分頻控制FREQX-被測頻率輸入輸出信號：CLK-頻率信號(當分頻控制(FPKZ)為0時，CLK(頻率信號)＝FREQX(被測頻率輸入）；當分頻控制(FPKZ)為1時，CLK(頻率信號)＝FREQX(被測頻率輸入）的十分頻。)

SFP1-十分頻器第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五十分頻電路的設(shè)計要點設(shè)置一組中間節(jié)點：

Q3..Q0NODEISTYPE‘REG’;QQ.CLK=CLK_IN;當QQ>=9時，QQ:=0;

當QQ<9時，QQ:=QQ.FB+1;SFP=Q3&Q0;第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五十分頻電路測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([FREQX,FPKZ]->[CLK])[1,0]->[.X.];@REPEAT5{[.C.,0]->[.X.];}@REPEAT15{[.C.,1]->[.X.];}第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五頻率測量電路第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五頻率測量電路測試矢量TEST_VECTORS([F1,F8,FREQX]->[QQ,OVER])@CONST

m=4;@CONST

n=1;@REPEAT32{@REPEAT

m{

@REPEAT

n{[1,1,.c.]->.x.;}

@REPEAT

n{[1,0,.c.]->.x.;}

}

@REPEAT

m{

@REPEAT

n{[0,1,.c.]->.x.;}

@REPEAT

n{[0,0,.c.]->.x.;} } }第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五頻率測量電路仿真波形第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五二進制鎖存器

輸入信號：

LOCK——鎖存信號

D3..D0——輸入信號

輸出信號：

Q3..Q0——輸出信號二進制鎖存器設(shè)計要點

當LOCK＝1，QQ等于DD。

第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五二進制鎖存器測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([DD,LOCK]->QQ)@CONSTM=0;@REPEAT17{[M,.C.]->.X.;

@CONSTM=M+1;}第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五12位鎖存器

第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五四位二進制鎖存器設(shè)計要點如果計數(shù)器的輸出直接譯碼顯示，則在閘門信號高電平期間，頻率計的顯示隨著計數(shù)值的增加不斷變化、不斷閃爍、人眼難以分辨。為了防止這種現(xiàn)象，在計數(shù)和顯示譯碼之間增加鎖存電路。當計數(shù)器停止計數(shù)后（閘門信號由高變低后），才將計數(shù)值鎖存并譯碼顯示。第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五12位鎖存器測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([DD,LOCK]->[QQ])@CONSTM=0;@REPEAT17{[M,.C.]->[.X.];

@CONSTM=M+20;}第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五動態(tài)顯示選通電路的設(shè)計輸入信號：

CLKD-動態(tài)顯示時鐘信號輸出信號：

XT0、XT1、XT2、XT3-選通信號

(當XT0=0，選通H或K單位數(shù)碼管;

當XT1=0，選通個位數(shù)碼管；當XT2=0，選通十位數(shù)碼管；當XT3=0，選通百位數(shù)碼管。)

設(shè)計要點：設(shè)置一個兩位二進制計數(shù)器，其四種狀態(tài)，分別對應(yīng)XT3..XT0四個選通信號。注：實驗器上動態(tài)數(shù)碼管為共陰極，選通端為低電平有效。第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五動態(tài)顯示選通電路的設(shè)計要點設(shè)置一組中間節(jié)點：Q1,Q0nodeistype'reg';QQ.CLK=CLKD;當QQ>=3，QQ等于0。當QQ<3，QQ等于QQ+1。動態(tài)選通端低電平有效XT3=!(Q1&Q0)——顯示百位。XT2=!(Q1&!Q0)——顯示十位。XT1=!(!Q1&Q0)——顯示個位。XT0=!(!Q1&!Q0)——顯示H或K。第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五動態(tài)顯示選通電路測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([CLKD]->[XT])@REPEAT10{[.C.]->[.X.];}第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五顯示電路的設(shè)計輸入信號：

XT3..XT0－選通信號

S1－閘門信號

S2－分頻信號

A3..A0－個位數(shù)

B3..B0－十位數(shù)

C3..C0－百位數(shù)輸出信號：

D、C、B、A－動態(tài)四位二進制數(shù)

POT－小數(shù)點中間變量：

POT2=1:顯示一位小數(shù)。

POT3=1:顯示二位小數(shù)。

KH=0:顯示H（Hz）。

KH=1:顯示├（KHz)。第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五顯示電路的設(shè)計要點設(shè)置一組中間節(jié)點：

POT3..POT1,KHnodeistype‘com’。當SS=01(低頻)——量程Hz,十位小數(shù)點亮。當SS=00(中頻)——量程Hz,無小數(shù)點。當SS=10(高頻)——量程KHz,百位小數(shù)點亮。當SS=11(中頻)——量程Hz,無小數(shù)點。量程顯示:DD=[D,C,B,A]DD=10，顯示H。DD=11，顯示├。XT0=0且KH=0——顯示H(Hz),不顯示小數(shù)點。XT0=0且KH=1——顯示├(KHz),不顯示小數(shù)點。XT1=0——DD＝個位數(shù)的值，POT=POT1。XT2=0——DD＝十位數(shù)的值，POT=POT2。XT3=0——DD＝百位數(shù)的值，POT=POT3。第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期五顯示電路測試矢量與仿真波形TEST_VECTORS([XT,AA,BB,CC,SS]->[DD,POT])@CONSTM=0;@REPEAT4{[14,5,6,3,M]->[.X.,X.];[13,