數(shù)電課程設(shè)計報告-數(shù)字頻率計

數(shù)電課設(shè)——頻率計實用文檔數(shù)電課程設(shè)計報告題目：頻率計目錄第一章設(shè)計指標(biāo)………………………21.1設(shè)計指標(biāo)……………2第二章系統(tǒng)概述………………………32.1設(shè)計思想……………32.2可行性論證…………32.3各功能的組成………………………32.4總體工作過程………………………3單元電路設(shè)計與分析…………53.1各單元電路的選擇…………………53.2設(shè)計及工作原理分析………………5第四章電路的組構(gòu)與調(diào)試……………124.1遇到的主要問題……………………124.2現(xiàn)象記錄及原因分析………………1214.3解決措施及效果…………………124.4功能的測試方法、步驟、設(shè)備、記錄的數(shù)據(jù)……12第五章結(jié)束語…………155.1對設(shè)計題目的結(jié)論性意見及進(jìn)一步改進(jìn)的意向…………………155.2總結(jié)設(shè)計的收獲與體會……………15附圖（電路圖、電路總圖）……………16參考文獻(xiàn)…………………18第一章:設(shè)計指標(biāo)設(shè)計指標(biāo)：要求設(shè)計一個測量TTL方波信號頻率的數(shù)字系統(tǒng)。用按鍵選擇測量信號的頻率。測試值采用4個LED七段數(shù)碼管顯示，并以發(fā)光二極管只是測量對象（頻率）的單位：Hz、kHz。頻率的測量范圍有四檔量程。測量結(jié)果顯示4位有效數(shù)字，測量精度為萬分之一。頻率測量范圍：100.1Hz——999.9kHz，分四檔。第一檔：100.1Hz——999.9kHz第二檔：1.000Hz——9.999kHz第三檔：10.00kHz——99.99kHz第四檔：100.0kHz——999.9kHz量程切換可以采用兩個按鍵或由電路控制自動切換。設(shè)計一個周期性方波產(chǎn)生電路頻率計調(diào)試所需的信號。輸出信號的頻率范圍與測量范圍相同，分為四個量程。再設(shè)置四個按鍵在每檔范圍內(nèi)選擇4為有效數(shù)字的9~16個固定頻率，最高位數(shù)值必須分布為1~9，信號占空比可以任意。第二章：系統(tǒng)概述2.1設(shè)計思想所謂周期性信號頻率，是指信號在1s時間內(nèi)的周期數(shù)。所以，通過記錄信號在1s內(nèi)的周期數(shù)即可確定其頻率。2.2可行性論證針對上述設(shè)計思想，可采用計數(shù)器來實現(xiàn)記錄周期數(shù)的功能；采用時基信號產(chǎn)生計數(shù)時間作為采樣時間；要通過數(shù)碼管顯示結(jié)果，考慮如果計數(shù)器直接將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)碼管顯示，則會出現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)不斷變化，累計增加的情況，例如，一信號的頻率為100Hz，計數(shù)器則會從1一直計數(shù)，數(shù)碼管會在每秒內(nèi)變化100次，所以采用寄存器或鎖存器，在每個時間信號內(nèi)，給予一個高電平使能有效，將計數(shù)器的數(shù)值鎖存到寄存器或者鎖存器。同時考慮到，如果這樣，每次鎖存的數(shù)據(jù)會比上次增加一個基數(shù)，因為計數(shù)器的連續(xù)計數(shù)累積計數(shù)，所以要對每次鎖存后立即清零，讓計數(shù)器從零開始計數(shù)。對于數(shù)碼管顯示電路，可采用四位動態(tài)掃描顯示電路。2.3各功能的組成功能主要分為：產(chǎn)生系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘的石英晶體振蕩器及多幾分頻電路此功能通過10倍率分頻器將10MHz的基準(zhǔn)時鐘進(jìn)行分頻，再通過數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)時鐘基準(zhǔn)時間的選擇。量程切換控制單元通過開關(guān)、數(shù)據(jù)選擇器來控制時鐘基準(zhǔn)時間及小數(shù)點位置和測量單位來達(dá)到切換量程的功能。計數(shù)、鎖存、譯碼顯示單元計數(shù)器、鎖存器和4位7段數(shù)碼管顯示電路實現(xiàn)該功能?？刂菩盘枺ㄓ嫈?shù)器清零、顯示鎖存等）產(chǎn)生單元采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，以時鐘基準(zhǔn)時間作為觸發(fā)信號，來產(chǎn)生鎖存、清零的觸發(fā)信號，對計數(shù)器和鎖存器進(jìn)行控制。調(diào)試信號的產(chǎn)生于選擇通過分頻器、開關(guān)控制數(shù)據(jù)選擇器完成調(diào)試信號的選擇功能。2.4總體工作過程工作過程：晶體振蕩器產(chǎn)生10MHz的基準(zhǔn)時鐘通過10倍率分頻器和可控分頻器分別產(chǎn)生時基測量時間和調(diào)試信號；通過量程控制選擇開關(guān)選擇量程（包括時基時間、小數(shù)點位置控制、測量單位控制）和測量選擇控制輸入調(diào)試信號或者是實際待測信號；時基信號脈沖控制數(shù)字單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路產(chǎn)生清零（CR）和鎖存（LD）脈沖信號控制計數(shù)器的清零和鎖存器的鎖存；鎖存器將數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管譯碼顯示，通過控制發(fā)光二極管來顯示單位Hz和kHz。第三章單元電路設(shè)計與分析3.1各單元電路的選擇計數(shù)器的器件選擇：選用四個7490構(gòu)造四個8421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)器，將其串行級聯(lián)構(gòu)成16位二進(jìn)制碼表示的模值為10000的計數(shù)器。鎖存器的器件選擇：選用兩片74377構(gòu)造16位二進(jìn)制碼的鎖存器。分頻器的器件選擇：10倍率分頻器采用7490構(gòu)成5421BCD碼的十進(jìn)制計數(shù)器組成10倍率分頻器，再將8個10倍率分頻器進(jìn)行串行級聯(lián)構(gòu)成DIV8分頻器。4位動態(tài)掃描顯示電路器件選擇：7490、DIV8分頻器、74151（八選一數(shù)據(jù)選擇器）數(shù)字單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路器件選擇：用兩片D觸發(fā)器構(gòu)成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，再將兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路串行級聯(lián)構(gòu)成產(chǎn)生鎖存（LD）和清零（CR）的單穩(wěn)觸發(fā)電路。調(diào)試信號功能器件選擇：DIV8分頻器、74161、MUX41四選一數(shù)據(jù)選擇器選擇控制端產(chǎn)生測頻時基信號（包括小數(shù)點和單位的控制）器件選擇：DIV8分頻器、兩片74139（24線譯碼器）、74153M（四選一數(shù)據(jù)選擇器）、非門和與非門。3.2設(shè)計及工作原理分析十進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計：采用一片7490將其兩個SET9A、SET9B端接低電平無效，將脈沖CP端接CLKA二進(jìn)制端，將二進(jìn)制輸出端口QA接到CLKB五進(jìn)制輸入端，將清零（CR）脈沖信號接到CLRA、CLRB端，做清零控制，再將QA、QB、QC、QD做4位輸出，讀數(shù)A3A2A1A0即為8421BCD碼十進(jìn)制的二進(jìn)制的表示。具體連接方式如下圖所示：十進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計示意圖（單片）其功能仿真波形如下圖所示：功能仿真波形圖中向下的箭頭指示的是模值10處，此功能得到實現(xiàn)；斜向下的兩個箭頭指示的是清零（CR）信號有效時對計數(shù)器進(jìn)行清零操作，功能也得到實現(xiàn)。將此十進(jìn)制計數(shù)器進(jìn)行串行級聯(lián)可以構(gòu)成百進(jìn)制計數(shù)器、千進(jìn)制計數(shù)器等10的整數(shù)倍模值的計數(shù)器。依本實驗要求，采用四片此十進(jìn)制計數(shù)器串行級聯(lián)構(gòu)成模值為10000的計數(shù)器對被測信號計數(shù)，最大數(shù)值為9999。級聯(lián)后的模塊圖如下圖所示：功能簡介：CP為待測脈沖信號接口，CR為清零脈沖信號接口，輸出結(jié)果為D3D2D1D0C3C2C1C0B3B2B1B0A3A2A1A0為16位二進(jìn)制表示的數(shù)值，其范圍為1~9999，即實現(xiàn)了模值為10000的計數(shù)器功能。鎖存器的設(shè)計：采用兩片74377實現(xiàn)16位二進(jìn)制數(shù)的鎖存。連線只需將其使能端EN接地，使其使能有效，CLK接鎖存信號（LD），其數(shù)據(jù)端口與上述計數(shù)器的輸出端口一一對應(yīng)相接，如圖所示：分頻器的器件選擇：10倍率分頻器采用7490構(gòu)成5421BCD碼的十進(jìn)制計數(shù)器組成10倍率分頻器，再將8個10倍率分頻器進(jìn)行串行級聯(lián)構(gòu)成DIV8分頻器。如圖所示：實際為10進(jìn)制計數(shù)器。DIV8示意圖如下所示：實現(xiàn)了把10MHz的晶振頻率分頻為1MHz、100kHz、10kHz、1kHz、100kHz、100Hz、10Hz、1Hz、0.1Hz。4位動態(tài)掃描顯示電路設(shè)計：DIV8分頻器、74151（八選一數(shù)據(jù)選擇器）、74153（雙4選1數(shù)據(jù)選擇器）原理分析：四位動態(tài)掃描顯示電路采用開關(guān)控制數(shù)據(jù)的選擇和掃描電路的掃描控制端，在掃描過程中，四個七段共陰極數(shù)碼管依次顯示數(shù)值，當(dāng)掃描頻率達(dá)到一定值時，其變化和速度超過人眼的辨別范圍，即可以看到數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上了。連線圖如下所示：4位動態(tài)掃描顯示電路數(shù)字單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路設(shè)計：用兩片D觸發(fā)器構(gòu)成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，再將兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路串行級聯(lián)構(gòu)成產(chǎn)生鎖存（LD）和清零（CR）的單穩(wěn)觸發(fā)電路。如圖所示：在M端輸入脈沖信號，CP端輸入脈沖控制信號，通過觸發(fā)器后，Y端輸出的信號為單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)，是高電平，其脈沖寬度是CP脈沖的2倍。通過功能仿真圖來觀察：從圖中可以看出，Y的暫態(tài)為高電位，且寬度為CP的2倍。同理，通過兩個此觸發(fā)電路產(chǎn)生CR清零信號脈沖，用此處的Y即LD鎖存信號作為M脈沖實現(xiàn)，示意圖如下所示：功能仿真圖如下所示：從圖中可看到，LD和CR信號緊鄰，且時間是CP的2倍，只要CP的頻率足夠大，那么誤差就比較小，即讓實際采樣時間與理論值相差盡量小。調(diào)試信號功能設(shè)計（N分頻電路）：DIV8分頻器、74161、MUX41四選一數(shù)據(jù)選擇器調(diào)試信號的內(nèi)部構(gòu)成調(diào)試信號的總體效果圖圖中10MHz接晶體振蕩器，SWA、SWB、D、C、B、A為六個開關(guān)控制鍵。其中，SWA、SWB為量程選擇控制鍵；D、C、B、A為N分頻實現(xiàn)控制開關(guān)，此設(shè)計可以實現(xiàn)16以內(nèi)的任意分頻數(shù)。例如，實現(xiàn)8分頻，首先8—1=7，寫出7的四位二進(jìn)制表示為0111，在對其取反為1000，所以將D、C、B、A置為1000即可實現(xiàn)8分頻，其中開關(guān)閉合為高電平“1”，斷開為低電平“0”。FM為分頻過后的輸出信號。選擇控制端產(chǎn)生測頻時基信號（包括小數(shù)點和單位的控制）設(shè)計：DIV8分頻器、兩片74139（24線譯碼器）、74153M（四選一數(shù)據(jù)選擇器）、非門和與非門。選擇控制端產(chǎn)生測頻時基信號此模塊通過開關(guān)控制選擇時基信號時間10s、1s、0.1s、0.01s作為采樣時間，同時控制DP1、DP2、DP3來控制小數(shù)點的位置，通過兩個LED燈來實現(xiàn)單位的顯示。第四章電路的組構(gòu)與調(diào)試4.1遇到的主要問題在實驗過程中，遇到的問題是：鎖存器的設(shè)計，考慮的太少，沒有添加LD鎖存信號，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法鎖存進(jìn)去，出現(xiàn)錯誤，數(shù)碼管無法顯示。計數(shù)器的設(shè)計，我沒采用74160，而是采用了7490實現(xiàn)，由于對其功能的不熟悉，多次造成數(shù)據(jù)的計數(shù)錯誤，不是采用十進(jìn)制計數(shù)，而采用五進(jìn)制，通過對其功能的進(jìn)一步了解，將二進(jìn)制端與五進(jìn)制端做了區(qū)分，組成了十進(jìn)制計數(shù)器。對4位動態(tài)掃描電路的設(shè)計時，數(shù)碼管顯示全為零，分析后發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)端口與鎖存器的數(shù)據(jù)端口連接錯誤，我直接采用了直連，沒有考慮到數(shù)據(jù)掃描的效果，最后改正了。對于小數(shù)點的控制，出現(xiàn)了我的第二位小數(shù)點與第三位小數(shù)點的控制效果顛倒了，而且出現(xiàn)數(shù)碼管數(shù)字的二、三位的數(shù)值也顛倒了，思考分析后，感覺是掃描時的控制信號接錯了，例如，本該從00、01、10、11、00循環(huán)掃掃描，此為正常；若出現(xiàn)接錯，會出現(xiàn)00、10、01、11、00的循環(huán)結(jié)果，剛好二、三位的位置顛倒，在改過電路后，試驗成功，確實是那出了問題。4.2現(xiàn)象記錄及原因分析在調(diào)試的過程中，出現(xiàn)全為零的現(xiàn)象：原因分析：可能為接線的原因，數(shù)據(jù)端口的接線沒有考慮到一一對應(yīng)。調(diào)試過程中出現(xiàn)小數(shù)點位數(shù)不對，二、三位互換的情況：原因分析：在設(shè)計的時候，把兩位的線搞反了，出現(xiàn)此種情況。調(diào)試過程中，二極管燈不亮：原因分析：可能接線錯誤，也可能是二極管的原因。調(diào)試過程中，數(shù)碼的顯示變化較慢，容易跳動：原因分析：可能是所選擇的信號頻率太低，導(dǎo)致時基信號時間長（即采樣時間過長），導(dǎo)致測量時間長，所以體現(xiàn)在顯示器上就是等待時間過長，數(shù)碼變化慢、穩(wěn)定的慢。4.3解決措施及效果針對出現(xiàn)的現(xiàn)象，與同學(xué)討論交流、查閱有關(guān)資料，確定原因后改進(jìn)電路。其中的二極管不良的原因是沒有接共陰極的電位，所以不會亮；添加共陰極低電平后，發(fā)光二極管正常工作了。關(guān)于二、三位數(shù)字顛倒的原因是掃描的控制位接反了，調(diào)整四位動態(tài)掃描顯示電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，此問題得到解決。出現(xiàn)全零的原因是數(shù)據(jù)端口接線錯誤，重新布局，重新接線后恢復(fù)正常。針對數(shù)字跳動的現(xiàn)象，原因在測試采樣時間過小，導(dǎo)致計數(shù)時出現(xiàn)數(shù)字的跳動，在正常的誤差范圍之內(nèi)。4.4功能的測試方法、步驟、設(shè)備、記錄的數(shù)據(jù)測試方法：SWBSWA所選調(diào)試信號頻率111MHz10100kHz0010kHz001kHz此頻率計使用較為方便，僅通過開關(guān)即可以進(jìn)行操作。SWA、SWB為調(diào)試信號的選頻控制開關(guān)：（開關(guān)斷開為“0”，閉合為“1”）開關(guān)SWC控制調(diào)試信號與測量信號的輸入選擇：（開關(guān)斷開為“0”，閉合為“1”）SWC=“0”，輸入調(diào)試信號，進(jìn)行功能的調(diào)試；SWC=“1”，輸入測試信號，進(jìn)行信號頻率的測定。另外四個開關(guān)D、C、B、A為調(diào)試信號的16以內(nèi)的N分頻置數(shù)器：D、C、B、A功能表：（開關(guān)斷開為“0”，閉合為“1”）DCBA分頻數(shù)000016000115001014001113010012010111011010011191000810017101061011511004110131110211111測試步驟：第一：先接通各個相應(yīng)的控制開關(guān)以及晶體振蕩器第二：通過SWC開關(guān)選擇調(diào)試或者測量功能第三：通過DCBA四個開關(guān)來控制分頻數(shù)第四：接通信號源即可從數(shù)碼管上讀出所測信號的頻率第五：就錄數(shù)據(jù)，分析。測試所需設(shè)備：此頻率計是在實驗室完成的，所需要的設(shè)備為LP——2900（EP1C3T144C8型FPGA）、函數(shù)信號發(fā)生器（用于產(chǎn)生所需的測試信號）、PC機一臺（裝有QuartusⅡ軟件）。記錄的數(shù)據(jù)：測頻時用1kHz分頻（SWB、SWA=00），預(yù)置數(shù)DCBA10001011分頻數(shù)85理論頻率125.0Hz200.0Hz實測頻率125.0Hz200.0Hz測頻時用10kHz分頻（SWB、SWA=01）預(yù)置數(shù)DCBA10001011分頻數(shù)85理論頻率1.250kHz2.000kHz實測頻率1.251kHz2.000kHz測頻時用100kHz分頻（SWB、SWA=10）預(yù)置數(shù)DCBA10001011分頻數(shù)85理論頻率12.50kHz20.00kHz實測頻率12.51kHz20.03kHz測頻時用1MHz分頻（SWB、SWA=11）預(yù)置數(shù)DCBA10001011分頻數(shù)85理論頻率125.0kHz200.0kHz實測頻率125.3kHz200.2kHz第五章結(jié)束語5.1對設(shè)計題目的結(jié)論性意見及進(jìn)一步改進(jìn)的意向此設(shè)計題目難度還能接受，沒有什么大的難點，對一些小問題，同學(xué)之間討論交流就基本解決了，主要難點是大家對軟件的不熟悉，操作時有點生。經(jīng)過這次實驗，對軟件已有很好地掌握，下次可以出些難度稍大點的題目，更希望模電、數(shù)電之間聯(lián)系大點，要同時把兩個做好才能完成整體設(shè)計的題目，并且提示不要太多，讓我們自己去分析、思考、計算和設(shè)計。5.2總結(jié)設(shè)計的收獲與體會針對頻率計的設(shè)計，總體還感覺難度合適，有思考，有分析，運用了所學(xué)知識，并對所學(xué)知識更進(jìn)一步的了解與熟悉，熟悉了它們的運用。學(xué)會了使用新的軟件QuartusⅡ軟件。本次實驗是建立在