1、北京理工大學課程設計 電子(dinz)技術與課程設計題目： 浮點頻率計的設計(shj) 學 院： 自動化 專 業： 自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 指導(zhdo)教師： 王波 郝艾芳 目錄(ml)課程設計概述(i sh)3方案設計5EDA仿真(fn zhn)12調試與結果分析17實驗結構及分析18總結與體會19參考文獻20課程設計概述(i sh)11 課程設計任務(rn wu)1、設計(shj)一個浮點頻率計2、要求測量頻率最高可達1MHz。3、測量結果以3位LED數碼管顯示，其中兩位用以顯示有效數字，一位顯示10的冪次數。4、要求具有啟、停控制用于啟動和停止頻率的連續測量和顯示。5、

2、在連續測量工作狀態下，要求每次測量1s顯示3s左右，并且連續進行直至按動停止按鈕。12 使用儀器和元件 1、使用儀器：數字電路實驗箱、示波器、信號發生器2、使用元件清單：元件名稱數量（個）芯片74LS290674LS160174LS153174LS00274LS04274LS08274LS321555定時器1CD4060174LS741電阻270k1510k120021k21M1電容2200pF410nF14.7F120pF2晶振32768Hz1表1-1 元器件清單(qngdn)第2章 方案設計2.1課題(kt)分析本課題(kt)要求設計一個浮點式數字頻率計。一般的數字頻率計通常是由石英晶體振

3、蕩器、分頻器、計數器以及測量與顯示控制器等組成。其原理框圖見圖2-1，其中石英(shyng)晶體振蕩器、分頻器、控制器的主要任務是產生時間基準信號，其脈沖寬度必須是準確的，例如1s或01s等。這種時間基準信號被用來控制被測信號的輸入計數，可見被測信號的頻率與基準信號選通期間計數器所計數值成正比。若基準信號為1s，則計數值即為被測信號的頻率，若基準信號為0.1s，則計數值乘以10即為被測信號的頻率等等。因此基準信號通常設計為10的整數次冪，從而使測量結果的定標只要移動小數點的位置即可。 圖2-1 原理框圖 基準測量信號選通時間的長短以及計數器的位數決定了頻率計的分辨率，而頻率計的精度主要取決于基

4、準測量信號本身的精度。這就是脈沖源采用石英品體振蕩器的原因。由于作為開門信號的基準測量信號與被測信號不同步，所以這種測量方法存在著1個計數脈沖的誤差。當被測信號頻率很低時，該誤差將使測量結果的相對誤差很大，因此上述測量原理將不適用解決這個問題的方法通常是首先測量被測信號的周期，然后再轉換為相應的頻率值。 本課題所要求的頻率計屬于前者情況，即被測信號頻率較高，所以上圖的原理框圖仍適用，但其特殊點在于計數器的小數點位置是不固定的（即使在同一標準測量信號下），所以稱為浮點式頻率計。具體來說，對于一般的頻率計，在其時間基準信號選定的情況下，計數器小數點的位置就被固定，而且在基準測量信號選通期間，計數器

5、所計的全部數字都要保留，因此計數器的長度必須足夠，不能產生溢出，否則結果將是錯誤的。這樣所需顯示器的位數也很多。對于浮點式頻率計，在其基準測量信號選通期間，計數器所計的數不管多大，只要保留系統所規定的有效數字位數，例如本系統只需要保留最高兩位的有效數字，后面各位的數字一概不予保留，而只反映出其后面還有多少位就可以了。本例中通過一位十進制“冪次數計數器、顯示器來反映測量結果的小數點位置。可見本系統測量結果的顯示只需3位十進制數，頭兩位是結果保留的有效數字，第三位是此數所乘以10的冪次數，即結果的表達式為10n，其中為兩位十進制數，N為一位十進制數。系統的最高測量頻率為1MHz，因此顯示范圍完全夠

6、用。2.2方案(fng n)論證根據以上的分析(fnx)，本系統方案如圖2-2所示。 圖2-2 系統(xtng)方案1、石英晶體振蕩器、分頻器I、控制器該部分電路主要用來產生基準測量信號，采用石英晶體振蕩器保證了基準測量信號的準確性，從而保證了測量結果的精度。基準測量信號的脈沖寬度可以是1s，也可以是0.1s等多種，這要根據系統測量頻率的范圍及精度要求來確定。一般頻率計都設計為多種，由用戶在使用中選擇。本系統以講清原理為主，因此只選擇1的一種。 此外控制電路還要求具有啟動和停止系統測量的功能，這可以通過“啟、“停兩個微動開關和相應電路來實現。系統在連續測量與顯示工作狀態下，實現測量1s，顯示約

7、3s，再測量，再顯示等功能。2、m計數器與N計數器m計數器為有效數字(yu xio sh z)計數器，它由兩位BCD計數器組成(z chn)。N計數器為冪次計數器，它由一位BCD計數器實現。其工作過程(guchng)是這樣的：首先把m、N計數器清零。當要測頻時，按動啟動按鈕SB啟，系統進入連續測量與顯示工作狀態。當基準測量信號（1s）選通時，計數器控制門打開，被測量信號進入計數器。當m計數器計滿，即N計數器仍為0。被測信號再來一個脈沖，計數器應（達99時），頻率顯示為99100。為100，即計數器應從99變為10，而N計數器應從0變為1。此后，計數器再來的脈沖應以10為單位，即被測信號每送入1

8、0個脈沖，m計數器才應計一個1，所以被測信號應該經過十分頻電路后再送入m計數器。同樣道理，在N：1的情況下，m計數器計到99時（頻率顯示為9910），若m計數器再接收一個脈沖，則m計數器應由99變為10，而N計數器應由1變為2。此后，計數器的輸入應從被測信號經100分頻器后的輸出接收，此過程一直進行到系統的最高測量頻率，即m、N計數器的最大值99104。可見計數器中的高位BCD計數器必須具有預置功能，以便實現9- 1的轉換。3、分頻器II和多路選擇器由上述分析可知，m計數器的輸入分別為被測信號f及其分頻信號f/10、f/102、f/103、f/104分頻器Il就是用來實現這些分頻，所以它是由4

9、級十分頻電路來完成。多路選擇器是用來實現對上述5種輸入信號進行選擇，把所需信號送入m計數器，因此它要受N計數器的狀態控制。當N：0時，多路選擇器送出了信號；當N=1時，送入f/10；當N=2時，送入f/102；當N=3時，送入f/103；當N=4時，送入f/104可見多路選擇器應為五選一電路。2.3方案實現1、標準測量信號的產生與控制電路的設計 用石英晶體組成石英晶體振蕩器，如圖2-3所示，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡，這個網絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯諧振，較高的頻率是并聯諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當的接近，在這

10、個極窄的頻率范圍內，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯上合適的電容它就會組成并聯諧振電路。這個并聯諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路。如圖4，G1用于震蕩；G2用于緩沖整形；R是反饋電阻，通常在幾兆歐到幾十兆歐間選取；R1起穩定振蕩的作用，通常取十至幾百歐之間；C1是頻率微調電容，圖2-3 石英(shyng)晶體振蕩器C2是溫度(wnd)特性校正用電容，C1，C2串聯等與負載電容。它們與晶體共同(gngtng)構成反饋網絡。電路的震蕩頻率及取決于石英晶體的并聯諧振頻率，與R、C的數值無關。此電路輸出的1Hz脈沖信號只要經過二分頻其脈沖寬度就是1s。但還不能這樣簡單地獲

11、取1s基準測量信號，因為基準測量信號還受到啟動信號的控制，即只有啟動后才允許標準測量信號輸出去選通控制門，而且1s信號還必須受到啟動信號的同步控制，即不允許啟動后發出不完整的1s信號。為此設計的啟停控制與標準測量信號電路如圖所示。其工作原理是，當接通電源或按動SB停時，工作狀態觸發器被清零，Q=0處于停止狀在這里電容c起加電自動復位作用。當按動SB啟鍵時，工作狀態觸發器被置1，Q=1系統處于測量工作狀態。 工作狀態觸發器的輸出端Q接一T形觸發器（由JK觸發器74LS76構成）的T輸入端，把1Hz信號接T觸發器的CP端，這樣從T觸發器的輸出QT端就可以獲得了受SB啟同步控制的1s基準測量信號，Q

12、T的脈寬確是1s，但仍不能用此信號1Hz直接去選通計數控制門，其原因有二，一是若用此信號直接控制，則測量1s，顯示1s，顯示時間不可調，達不到顯示3s的要求；其二是再次測量時，前一次測量結果未清除，所以本測量將在前一次結果的基礎上繼續累加，使結果錯誤。為此可以想到控制電路應設計一個節拍發生器，它應由QT的下降沿啟動，發出的第一個節拍信號JP1應封鎖基準測量信號，使之不能送出后面的測量信號。第二個節拍信號應在將近3s時發JP2出，用來清除本次測量的結果。可見顯示時間約為3s。最后發出JP3信號，解除對QT的封鎖，即再次QT啟動測量電路。本系統所設計的節拍發生器控制時序圖見圖2-4，3個節拍所占時

13、間只要略小于3s的顯示時間即可。 圖2-4 節拍(jipi)發生器控制時序圖 節拍1由555定時器構成的單穩態觸發器產生，其中R=510k，Cl=4.7F，所以負脈沖(michng)寬度為2.5s左右，和JP3都是由與非門74LS00構成(guchng)的典型單穩觸發器輸出， R、C分別為200和2200pF，所以和JP3負脈沖寬度約為0.6s，滿足工作要求。 電路的工作過程是這樣的：當按動SB停鍵（或者系統加電時），工作狀態觸發器F1和連續運行觸發器F2，均復位，Q=0、Q=0，所以G門輸出為0，T觸發器處于0狀態并保持不變，1Hz信號不起作用，基準測量信號輸出售=0，封鎖計數控制門，從而系

14、統處于停止狀態當按動SB啟鍵，Fl和F2均被置1，所以G門輸出為1，當1Hz信號下降沿時，T觸發器翻轉，QT輸出一個脈沖為1s的基準測量信號，選通計數控制門，實現測頻功能。當QT下降沿到達時，經RC微分電路觸發555構成的第一級單穩態觸發器，從而獲得Jp1信號。JP1信號一方面送連續運行觸發器F2，使之復位，另一方面送第二級單穩態觸發器。JP1的前沿（下降沿）使Q：0，所以G門輸出為0，T觸發器保持0狀態不變，系統處于顯示狀態。JP1的后沿（上升沿）觸發第二級單穩態觸發器，從而獲得JP2信號。和SB停按鈕信號一起形成清零信號用以清除T觸發器、m計數器、N計數器以及分頻器，保證再次測量時數據的正

15、確性。JP2信號還送到第三級單穩定觸發器的輸入端，當JP2的后沿（上升沿）到達時，觸發第三級單穩態觸發器，從而獲得JP3信號。送連續運行觸發器F2，使之再次啟動Q=0，所以G門輸出為1，T觸發器在1Hz信號作用下又一次發出基準測量信號，再次進行測量，如此周而復始進行下去，完成系統連續測量與顯示的功能。直到按動SB停鍵，使Q=0，Q=0封鎖G門，系統處于停止測量狀態。2、m計數器和N計數器的設計(shj)在方案(fng n)論證中已經看到計數器要求由99變為10，即其高位(o wi)應由9變為1，所以其低位和N計數器均可采用一般的BCD計數器，本系統仍可選用兩片74LS290來實現，而N計數器的

16、高位選用一片具有同步預置功能的74LS160來完成。當74LS160計到9時，其進位端C=1，經反相器送同步預置端LD。當低位片由9變到0時，送來一個進位脈沖，則高位片將并行置入DCBA段的信號。系統中將DCBA固定接成0001狀態，從而實現了高位片由9變1的要求。3、分頻器及多路選擇器的設計由方案論證可知，待測信號了需經4級10分頻電路產生f、f/10、f/102、f/103、f/104五路信號送多路選擇器，在此仍采用74LS290實現十分頻。但要注意該分頻器II必須受系統清零信號控制，以便獲得準確的分頻器全0初始狀態，從而避免由于初始狀態不同而造成的測頻誤差。分頻器輸入控制c門的作用是這樣

17、的，它受標準測量信號QT控制，因此只有在測量期間c門才接通，此外均關閉。所以它一方面起到計數控制門的作用，另一方面又保證在系統清零信號解除后而測量信號到來前，分頻器II的初始全0狀態保持不變。這就是c門為什么必須放在分頻器II之前，而不能直接放在m計數器II之前的道理。多路選擇器由74LS153雙四選一和或門74LS32組成八選一電路。本系統僅選五路信號，所以多出的三路不用。選通由N計數器的低3位QC、QB、QA來控制。4）顯示(xinsh)電路N計數器的輸出(shch)經三片74L7BCD到七段顯示(xinsh)譯碼器/驅動器直接驅動3位數碼管完成測量結果的顯示。第3章 EDA仿真(fn z

18、hn)分析3.1 節拍(jipi)發生器仿真(fn zhn)電路如圖3-1所示，當時鐘信號設置為10Hz時仿真波形分別如圖3-2所示，仿真結果驗證了節拍發生器。圖3-1節拍發生器圖3-2仿真(fn zhn)結果3.2總體(zngt)仿真總設計(shj)電路圖如圖3-3所示，上下兩部分經過方針均可以正常工作，但是將其二者組合在一起時，可能由于multisim軟件本身性能原因，對于高頻數字電路的仿真速度有待提高。在進行計數時每當計數到高位為9時即將進位時，計數變得極其緩慢乃至卡機的情況出現導致無法繼續進行仿真。但是節拍發生器和浮點計數器均能正常工作，根據電路的邏輯原理推理可的此方案可行，經指導老師

19、許可后開始進行實際電路的搭建與調試工作。圖3-3總邏輯電路(lu j din l)圖圖4-4 仿真(fn zhn)結果第4章 調試與結果(ji gu)分析安裝與調試根據先局部后整機的原則，本系統可劃分為如下幾個功能塊，沿著信號(xnho)的流向具體調試步驟為：1、首先安裝(nzhung)調試1Hz信號電路搭建石英晶體振蕩器，通過示波器觀察震蕩頻率為32.768kHz，接入CD0406和74LS74進行分頻，在通過示波器觀察74LS74輸出是否為1Hz。2、安裝和調試分頻器II以及多路選擇器此時QT信號輸入端應先接高電平，清零信號輸入端應先接地，被測信號輸入端可先接來自數字電路實驗箱上的10kH

20、z的脈沖信號，而多路選擇器的選擇控制端可先接到4個邏輯開關上。通過雙蹤示波器觀察各級10分頻電路的輸出是否正確，再觀察八選一電路在三個邏輯開關為不同狀態下的輸出（即或門的輸出）是否與相應選擇的信號一致。可見在局部電路的調試過程中，必然遇到某些輸入信號尚未產生的情況。這時必須對這些輸入端進行恰當的處理，即先把它們連接到某些合理的信號或電平上，才能使局部電路的調整成為可能。當然在進行整機統調，或其他局部電路調整涉及到這些點時，不要忘記恢復正常連接的情況。3、安裝和調試m計數器和N計數器其方法與上述情況類似，數碼管和對應的驅動芯片已經在試驗箱上安裝好，需要在任意一個非實驗所用數碼管的管腳下接入5V電

21、源，使數碼管正常工作。4、安裝和調試主控制器電路和節拍發生器加電后測試有關各點的初始狀態是否正確，按動SB啟鍵，用示波器觀察QT輸出端，每3s后應出現一次1s脈寬的正跳變。還可以觀察JP1等信號，但JP2、JP3及清零等信號由于太窄，不易觀察。上述觀察時，示波器掃描頻率應選得很低。在單穩態觸發器的設計方面，最開始參考的數字電子技術基礎課本上給出的方案中R為270K。但是在實際測量中發現如果使用270K電阻的話會導致單穩態觸發器完全沒用，考慮到TTL與非門的負載特性，最后選擇了20的電阻，測試后終于可以產生正常負脈沖。在測試時，由于整個節拍發生器的信號成為一個閉環，為了測試各個模塊的正常工作與否

22、，必須先仿真得到各個輸入輸出端應該得到的信號波形，再將電路拆解開來，用信號發生器通入改信號，用示波器觀察是否得到應得的型號，以此來排查故障點，最終經過幾個模塊的拆解測試終于將各個模塊的輸入輸出調整正常。5、整機統調接好全部(qunb)電路加電后顯示器應為000被測信號(xnho)端加入信號(xnho)發生器給定的某一頻率的脈沖信號，按動啟鍵，觀察系統是否測量1顯示，按動B停鍵，系統是否停止測量且顯示為全為0，如果正常，則系統統調完畢，否則通過故障點跟蹤測試法查找和分析故障性質，從而決定返回以上哪個步驟重新進行，直到系統達到指標要求為止。系統工作正常后就需要進行標定，通過測量標準信號源就可以看到

23、系統的測量精度。第5章 實驗結果(ji gu)及分析5.1實驗(shyn)結果實際(shj)電路通入200Hz頻率時，三位數碼管顯示情況為201，即頻率為20101Hz。經過多個頻率的測試，當頻率較低時，數碼管顯示頻率與實際給定頻率值完全相同，當頻率較高時，會產生一次計數的偏差，然而因為誤差相對高頻信號而言極小，因此可以忽略。由于設計只有四級分頻電路，因此本系統最大可測頻率為1MHz，當被測信號頻率超過1MHz時，三位數碼管將一直顯示105，即為上限頻率1MHz。5.2誤差分析1、1s基準測量信號的誤差采用32768晶振取決于電路的并聯諧振頻率，對電容的選擇有較高的要求。而且32768晶振同時受溫度的影響，通過示