基于Multisim的数字频率计.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上天津商业大学2008届本科电子技术课程设计数字频率计的设计姓 名：张璐系 别：自动化系 专 业：自动化学 号：指导教师：侯淑萍2010年12月9日专心-专注-专业数字频率计的设计1设计任务与要求1.1 基本功能1）能够测量正弦波、方波、三角波等交流信号的频率；2）测量信号的频率范围为1HZ9999KHZ，分辨率为1HZ；3）测量结果直接用十进制数值，通过四个数码管显示；4）可手动测量，手动清零；5）具有高精度、迅速测量、读数方便等优点。1.2 扩展功能1）具有不同可测频率范围的多个档位；2）有超量程警告，当测量信号频率超过所选档位的量程时，频率计发出警报。2 设计原理

2、脉冲信号的频率就是在单位时间(1s)里产生的脉冲个数，若在一定时间间隔tw内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为：f=N/T （1）数字频率计的总体框图如图1所示：整形电路被测正弦、三角波信号计数器闸门电路被测方波信号锁存电路显示电路1s0.1s0.01s1msT1超量程报警Vx图1数字频率计由四大基本电路组成：整形系统，单稳态触发器构成的闸门电路，可控的计数系统、锁存译码显示电路、超量程报警系统。经过放大衰减后的被测信号（包括正弦波，三角波，方波等周期信号）经过整形电路，变成峰值为35V(与TTL兼容)的方波信号Vx，送入计数器的时钟脉冲端。当门控信号到来后，闸门电路开启，时

3、间为T1，计数器实现计数功能，T1时间过后闸门关闭，计数停止，锁存器使能端置零，计数结果被锁存，通过数码管可以方便读出被测信号频率。图2为数字频率计的波形图：图23 电路设计3.1 整形电路1）抢答电路的功能：将被测信号整形成方波，方便计数。2）整形电路如图3所示：图3.13）整形电路原理及功能实现：XFG1为Multisim软件自带的波形发生器,能产生不同频率的，占空比可调的三角波，正弦波和方波，所产生信号可代替被测外界周期信号，方便进行仿真。74LS14D为有施密特触发器的六反相器，作用是将三角波或正弦波整形成方波，这里我们只用其中一个就行。施密特反相器功能表如表1所示：表1其核心部分为施

4、密特电路。施密特触发器有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有两个不同的阀值电压。分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发

5、器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。4）整形电路的输入输出波形：图3.11 图3.12图3.11图3.12分别为输入信号分别为正弦波和三角波时整形电路的波形图。3.2闸门电路1）闸门电路功能：只有当闸门开启时，计数器才实现技术功能，计数器开启的时间就是闸门开启时间。计数结果为外界整形之后得到的方波的负脉冲个数。可见，当闸门开启时间一定时，被测信号频率可由计数结果与闸门开启时间相除求得。2）闸门电路图如3.2所示：图3.23）闸门电路原理及功能实现：闸门电路是555定时器构成的单稳态触发器，输入端为TRI端，闭合J1，单稳态触发器触发。输出端OUT（IO1）连入计数器的LOAD端，IO1输出高

6、电平时，计数器计数。IO2连接到第二个数码管和第三个数码管之间的指示灯上，IO3连接到第三个数码管和第和个数码管之间的指示灯上。选择对应对应档位，该指示等亮，表示对应的小数点显示。单稳态触发器特点如下：1）.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。 2）.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。 3）.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。没有触发信号时，即J1为断开状态，Vi (TRI端)处于高电平，接通电源后，Vo=0,电路只有一种稳态，Vo保持低电平不变。 当图中J1闭合，触发输入端施加触发信号

7、（ViVcc/3）,电路的输出状态由低电平跳为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止，此后电容C1充电至Vc=2Vcc/3时，电路的输出电压Vo由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容C1放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则Vc从0电平升到2Vcc/3的时间，即为输出电压Vo的脉宽twtw=RC1In31.1RC （2） 在电路暂稳态持续时间内，加入新的触发脉冲， 该脉冲不起作用，电路为不可重复触发单稳态触发器。令C1=10nF，由公式（2）可知，R取不同的值时，数字频率计所测信号频率范围不同，分辨率也不同。当只有J2闭合，选择R5=91.2MOhm的档，tw=R5C1In3

8、1s，f=N/1,显示数值为所测信号频率，单位为HZ，可测频率范围1HZ9999HZ，分辨率1HZ；当只有J3闭合，选择R4=9.12MOhm的档，tw=R4C1In30.1s，fN/0.1=10N，IO2连入的指示灯亮，显示数值（带小数点）为所测信号频率，单位为KHZ，可测频率范围10HZ99.99KHZ，分辨率10HZ；当只有J4闭合，选择R3=912kOhm的档，tw=R3C1In30.01s，f=N/0.01=100N,IO3连入的指示灯亮，显示数值（带小数点）为所测信号频率，单位为KHZ，可测频率范围100HZ999.9KHZ，分辨率100HZ；当只有J5闭合，选择R1=9.12kO

9、hm的档，tw=R1C1In31ms，fN/0.001=1000N,显示数值为所测信号频率的，单位为KHZ，可测频率范围1KHZ9999KHZ，分辨率1KHZ;总结：闸门时间选择将得到不同的分辨力，闸门时间越长，分辨力越高，但速度降低，为达到测量迅速的目的，在设计中我们选择设定闸门时间都在1s及以下的档。4)闸门电路输入输出波形：下图为分别选择分辨率为1HZ（图3.21）、10HZ（图3.22）、100HZ（图3.23）、1KHZ（图3.24）的档位，闸门电路输入输出的波形图，其中tw=T2-T1.由图可知，当施密特触发器触发输入端输入一个触发信号（下降沿）时，其输出端输出一个时间为tw的高电

10、平，tw分别约等于1s,100ms,10ms,1ms.图3.21 图3.22 图3.23 图3.243.3计数电路1)计数电路的功能：脉冲信号进入十进制计数器，在闸门时间T1=tw内,累计信号脉冲个数N=Tf，计数器通过对脉冲信号计数，可直接或间接测出周期信号的频率。2）计数电路如图3.3所示：图3.33）计数电路原理及功能实现：计数电路所选芯片为74LS160，该芯片为可预置的十进制同步计数器。其真值表如表2所示：表274LS160 的清除端是异步的。当清除端CLR为低电平时，不管时钟端CLK状态如何，即可完成清除功能；74LS160 的预置是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，在CP

11、上升沿作用下，输出端QAQD 与数据输入端AD一致；160 的计数是同步的，靠CLK 同时加在四个触发器上而实现的。当CEP、CET 均为高电平时，在CP 上升沿作用下QAQD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。74LS160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端RCO输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N 位同步计数器。只要将低位的进位端RCO与高位的CLK端相连接即可。这里我们将四个74LS160级联成4位同步十进制计数器。整个计数电路的输入端IO1（第一个74LS160的LOAD端）与闸门电路的输出端连接，闸门打开，计数器开始计

12、数。闸门关闭，计数器停止计数。IO2为最高位的进位端，在之后的超量程报警中用到。3.4 锁存显示电路1）锁存显示电路功能：当计数完成，即闸门关闭时，通过锁存电路将计数结果锁存，计数结果（为十进制，读数方便）通过四个十六进制数码管显示，不需要通过译码，大大的简化了电路。2）锁存显示电路图如图3.4所示，图3.4注：图3.4中LOCK1为整体电路的子电路形式，整个设计中要用到4个该子电路，分别对计数器电路的四位数字进行锁存。图3.41为该子电路的原理图：图3.413）锁存显示电路原理及功能实现：锁存电路由四个D锁存器构成，D锁存器是电平触发的存储单元。数据存储的动作取决于使能信号的电平值，仅当存储

13、器处于使能状态时，输出才会随着数据输入发生变化。在不锁存数据时，输出端的信号随着输入信号发生变化，就像信号通过一个缓冲器一样；一旦锁存信号起锁存作用，数据被锁住，输入信号不起作用。其真值表如表3所示： D锁存器真值表ENDQ10011100锁存01锁存表3四个锁存器的输入端D分别与计数器的QAQD相连，输出端Q分别与后面的显示电路相连。4个D锁存器的EN端都连接到闸门电路的输出端，当闸门打开时，输出端的信号随着输入信号发生变化，不起锁存作用，闸门关闭后，锁存信号起锁存作用，数据被锁住，输入信号不起作用。3.5 超量程报警显示电路1）超量程报警显示电路功能：在被测信号频率范围未知的情况下，如果选

14、择了不合适的档位，特别是量程小于被测频率的档，此时不能正确测量信号频率。超量程报警显示电路在超量程测量时会进行报警，并且通过信号灯进行显示，提醒用户更换更高量程的档位。2）超量程报警显示电路如图3.5所示：图3.53）超量程报警显示电路原理及功能实现：如图可知，5输入与门的5个输入端，其中四个分别与个十百千位计数器的进位端RCO连接，剩下的一个与闸门电路的输出端连接。输出端连接到一个指示灯以及蜂鸣器的一端。当闸门仍然处于开启状态，计数至9999，即四个计数器进位端都处于高电平时，与门输出高电平，指示灯亮，且蜂鸣器发出报警声音。3.6 整机电路整机电路图如图3.5所示：图3.5注：为了节约空间，

15、整机电路图中计数电路的摆放与图3.3不同，但连线完全一样。3.7其余功能的实现主要为手动清零功能以及测量完成显示功能。手动清零功能的实现主要依靠开关J6，当开关闭合时，计数电路和闸门电路正常工作，当开关打开时，计数电路与闸门电路均无外电源供应，起到手动清零的作用。清零后将开关再次闭合，可以进行下次测量。测量完成状态由显示灯X4显示。测量完成即闸门关闭时，闸门电路输出低电平，经过一个非门后变为高电平，此时指示灯X4亮，表示测量完成。3.8仿真结果在Multisim软件里，按下仿真键，将开关J6闭合，依次选择1HZ档，10HZ档，100HZ，1KHZ档，测不同范围频率，检查结果是否与理论值相符合。

16、外界被测信号由软件自带的波形发生器生成，可设置任意频率值。下面分别为用1HZ档测频率为1001HZ的信号(如图4.1)，10HZ档测频率为11.03kHZ的信号(如图4.2)，100HZ档测频率为111.1kHZ的信号(如图4.3)，1kHZ档测频率为1001kHZ的信号(如图4.4)所得的仿真结果。图4.1图4.2图4.3图4.4仿真所测值与理论值大致相等。HZ档误差为1HZ，10HZ档误差为10HZ,100HZ档误差为100HZ,1kHZ档误差为1kHZ。测量完成后，X4指示灯亮。4 设计体会一周的电子技术课程设计结束了，在这一周里，在我们组全体成员的努力和合作下，这次课程设计以圆满告终。

17、这一周的课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。只有拥有扎实的理论知识才能形成设计理念。课程设计前期，我们查阅了大量资料，重拾电子技术教材以及相关读物，对知识进行了系统而全面的梳理。温故而知新，对理论知识有了全面的掌握后，我们整理出思路，灵感一触即发，我们很快设计出总体框架图。然而实践是检验真理的唯一标准，有了理论基础的我们，在实际操作中并非一帆风顺。电路连接好以后，我们遇到了很多问题，譬如在设计数字频率计的超量程报警时，计数到9000它就开始显示超程；譬如小数点的设置，譬如555定时器构成单稳态触发器等等。这些问

18、题一度让我们百思不得其解，但是通过不断的调试，这些问题最终得到了解决。创新求发展，虽然网上不乏可借鉴的资料，这些资料能打开我们的思路，给我们灵感，但是我们每一步的设计都是通过自己思考，加入我们自己的创新思维。有则改之无则加勉，虽然我们的设计已经基本完成，也得到了指导老师的肯定，但是我们仍然追求完美。有时候我们整天都在宿舍进行仿真调试，就为了精度能够更高，读数能够更加方便，操作使用更加人性化甚至电路看上去更整洁清晰。仿真的过程有时候很缓慢，例如为了验证超量程报警是否可行，计数器要计数到9999，这个过程甚至可以长达半个小时之久。我们耐心和执着的态度，使得我们的设计成果一点点得到改进。我们也从中不

19、断领悟，不断获取。这一周的课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，团队合作能力，磨炼了我的毅力，更令我的创造性思维得到拓展。参考资料1曾龙坤. 简易数字频率计J. 集成电路应用, 1991, (06)2 易灵芝,王根平,李卫平,彭寒梅. Multisim在电类课程实验教学中的应用J计量与测试技术, 2009,(05)3 翟红艺. 计算机仿真实验教学探讨J, 4李峻薇. EDA在数字电路课程设计中的应用J科技广场, 2007,(07)5 徐成 ,刘彦 ,李仁发 ,甘勇. 一种全同步数字频率测量方法的研究J电子技术应用, 2004,(07) .6 李广明,杨雷. 一种多周期测量频率的方法及应用J现代电子技术, 2008,(12) 7 康华光. 电子技术基础 数字部分. 高等教育出版社，2005,(07) .8高吉祥. 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程. 电子工业出版社，2007,(05) .9 卢菊洪. 数字电路与逻辑设计实训教程. 科学出版社，2003,(08) .10 黄永定. 电子线路实验与课程设计. 机械工业出版社，2005,(08) .