數(shù)字頻率計(jì)的課程設(shè)計(jì).doc

四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系課程設(shè)計(jì)專業(yè)名稱： 電子信息工程技術(shù) 課程名稱： 數(shù)字電子技術(shù) 課題名稱： 數(shù)字頻率計(jì) 設(shè)計(jì)人員： 雷 妍 指導(dǎo)教師： 2010 年 6月 10 日課程設(shè)計(jì)報(bào)告書評閱頁課題名稱：班 級：姓 名： 2010 年 月 日指導(dǎo)教師評語：考核成績： 指導(dǎo)教師簽名：2010 年 月 日數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱：數(shù)字頻率計(jì)二、技術(shù)指標(biāo)：（1）掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)、制作方法。（2）掌握振蕩器、分頻器、記數(shù)譯碼顯示電路、單穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計(jì)。（3）了解標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號發(fā)生器SPG8650B三、要求：（1）測量頻率范圍：1Hz1MHz。（2）測量信號：方波、正弦波、三角波。（3）測量信號幅度：0.55V。（4）量程分三擋：10,1,0.1。（5）5位LED數(shù)碼管顯示。指導(dǎo)教師：申學(xué) 生：雷妍電子工程系2010 年 6 月10 日目錄摘要51概述6 2設(shè)計(jì)目的63設(shè)計(jì)要求64數(shù)字頻率計(jì)的基本工作原理74.1系統(tǒng)框圖 74.2方法與步驟95測頻控制信號發(fā)生器設(shè)計(jì)106系統(tǒng)的功能仿真117心得體會118參考文獻(xiàn)12附圖一12附圖二13附錄三13 摘要在數(shù)字電路中，數(shù)字頻率計(jì)屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構(gòu)成。在計(jì)算機(jī)及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應(yīng)用。在CMOS電路系列產(chǎn)品中，數(shù)字頻率計(jì)是用量最大、品種很多的產(chǎn)品，是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)是運(yùn)用觸發(fā)器和邏輯門電路來實(shí)現(xiàn)異步加法十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。自制電路設(shè)計(jì)是運(yùn)用所學(xué)習(xí)的知識來自行設(shè)計(jì)一個有實(shí)際意義的電路。在運(yùn)用protel技術(shù)進(jìn)行畫圖以及仿真。Protel是目前國內(nèi)最流行的通用EDA軟件，它將電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB板圖設(shè)計(jì)、電路仿真和PLD設(shè)計(jì)等多個實(shí)用工具組合起來構(gòu)成EDA工作平臺，是第1個將EDA軟件設(shè)計(jì)成基于Windows的普及型產(chǎn)品。與Protel 99SE軟件相比，Protel DXP功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和PLD電路設(shè)計(jì)方面有了重大改進(jìn)。擺脫了Protel前期版本基于PCB設(shè)計(jì)的產(chǎn)品定位，顯露出一個普及型全線EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。關(guān)鍵詞：頻率，集成電路，譯碼電路，計(jì)數(shù)電路，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路數(shù)字頻率計(jì)一、概述在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計(jì)數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一。電子計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號的頻率測量。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)以AT89C52為核心，在軟件編程中采用的是C51語言，測量采用了多周期同步測量法，它避免了直接測量法對精度的不足，同時消除了直接與間接相結(jié)合方法，需對被測信號的頻率與中介頻率的關(guān)系進(jìn)行判斷帶來的不便，能實(shí)現(xiàn)較高的等精度頻率和周期的測量。數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器的基本功能是測量一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。本數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。二、設(shè)計(jì)目的（1）掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)、制作方法。（2）掌握振蕩器、分頻器、記數(shù)譯碼顯示電路、單穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計(jì)。（3）了解標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號發(fā)生器SPG8650B三、設(shè)計(jì)要求（1）測量頻率范圍：1Hz1MHz。（2）測量信號：方波、正弦波、三角波。（3）測量信號幅度：0.55V。（4）量程分三擋：10,1,0.1。（5）5位LED數(shù)碼管顯示。四、數(shù)字頻率計(jì)基本工作原理 所謂頻率，就是周期性信號在單位時間(1s)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為f=N/T 數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S 時間內(nèi)對信號波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。41系統(tǒng)框圖 下面介紹框圖中各部分的功能及實(shí)現(xiàn)方法 圖1 數(shù)字頻率計(jì)框圖（1）電源與整流穩(wěn)壓電路 框圖中的電源采用 50Hz 的交流市電。市電被降壓、整流、穩(wěn)壓后為整個系統(tǒng)提供直流電源。系統(tǒng)對電源的要求不高，可以采用串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路來實(shí)現(xiàn)。 （2）全波整流與波形整形電路 本頻率計(jì)采用市電頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，以獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)時間。按國家標(biāo)準(zhǔn)，市電的頻率漂移不能超過 0.5Hz ，即在 1 的范圍內(nèi)。用它作普通頻率計(jì)的基準(zhǔn)信號完全能滿足系統(tǒng)的要求。全波整流電路首先對 50Hz 交流市電進(jìn)行全波整流，得到如圖2所示的全波整流波形。波形整形電路對 100Hz 信號進(jìn)行整形，使之成為如圖2所示 100Hz 的矩形波。 圖2 全波整流與波形整形電路的輸出波形 波形整形可以采用過零觸發(fā)電路將全波整流波形變?yōu)榫匦尾?，也可采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形。 （3）分頻器 分頻器的作用是為了獲得 1S 的標(biāo)準(zhǔn)時間。電路首先對圖1所示的 100Hz 信號進(jìn)行 100 分頻得到如圖3（ a ）所示周期為 1S 的脈沖信號。然后再進(jìn)行二分頻得到如圖3（ b ）所示占空比為 50 脈沖寬度為 1S 的方波信號，由此獲得測量頻率的基準(zhǔn)時間。利用此信號去打開與關(guān)閉控制門，可以獲得在 1S 時間內(nèi)通過控制門的被測脈沖的數(shù)目。 二分頻可以采用觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。 （4）信號放大、波形整形電路 為了能測量不同電平值與波形的周期信號的頻率，必須對被測信號進(jìn)行放大與整形處理，圖3 分頻器的輸出波形使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識別的脈沖信號。信號放大與波形整形電路的作用即在于此。信號放大可以采用一般的運(yùn)算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發(fā)器。 （5）控制門 控制門用于控制輸入脈沖是否送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。它的一個輸入端接標(biāo)準(zhǔn)秒信號，一個輸入端接被測脈沖?？刂崎T可以用與門或或門來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用與門時，秒信號為正時進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)采用或門時，秒信號為負(fù)時進(jìn)行計(jì)數(shù)。 （6）計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)器的作用是對輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測量頻率為 9999Hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。可以選用現(xiàn)成的 10 進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器。 （7）鎖存器 在確定的時間（ 1S ）內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果（被測信號頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測得的數(shù)據(jù)寄存起來，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的 8 位并行輸入寄存器，為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。 （8）顯示譯碼器與數(shù)碼管 顯示譯碼器的作用是把用 BCD 碼表示的 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動數(shù)碼管正常顯示的段信號，以獲得數(shù)字顯示。 選用顯示譯碼器時其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。 42方法與步驟 （1） 器件檢測 用數(shù)字集成電路檢測儀對所要用的 IC 進(jìn)行檢測，以確定每個器件完好。如有興趣，也可對 LED 數(shù)碼管進(jìn)行檢測，檢測方法由自己確定。 （2） 電路連接 在自制電路板上將 IC 插座及各種器件焊接好；裝配時，先焊接 IC 等小器件，最后固定并焊接變壓器等大器件。電路連接完畢后，先不插 IC 。 （3） 電源測試 將與變壓器連接的電源插頭插入 220V 電源，用萬用表檢測穩(wěn)壓電源的輸出電壓。輸出電壓的正常值應(yīng)為 5V 。如果輸出電壓不對，應(yīng)仔細(xì)檢查相關(guān)電路，消除故障。穩(wěn)壓電源輸出正常后，接著用示波器檢測產(chǎn)生基準(zhǔn)時間的全波整流電路輸出波形。正常情況應(yīng)觀測到如圖 13.5(a) 所示波形。 （4） 基準(zhǔn)時間檢測 關(guān)閉電源后，插上全部 IC 。依次用示波器檢測由 U1(74HC4024) 與 U3A 組成的基準(zhǔn)時間計(jì)數(shù)器與由 U2A 組成的 觸發(fā)器的輸出波形，并與圖 13.6 所示波形對照。如無輸出波形或波形形狀不對，則應(yīng)對 U1 、 U3,U2 各引腳的電平或信號波形進(jìn)行檢測，消除故障。 （5） 輸入檢測信號 從被測信號輸入端輸入幅值在 1V 左右頻率為 1KHz 左右的正弦信號，如果電路正常，數(shù)碼管可以顯示被測信號的頻率。如果數(shù)碼管沒有顯示，或顯示值明顯偏離輸入信號頻率，則作進(jìn)一步檢測。 （6）輸入放大與整形電路檢測 用示波器觀測整形電路 U1A(74HC14) 的輸出波形，正常情況下，可以觀測到與輸入頻率一致、信號幅值為 5V 左右的矩形波。如觀測不到輸出波形，或觀測到的波形形狀與幅值不對，則應(yīng)檢測這一部分電路，消除故障。如該部分電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測控制門。 （7） 控制門檢測 檢測控制門 U3C(74HC11) 輸出信號波形，正常時，每間隔 1S 時間，可以在熒屏上觀測到被測信號的矩形波。如觀測不到波形，則應(yīng)檢測控制門的兩個輸入端的信號是否正常 , 并通過進(jìn)一步的檢測找到故障電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測計(jì)數(shù)器電路。 （8） 計(jì)數(shù)器電路的檢測 依次檢測 4 個計(jì)數(shù)器 74HC4518 時鐘端的輸入波形，正常時，相鄰計(jì)數(shù)器時鐘端的波形頻率依次相差 10 倍。如頻率關(guān)系不一致或波形不正常，則應(yīng)對計(jì)數(shù)器和反饋門的各引腳電平與波形進(jìn)行檢測。正常情況各電平值或波形應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。通過檢測與分析找出原因，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 （9） 鎖存電路的檢測 依次檢測 74HC374 鎖存器各引腳的電平與波形。正常情況各電平值應(yīng)與電路中給出的狀態(tài)一致。其中，第 11 腳的電平每隔 1S 鐘跳變一次。如不正常，則應(yīng)檢查電路，消除故障。如電路正常，或消除故障后頻率計(jì)仍不能正常工作，則檢測鎖存器電路。 （10） 顯示譯碼電路與數(shù)碼管顯示電路的檢測 檢測顯示譯碼器 74HC4511 各控制端與電源端引腳的電平，同時檢測數(shù)碼管各段對應(yīng)引腳的電平及公共端的電平。通過檢測與分析找出故障。 五、測頻控制信號發(fā)生器設(shè)計(jì) CLK是由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的頻率為1Hz的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號，當(dāng)測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的TSTEN端為高電平時允許計(jì)數(shù)、低電平時停止計(jì)數(shù)，在停止計(jì)數(shù)期間，測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的Load端產(chǎn)生一個上升沿，將計(jì)數(shù)器在前1s的計(jì)數(shù)值鎖存進(jìn)32b鎖存器REG32B中，并由8個7段譯碼器將計(jì)數(shù)結(jié)果譯出穩(wěn)定顯示。鎖存信號之后經(jīng)過半個CLK周期，測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的CLR_CNT端產(chǎn)生一個上升沿，對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。為下1s的計(jì)數(shù)操作做準(zhǔn)備。了產(chǎn)生這個時序圖，首先有一個D觸發(fā)器構(gòu)成二分頻器，在每次時鐘CLK的上升沿到來使其值翻轉(zhuǎn)。D觸發(fā)器的輸出高電平正好是1s，因此可以作為測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的TSTEN端，用來控制計(jì)數(shù)。圖4 測頻控制信號發(fā)生器TESTCTL的工作時序六、系統(tǒng)的功能仿真在對源程序仿真過程中，時序問題的解決是本論文的一個重要之處，為此，假如信號CLK00 和FS，在輸入CLK_IN不變的情況下，在信號CLK00 代入時附加延時，由信號CLK00 和FS 來控制本數(shù)字頻率計(jì)。圖5 仿真波形我們利用EDA 工具M(jìn)AX+PLUS II對VHDL 的源程序進(jìn)行編譯，適配，優(yōu)化，邏輯總和，自動地把VHDL 描述轉(zhuǎn)變成門級電路，進(jìn)而完成電路分析，糾錯和驗(yàn)證，自動布局布線，仿真等各項(xiàng)測試工作，仿真后得到波形圖如圖5所示。七、心得體會通過這次課程設(shè)計(jì)我不僅加深了對數(shù)字電子技術(shù)的理解，將理論很好地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，而且我還學(xué)會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之功能不斷完善，成為真己的東西。從中也掌握了（1）查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；(2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力；(3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力；(4)學(xué)會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。我不只在乎這一結(jié)果，更加在乎的是這個過程。這個過程中，我們花費(fèi)了大量的時間和精力，更重要的是，我們在學(xué)會創(chuàng)新的基礎(chǔ)上