基于Multisim的數(shù)字頻率計(jì)

1、天津商業(yè)大學(xué)2008屆本科電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)姓 名： 張璐 系 別： 自動(dòng)化系 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 20083331 指導(dǎo)教師： 侯淑萍 2010年12月 9日電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 基本功能1）能夠測(cè)量正弦波、方波、三角波等交流信號(hào)的頻率；2）測(cè)量信號(hào)的頻率范圍為1hz9999khz，分辨率為1hz；3）測(cè)量結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)值，通過(guò)四個(gè)數(shù)碼管顯示；4）可手動(dòng)測(cè)量，手動(dòng)清零；5）具有高精度、迅速測(cè)量、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。1.2 擴(kuò)展功能1）具有不同可測(cè)頻率范圍的多個(gè)檔位；2）有超量程警告，當(dāng)測(cè)量信號(hào)頻率超過(guò)所選檔位的量程時(shí)，頻率計(jì)發(fā)出警報(bào)。

2、2 設(shè)計(jì)原理脈沖信號(hào)的頻率就是在單位時(shí)間(1s)里產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，若在一定時(shí)間間隔tw內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為n，則其頻率可表示為： f=n/t （1）數(shù)字頻率計(jì)的總體框圖如圖1所示：整形電路被測(cè)正弦、三角波信號(hào)計(jì)數(shù)器閘門電路被測(cè)方波信號(hào)鎖存電路顯示電路1s0.1s0.01s1mst1超量程報(bào)警vx圖1數(shù)字頻率計(jì)由四大基本電路組成：整形系統(tǒng)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的閘門電路，可控的計(jì)數(shù)系統(tǒng)、鎖存譯碼顯示電路、超量程報(bào)警系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)放大衰減后的被測(cè)信號(hào)（包括正弦波，三角波，方波等周期信號(hào)）經(jīng)過(guò)整形電路，變成峰值為35v(與ttl兼容)的方波信號(hào)vx，送入計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖端。當(dāng)門控信號(hào)到來(lái)后，閘

3、門電路開(kāi)啟，時(shí)間為t1，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，t1時(shí)間過(guò)后閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止，鎖存器使能端置零，計(jì)數(shù)結(jié)果被鎖存，通過(guò)數(shù)碼管可以方便讀出被測(cè)信號(hào)頻率。圖2為數(shù)字頻率計(jì)的波形圖：圖23 電路設(shè)計(jì)3.1 整形電路1）搶答電路的功能：將被測(cè)信號(hào)整形成方波，方便計(jì)數(shù)。2）整形電路如圖3所示：圖3.13）整形電路原理及功能實(shí)現(xiàn)：xfg1為multisim軟件自帶的波形發(fā)生器,能產(chǎn)生不同頻率的，占空比可調(diào)的三角波，正弦波和方波，所產(chǎn)生信號(hào)可代替被測(cè)外界周期信號(hào)，方便進(jìn)行仿真。74ls14d為有施密特觸發(fā)器的六反相器，作用是將三角波或正弦波整形成方波，這里我們只用其中一個(gè)就行。施密特反相器功能表如表1所示：表1

4、其核心部分為施密特電路。施密特觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)不同的閥值電壓。分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)只要幅度大于vt+，即

5、可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。4）整形電路的輸入輸出波形：圖3.11 圖3.12圖3.11圖3.12分別為輸入信號(hào)分別為正弦波和三角波時(shí)整形電路的波形圖。3.2閘門電路1）閘門電路功能：只有當(dāng)閘門開(kāi)啟時(shí)，計(jì)數(shù)器才實(shí)現(xiàn)技術(shù)功能，計(jì)數(shù)器開(kāi)啟的時(shí)間就是閘門開(kāi)啟時(shí)間。計(jì)數(shù)結(jié)果為外界整形之后得到的方波的負(fù)脈沖個(gè)數(shù)?？梢?jiàn)，當(dāng)閘門開(kāi)啟時(shí)間一定時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率可由計(jì)數(shù)結(jié)果與閘門開(kāi)啟時(shí)間相除求得。2）閘門電路圖如3.2所示：圖3.23）閘門電路原理及功能實(shí)現(xiàn)：閘門電路是555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸入端為tri端，閉合j1，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)。輸出端out（io1）連入計(jì)數(shù)器的load端

6、，io1輸出高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。io2連接到第二個(gè)數(shù)碼管和第三個(gè)數(shù)碼管之間的指示燈上，io3連接到第三個(gè)數(shù)碼管和第和個(gè)數(shù)碼管之間的指示燈上。選擇對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)檔位，該指示等亮，表示對(duì)應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)顯示。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器特點(diǎn)如下：1）.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 2）.在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 3）.由于電路中rc延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時(shí)間又回到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間取決于rc的參數(shù)值。沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，即j1為斷開(kāi)狀態(tài)，vi (tri端)處于高電平，接通電源后，vo=0,電路只有一種穩(wěn)態(tài)，vo保持低電平不變。 當(dāng)圖中j1閉合，觸發(fā)輸入

7、端施加觸發(fā)信號(hào)（vi<vcc/3）,電路的輸出狀態(tài)由低電平跳為高電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，放電三極管t截止，此后電容c1充電至vc=2vcc/3時(shí)，電路的輸出電壓vo由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，同時(shí)t導(dǎo)通，于是電容c1放電，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略t的飽和壓降，則vc從0電平升到2vcc/3的時(shí)間，即為輸出電壓vo的脈寬twtw=rc1in31.1rc （2） 在電路暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，加入新的觸發(fā)脈沖， 該脈沖不起作用，電路為不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。令c1=10 nf，由公式（2）可知，r取不同的值時(shí)，數(shù)字頻率計(jì)所測(cè)信號(hào)頻率范圍不同，分辨率也不同。當(dāng)只有j2閉合，選擇r5=91.2mohm的

8、檔，tw=r5c1in31s，f=n/1,顯示數(shù)值為所測(cè)信號(hào)頻率，單位為hz，可測(cè)頻率范圍1hz9999hz，分辨率1hz；當(dāng)只有j3閉合，選擇r4=9.12mohm的檔，tw=r4c1in30.1s，f n/0.1=10n，io2連入的指示燈亮，顯示數(shù)值（帶小數(shù)點(diǎn)）為所測(cè)信號(hào)頻率，單位為khz，可測(cè)頻率范圍10hz99.99khz，分辨率10hz；當(dāng)只有j4閉合，選擇r3=912kohm的檔，tw=r3c1in30.01s，f=n/0.01=100n, io3連入的指示燈亮，顯示數(shù)值（帶小數(shù)點(diǎn)）為所測(cè)信號(hào)頻率，單位為khz，可測(cè)頻率范圍100hz999.9khz，分辨率100hz；當(dāng)只有j5

9、閉合，選擇r1=9.12kohm的檔，tw=r1c1in31ms，f n/0.001=1000n,顯示數(shù)值為所測(cè)信號(hào)頻率的，單位為khz，可測(cè)頻率范圍1khz9999khz，分辨率1khz;總結(jié)：閘門時(shí)間選擇將得到不同的分辨力，閘門時(shí)間越長(zhǎng)，分辨力越高，但速度降低，為達(dá)到測(cè)量迅速的目的，在設(shè)計(jì)中我們選擇設(shè)定閘門時(shí)間都在1s及以下的檔。4)閘門電路輸入輸出波形：下圖為分別選擇分辨率為1hz（圖3.21）、10hz（圖3.22）、100hz（圖3.23）、1khz（圖3.24）的檔位，閘門電路輸入輸出的波形圖，其中tw=t2-t1.由圖可知，當(dāng)施密特觸發(fā)器觸發(fā)輸入端輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)（下降沿）時(shí)，其

10、輸出端輸出一個(gè)時(shí)間為tw的高電平，tw分別約等于1s,100ms,10ms,1ms.圖3.21 圖3.22 圖3.23 圖3.243.3計(jì)數(shù)電路1) 計(jì)數(shù)電路的功能：脈沖信號(hào)進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在閘門時(shí)間t1=tw內(nèi),累計(jì)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)n=t×f，計(jì)數(shù)器通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，可直接或間接測(cè)出周期信號(hào)的頻率。2）計(jì)數(shù)電路如圖3.3所示：圖3.33）計(jì)數(shù)電路原理及功能實(shí)現(xiàn)：計(jì)數(shù)電路所選芯片為74ls160，該芯片為可預(yù)置的十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器。其真值表如表2所示：表274ls160 的清除端是異步的。當(dāng)清除端clr為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端clk狀態(tài)如何，即可完成清除功能；74ls160 的預(yù)置是同步

11、的。當(dāng)置入控制器load為低電平時(shí)，在cp 上升沿作用下，輸出端qaqd 與數(shù)據(jù)輸入端ad一致；160 的計(jì)數(shù)是同步的，靠clk 同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)cep、cet 均為高電平時(shí)，在cp 上升沿作用下qaqd同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。74ls160 有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位輸出端rco輸出一個(gè)高電平脈沖，其寬度為q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級(jí)聯(lián)成n 位同步計(jì)數(shù)器。只要將低位的進(jìn)位端rco與高位的clk端相連接即可。這里我們將四個(gè)74ls160級(jí)聯(lián)成4位同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。整個(gè)計(jì)數(shù)電路的輸入端io1（第一個(gè)74ls160的load端）與

12、閘門電路的輸出端連接，閘門打開(kāi)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。io2為最高位的進(jìn)位端，在之后的超量程報(bào)警中用到。3.4 鎖存顯示電路1）鎖存顯示電路功能：當(dāng)計(jì)數(shù)完成，即閘門關(guān)閉時(shí)，通過(guò)鎖存電路將計(jì)數(shù)結(jié)果鎖存，計(jì)數(shù)結(jié)果（為十進(jìn)制，讀數(shù)方便）通過(guò)四個(gè)十六進(jìn)制數(shù)碼管顯示，不需要通過(guò)譯碼，大大的簡(jiǎn)化了電路。2）鎖存顯示電路圖如圖3.4所示，圖3.4注：圖3.4中l(wèi)ock1為整體電路的子電路形式，整個(gè)設(shè)計(jì)中要用到4個(gè)該子電路，分別對(duì)計(jì)數(shù)器電路的四位數(shù)字進(jìn)行鎖存。圖3.41為該子電路的原理圖：圖3.413）鎖存顯示電路原理及功能實(shí)現(xiàn)：鎖存電路由四個(gè)d鎖存器構(gòu)成，d鎖存器是電平觸發(fā)的存儲(chǔ)單元。數(shù)

13、據(jù)存儲(chǔ)的動(dòng)作取決于使能信號(hào)的電平值，僅當(dāng)存儲(chǔ)器處于使能狀態(tài)時(shí)，輸出才會(huì)隨著數(shù)據(jù)輸入發(fā)生變化。在不鎖存數(shù)據(jù)時(shí)，輸出端的信號(hào)隨著輸入信號(hào)發(fā)生變化，就像信號(hào)通過(guò)一個(gè)緩沖器一樣；一旦鎖存信號(hào)起鎖存作用，數(shù)據(jù)被鎖住，輸入信號(hào)不起作用。其真值表如表3所示： d鎖存器真值表endq10011100鎖存01鎖存表3四個(gè)鎖存器的輸入端d分別與計(jì)數(shù)器的qaqd相連，輸出端q分別與后面的顯示電路相連。4個(gè)d鎖存器的en端都連接到閘門電路的輸出端，當(dāng)閘門打開(kāi)時(shí)，輸出端的信號(hào)隨著輸入信號(hào)發(fā)生變化，不起鎖存作用，閘門關(guān)閉后，鎖存信號(hào)起鎖存作用，數(shù)據(jù)被鎖住，輸入信號(hào)不起作用。3.5 超量程報(bào)警顯示電路1）超量程報(bào)警顯示電路

14、功能：在被測(cè)信號(hào)頻率范圍未知的情況下，如果選擇了不合適的檔位，特別是量程小于被測(cè)頻率的檔，此時(shí)不能正確測(cè)量信號(hào)頻率。超量程報(bào)警顯示電路在超量程測(cè)量時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，并且通過(guò)信號(hào)燈進(jìn)行顯示，提醒用戶更換更高量程的檔位。2）超量程報(bào)警顯示電路如圖3.5所示：圖3.53）超量程報(bào)警顯示電路原理及功能實(shí)現(xiàn)：如圖可知，5輸入與門的5個(gè)輸入端，其中四個(gè)分別與個(gè)十百千位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端rco連接，剩下的一個(gè)與閘門電路的輸出端連接。輸出端連接到一個(gè)指示燈以及蜂鳴器的一端。當(dāng)閘門仍然處于開(kāi)啟狀態(tài)，計(jì)數(shù)至9999，即四個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)位端都處于高電平時(shí)，與門輸出高電平，指示燈亮，且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。3.6 整機(jī)電路整機(jī)電路

15、圖如圖3.5所示：圖3.5注：為了節(jié)約空間，整機(jī)電路圖中計(jì)數(shù)電路的擺放與圖3.3不同，但連線完全一樣。3.7 其余功能的實(shí)現(xiàn)主要為手動(dòng)清零功能以及測(cè)量完成顯示功能。手動(dòng)清零功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠開(kāi)關(guān)j6，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，計(jì)數(shù)電路和閘門電路正常工作，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，計(jì)數(shù)電路與閘門電路均無(wú)外電源供應(yīng)，起到手動(dòng)清零的作用。清零后將開(kāi)關(guān)再次閉合，可以進(jìn)行下次測(cè)量。測(cè)量完成狀態(tài)由顯示燈x4顯示。測(cè)量完成即閘門關(guān)閉時(shí)，閘門電路輸出低電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門后變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)指示燈x4亮，表示測(cè)量完成。3.8 仿真結(jié)果在multisim軟件里，按下仿真鍵，將開(kāi)關(guān)j6閉合，依次選擇1hz檔，10hz檔，100hz，1khz

16、檔，測(cè)不同范圍頻率，檢查結(jié)果是否與理論值相符合。外界被測(cè)信號(hào)由軟件自帶的波形發(fā)生器生成，可設(shè)置任意頻率值。下面分別為用1hz檔測(cè)頻率為1001hz的信號(hào)(如圖4.1)，10hz檔測(cè)頻率為11.03khz的信號(hào)(如圖4.2)，100hz檔測(cè)頻率為111.1khz的信號(hào)(如圖4.3)，1khz檔測(cè)頻率為1001khz的信號(hào)(如圖4.4)所得的仿真結(jié)果。圖4.1圖4.2圖4.3圖4.4仿真所測(cè)值與理論值大致相等。hz檔誤差為±1hz，10hz檔誤差為±10hz, 100hz檔誤差為±100hz, 1khz檔誤差為±1khz。測(cè)量完成后，x4指示燈亮。4 設(shè)計(jì)體

17、會(huì)一周的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這一周里，在我們組全體成員的努力和合作下，這次課程設(shè)計(jì)以圓滿告終。這一周的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，不僅是鞏固了先前學(xué)的模電、數(shù)電的理論知識(shí)，而且也培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力，更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展。只有擁有扎實(shí)的理論知識(shí)才能形成設(shè)計(jì)理念。課程設(shè)計(jì)前期，我們查閱了大量資料，重拾電子技術(shù)教材以及相關(guān)讀物，對(duì)知識(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的梳理。溫故而知新，對(duì)理論知識(shí)有了全面的掌握后，我們整理出思路，靈感一觸即發(fā)，我們很快設(shè)計(jì)出總體框架圖。然而實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，有了理論基礎(chǔ)的我們，在實(shí)際操作中并非一帆風(fēng)順。電路連接好以后，我們遇到了很多問(wèn)題，譬如在設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的超量程報(bào)

18、警時(shí)，計(jì)數(shù)到9000它就開(kāi)始顯示超程；譬如小數(shù)點(diǎn)的設(shè)置，譬如555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等等。這些問(wèn)題一度讓我們百思不得其解，但是通過(guò)不斷的調(diào)試，這些問(wèn)題最終得到了解決。創(chuàng)新求發(fā)展，雖然網(wǎng)上不乏可借鑒的資料，這些資料能打開(kāi)我們的思路，給我們靈感，但是我們每一步的設(shè)計(jì)都是通過(guò)自己思考，加入我們自己的創(chuàng)新思維。有則改之無(wú)則加勉，雖然我們的設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成，也得到了指導(dǎo)老師的肯定，但是我們?nèi)匀蛔非笸昝?。有時(shí)候我們整天都在宿舍進(jìn)行仿真調(diào)試，就為了精度能夠更高，讀數(shù)能夠更加方便，操作使用更加人性化甚至電路看上去更整潔清晰。仿真的過(guò)程有時(shí)候很緩慢，例如為了驗(yàn)證超量程報(bào)警是否可行，計(jì)數(shù)器要計(jì)數(shù)到9999，這個(gè)過(guò)程甚至可以長(zhǎng)達(dá)半個(gè)小時(shí)之久。我們耐心和執(zhí)著的態(tài)度，使得我們的設(shè)計(jì)成果一點(diǎn)點(diǎn)得到改進(jìn)。我們也從中不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。這一周的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，不僅是鞏固了先前學(xué)的模電、數(shù)電的理論知識(shí)，而且也培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)合作能力，磨煉了我的毅力，更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展。 參考資料1 曾龍坤. 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)j. 集成電路應(yīng)用, 1991, (06)2 易靈芝,王根平,李衛(wèi)平,彭寒梅. multisim在電類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用j計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2009,(05)3 翟紅藝. 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討j計(jì)算機(jī)教育, 2010,(13)4 李峻薇