基于Multisim數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)

1、成績(jī)：數(shù)字電路綜合設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：數(shù)字電路與邏輯綜合設(shè)計(jì)題 目：數(shù)字頻率計(jì)姓 名：孫喜洋專 業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級(jí)：15-5班學(xué) 號(hào)：1504010522計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2016年12月24日一、概述1.數(shù)字邏輯電路數(shù)字頻率計(jì)是采用數(shù)字電路制作成的能實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性變化信號(hào)頻率測(cè)量的儀器。頻率計(jì)主要用于測(cè)量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號(hào)的頻率值。其擴(kuò)展功能可以測(cè)量信號(hào)的周期和脈沖寬度。2.數(shù)字頻率計(jì)要求：可以測(cè)量正弦波、三角波、方波、周期性異型波，用數(shù)碼管顯示被測(cè)量波的頻率，可以根據(jù)被測(cè)信號(hào)幅值設(shè)定參考電壓。每1秒更新一次顯示。可以連續(xù)測(cè)量，暫停、復(fù)位，可以設(shè)定頻率上下限報(bào)警

2、。測(cè)量范圍09999Hz。3.利用這學(xué)期所學(xué)的電路設(shè)計(jì)，將LC震蕩波形發(fā)生器，555施密特方波整形，秒脈沖發(fā)生電路及數(shù)字邏輯電路知識(shí)，組合設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)。 二、電路設(shè)計(jì)原理與單元模塊1.整體設(shè)計(jì)框圖圖1 波形產(chǎn)生部分圖2.頻率計(jì)部分波形產(chǎn)生部分：利用LC震蕩波形，經(jīng)過(guò)555施密特方波整形，變成方形波。頻路計(jì)數(shù)部分：由四個(gè)74LS192(十進(jìn)制計(jì)數(shù)器)實(shí)現(xiàn)對(duì)波形頻率計(jì)數(shù)功能，在秒脈沖的控制下，打到鎖存器74LS273,并且每秒更新頻率值，同時(shí)完成對(duì)計(jì)數(shù)器的清零，另設(shè)清零單元和限制報(bào)警電路，在傳遞函數(shù)最小值0.001s對(duì)計(jì)數(shù)器，鎖存器進(jìn)行清零，與非控制蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)限制報(bào)警功能。2. LC

3、震蕩電路1) LC 振蕩電路由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成的振蕩電路可以產(chǎn)生高頻振蕩(幾百千赫以上)圖3.LC原理圖2）電容三點(diǎn)式振蕩單元和選頻網(wǎng)絡(luò) 選頻網(wǎng)絡(luò)由電感L和電容C1、C2組成諧振回路，諧振回路的三個(gè)端點(diǎn)分別接晶體管集電極，發(fā)射極，基極，將電容C2兩端電壓作為反饋信號(hào)。設(shè)C1、C2串聯(lián)的等效電容為C,即但調(diào)節(jié)f0要同時(shí)調(diào)節(jié)C1、C2，并要保持C1、C2的比值不變，很不方便，因此該電路常作為固定頻率輸出，C2根據(jù)自身參數(shù)，在復(fù)雜的頻譜中選取與自身諧振頻率相同的頻率將其反饋，而其他頻率成分因不滿足振蕩條件被衰減，故振蕩電路就產(chǎn)生了單一頻率的正弦波。3）放大電路放大單元由2NSC945，

4、三極管構(gòu)成放大電路，在振蕩開始時(shí)，由于激勵(lì)信號(hào)較弱，輸出電壓的振幅Uo則比較小，此后經(jīng)過(guò)不斷放大與反饋循環(huán)，輸出幅度U0開始逐漸增大，為了維持這一過(guò)程使輸出振幅不斷增加，應(yīng)使反饋回來(lái)的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大，即振蕩開始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩，即：T(jw ) > 1，將反饋信號(hào)放大，反饋網(wǎng)絡(luò)起正反饋，將信號(hào)反饋到放大單元輸入，進(jìn)一步放大，所以此信號(hào)得以不斷放大最終由輸出端輸出。4）整體電路圖圖4.LC震蕩電路圖圖5.波形圖3.555施密特方波整形1）555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的電路圖如圖4-13所示,施密特觸發(fā)器屬于波形變換電路，該電路可以將正弦波、三角波、鋸齒波變?yōu)槊}沖信號(hào)。圖6.555

5、施密特電路組成 圖7.555施密特集成圖2）工作原理（1）Vi=0V時(shí)由于VTH=VTR；Vi=0V,顯然，比較器C1輸出為1，比較器C2輸出為0,基本RS觸發(fā)器工作狀態(tài)為1，即Q=1,Uo1=Uo2=UOH。Vi升高，在未到2VCC/3之前，狀態(tài)不變。（2）Vi上升到2VCC/3時(shí)比較器C1輸出為0，比較器C2輸出為1,基本RS觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到0，即Q=0,Uo1=Uo2=UOL。Vi下降，在未到VCC/3之前，狀態(tài)不變。（3）Vi下降到到VCC/3時(shí)比較器C1輸出為1，比較器C2輸出為0, 基本RS觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)1，即Q=1 ,Uo1=Uo2=UOH。Vi下降到0之前，狀態(tài)不變。圖8.

6、施密特工作波形3)靜態(tài)參數(shù)(1)接通電平V+把Vi上升過(guò)程中，使施密特觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出電壓VO由高電平UOH跳變到低電平UOL時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓的值叫做接通電平。在圖6中，V+ =2VCC/3。(2)斷開電平V-把Vi下降過(guò)程中，使施密特觸發(fā)器狀態(tài)更新，輸出電壓VO由低電平UOL跳變到高電平UOH時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓的值叫做斷開電平。在圖6中，V-=VCC/3。(3)回差電壓V回差電壓又叫滯回電壓，定義為V= V+ - V-在圖6中V=V+ - V- =2VCC/3-VCC/3=VCC/34）整體電路圖8.整流部分電路圖圖9.整流工作電路圖（說(shuō)明：LC發(fā)生波形失真）4.電壓跟隨器1）電壓

7、跟隨器是實(shí)現(xiàn)輸出電壓跟隨輸入電壓的變化的一類電子元件，電壓跟隨器在電路中用作中間級(jí)，以“隔離”前后級(jí)之間的影響，此時(shí)稱之為緩沖級(jí)?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點(diǎn)。2）工作原理電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特點(diǎn)，圖10有運(yùn)算放大器和將輸出完全反饋到輸入的一根導(dǎo)線所組成，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，使前、后級(jí)電路之間互不影響。3）整體電路圖10.電壓跟隨器電路圖5.74LS192計(jì)數(shù)器1）74LS192是可預(yù)

8、置同步的十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。表1.74LS192真值表2）引腳功能 UP為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，DOWN為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。 LOAD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 CLR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出， BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。A-D是初始置數(shù)端：在LOAD為高電平時(shí)QA-QD輸出端則輸出為初始置數(shù)，在LOAD為高電平時(shí)，QA-QD是輸出端輸出為計(jì)數(shù)結(jié)果。圖11.74LS192引腳圖3）功能實(shí)現(xiàn)說(shuō)明：用四個(gè)74LS192串聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率0-9999的加法計(jì)數(shù)，輸出接到四個(gè)七段顯示譯碼器（紅色

9、），進(jìn)行直觀的顯示，為了便于計(jì)數(shù)器的調(diào)試波形的發(fā)生用函數(shù)發(fā)生計(jì)。圖12.頻率計(jì)數(shù)顯示4）整體電路圖三、數(shù)字電路的仿真與調(diào)試四、總結(jié)最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求抓圖。結(jié)果可以是仿真時(shí)序波形圖圖13.計(jì)數(shù)部分電路6.鎖存器及復(fù)位、清零1）鎖存器74ls273:是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時(shí)，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。CLR復(fù)位端：低電平有效,當(dāng)是低電平時(shí),輸出腳Q1-Q8全部輸出0,即全部復(fù)位;CLK觸發(fā)端:當(dāng)CLR腳為高電平時(shí),CLK是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)有一個(gè)上升沿,立即鎖存輸入腳D1-D8的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳Q1-Q8上。 圖14.74LS

10、273引腳圖同樣，用輸出接到四個(gè)七段顯示譯碼器（綠色），進(jìn)行直觀的每秒頻率顯示。圖15. 每秒頻率顯示2）復(fù)位控制由要求可知要求每秒一更新數(shù)字頻率計(jì)的頻率，用脈沖時(shí)鐘源（1HZ）統(tǒng)一控制鎖存器和計(jì)數(shù)器清零端實(shí)現(xiàn)圖16.脈沖時(shí)鐘源3）窄脈沖產(chǎn)生器（邏輯電路中門的延遲產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)）圖17. 窄脈沖電路4）清零控制清零實(shí)現(xiàn)原理與復(fù)位實(shí)現(xiàn)原理相同，不同的是清零頻率更高，間隔時(shí)間設(shè)為傳遞函數(shù)0.001秒，都是在計(jì)數(shù)器和鎖存器清零端加單刀雙刃開關(guān)，一個(gè)接清零，一個(gè)接復(fù)位圖18.控制電路5）該部分整體電路五、參考文獻(xiàn)圖19.鎖存、清零、復(fù)位電路圖7.頻率限制設(shè)定1000（或者其他值）為報(bào)警限制，用三輸入

11、與門與蜂鳴器組合邏輯實(shí)現(xiàn)，注意蜂鳴器的電壓要比電源電壓低而且頻率不能超過(guò)100k也不能太小。圖20.1上限報(bào)警電路三、數(shù)字電路的仿真與調(diào)試1.整體電路圖21.整體電路圖2.LC振蕩由C1=C2=1nF=10-9FL=18mH=10-3Hf0=圖22.fo計(jì)算理論值圖23.fo實(shí)驗(yàn)實(shí)際值（說(shuō)明：三點(diǎn)式LC振蕩電路的振蕩頻率嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不僅與L、C有關(guān)，還與晶體管參數(shù)有關(guān)）3.555施密特觸發(fā)器圖24.波形調(diào)試相關(guān)實(shí)驗(yàn)值(說(shuō)明“XFC1”是LC振蕩頻率計(jì)，“XFC2”是555整流頻率計(jì)，綠色正弦波是LC振蕩產(chǎn)生，紅色方波是555整流后)4.計(jì)數(shù)器與鎖存器為了方便調(diào)試將J1、J2開關(guān)置上，接入函數(shù)發(fā)生器

12、，實(shí)現(xiàn)每秒計(jì)數(shù)、更新頻率的功能，同時(shí)，將時(shí)鐘脈沖源頻率設(shè)為10HZ,即0.1秒更新，清零的函數(shù)發(fā)生器頻率固定位1000HZ,即使0.001s清零,代替波形發(fā)生的函數(shù)發(fā)生器測(cè)試頻率為1000HZ,即0.01秒100HZ。圖25.計(jì)數(shù)鎖存調(diào)試相關(guān)實(shí)驗(yàn)值為了方便調(diào)試將J1開關(guān)置上，接入函數(shù)發(fā)生器，J1開關(guān)置下，實(shí)現(xiàn)同時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器和鎖存器的功能，其他參數(shù)不變。圖26.計(jì)數(shù)鎖存復(fù)位相關(guān)實(shí)驗(yàn)值6.警報(bào)器為了方便觀察和調(diào)試，將頻率限制電路改為一輸入控制，限制值設(shè)為100HZ,設(shè)立橙色燈和蜂鳴器進(jìn)行警報(bào)提示圖27.上限警報(bào)器工作四、總結(jié) 通過(guò)這一學(xué)期的數(shù)字電路設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，我感到了數(shù)字邏輯的魅力，通過(guò)親自動(dòng)手設(shè)

13、計(jì)調(diào)試修改，使我進(jìn)一步熟悉掌握了數(shù)字邏輯的基礎(chǔ)知識(shí)和，為我今后的學(xué)習(xí)奠定了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)態(tài)度。 首先，在對(duì)上學(xué)期以及這學(xué)期所學(xué)的理論課而言，這學(xué)期大量的實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、實(shí)踐給了我一個(gè)很好的把理論應(yīng)用到實(shí)踐的平臺(tái)和機(jī)會(huì)，讓我們能夠很好的把書本知識(shí)轉(zhuǎn)化到實(shí)際能力，提高了對(duì)于理論知識(shí)的理解，認(rèn)識(shí)和掌握，同時(shí)提高了我對(duì)Multisim這個(gè)仿真平臺(tái)的熟練操作。 其次，這學(xué)期的課程設(shè)計(jì)很好的解決了我們實(shí)踐能力不足且得不到很好鍛煉機(jī)會(huì)的不足，通過(guò)這學(xué)期的鍛煉，提高了自身的實(shí)踐能力和思考能力，并且能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)很好解決自己對(duì)于理論的學(xué)習(xí)中存在的一些知識(shí)盲點(diǎn)。 回顧這學(xué)期的每次課上課下設(shè)計(jì)電路調(diào)試電路的過(guò)程，收

14、獲還是很多的。最直接的收獲是提高了實(shí)驗(yàn)中的基本操作能力，并對(duì)Multisim仿真有了了解，并掌握了基本的操作。但我感到更重要的收獲是培養(yǎng)了自己對(duì)電路設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)和體會(huì)，促進(jìn)自己不斷的思考，不斷找資料修改電路，不斷地翻書查找問(wèn)題的原因，不斷找同學(xué)交流共同提高。在這個(gè)過(guò)程中，我就是切身的體驗(yàn)到了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度和學(xué)習(xí)態(tài)度是十分重要，會(huì)直接決定你完成電路的質(zhì)量和準(zhǔn)確，也反映出一個(gè)人做事的態(tài)度與責(zé)任。 在最后的綜合設(shè)計(jì)中，我遇到了很多困難，有的通過(guò)查找網(wǎng)頁(yè)資料解決了，有的通過(guò)與別人的交流也得到了解決，當(dāng)用了很多時(shí)間和精力去自己去琢磨，去試驗(yàn)，卻沒(méi)有什么進(jìn)展的時(shí)候，真的會(huì)覺(jué)得很沮喪，想放棄，但走過(guò)來(lái)的時(shí)候回想，看著自己或許不完美的電路圖和綜合報(bào)告，心里有一股深深的自豪與開心，感謝這一路的經(jīng)歷與成長(zhǎng)。五、參考文獻(xiàn)1 Multisim的用戶手冊(cè).2 毛法堯 數(shù)字邏輯 （第二版）2000年6月3 葉挺秀、張伯堯 電工電子學(xué)（第二版）199