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： 自動化系 專 業(yè)： 自動化 學(xué) 號： 20083331 指導(dǎo)教師： 侯淑萍 2010年12月 9日數(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）能夠測量正弦波、方波、三角波等交流信號的頻率；2）測量信號的頻率范圍為1HZ9999KHZ，分辨率為1HZ；3）測量結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)值，通過四個(gè)數(shù)碼管顯示；4）可手動測量，手動清零；5）具有高精度、迅速測量、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。1.2 擴(kuò)展功能1）具有不同可測頻率范圍的多個(gè)檔位；2）有超量程警告，當(dāng)測量信號頻率超過所選檔位的量程時(shí)，頻率計(jì)發(fā)出警報(bào)。2 設(shè)計(jì)原理脈沖

2、信號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)測得這個(gè)周期信號的重復(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：整形電路被測正弦、三角波信號計(jì)數(shù)器閘門電路被測方波信號鎖存電路顯示電路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)過放大衰減后的被測信號（包括正弦波，三角波，方波等周期信號）經(jīng)過整形電路，變成峰值為35V(與TTL兼容)的方波信號Vx，送入計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖端。當(dāng)門控信號到來后，閘門電路開啟，時(shí)間

3、為T1，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，T1時(shí)間過后閘門關(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，通過數(shù)碼管可以方便讀出被測信號頻率。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：將被測信號整形成方波，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)生信號可代替被測外界周期信號，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其核心部分為施密

4、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)由輸入信號電位維持；對于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，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。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(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)換過程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器

5、的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。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)閘門開啟時(shí)，計(jì)數(shù)器才實(shí)現(xiàn)技術(shù)功能，計(jì)數(shù)器開啟的時(shí)間就是閘門開啟時(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?，當(dāng)閘門開啟時(shí)間一定時(shí)，被測信號頻率可由計(jì)數(shù)結(jié)果與閘門開啟時(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，IO1輸出高電

6、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。選擇對應(yīng)對應(yīng)檔位，該指示等亮，表示對應(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。沒有觸發(fā)信號時(shí)，即J1為斷開狀態(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)輸入端施加觸發(fā)信號（

7、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)所測信號頻率范圍不同，分辨率也不同。當(dāng)只有J2閉合，選擇R5=91.2MOhm的檔，tw=R5C

8、1In31s，f=N/1,顯示數(shù)值為所測信號頻率，單位為HZ，可測頻率范圍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)）為所測信號頻率，單位為KHZ，可測頻率范圍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)）為所測信號頻率，單位為KHZ，可測頻率范圍100HZ999.9KHZ，分辨率100HZ；當(dāng)只有J5閉合，選擇R1=

9、9.12kOhm的檔，tw=R1C1In31ms，f N/0.001=1000N,顯示數(shù)值為所測信號頻率的，單位為KHZ，可測頻率范圍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，分辨力越高，但速度降低，為達(dá)到測量迅速的目的，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（下降沿）時(shí)，其輸出端輸出一個(gè)時(shí)

10、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)信號脈沖個(gè)數(shù)N=T×f，計(jì)數(shù)器通過對脈沖信號計(jì)數(shù)，可直接或間接測出周期信號的頻率。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)置是同步的。當(dāng)置入控制器

11、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）與閘門電路的輸出端

12、連接，閘門打開，計(jì)數(shù)器開始計(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）通過四個(gè)十六進(jìn)制數(shù)碼管顯示，不需要通過譯碼，大大的簡化了電路。2）鎖存顯示電路圖如圖3.4所示，圖3.4注：圖3.4中LOCK1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)的存儲單元。數(shù)據(jù)存儲的動作取決

13、于使能信號的電平值，僅當(dāng)存儲器處于使能狀態(tài)時(shí)，輸出才會隨著數(shù)據(jù)輸入發(fā)生變化。在不鎖存數(shù)據(jù)時(shí)，輸出端的信號隨著輸入信號發(fā)生變化，就像信號通過一個(gè)緩沖器一樣；一旦鎖存信號起鎖存作用，數(shù)據(jù)被鎖住，輸入信號不起作用。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)閘門打開時(shí)，輸出端的信號隨著輸入信號發(fā)生變化，不起鎖存作用，閘門關(guān)閉后，鎖存信號起鎖存作用，數(shù)據(jù)被鎖住，輸入信號不起作用。3.5 超量程報(bào)警顯示電路1）超量程報(bào)警顯示電路功能：在被測信號

14、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頻率的檔，此時(shí)不能正確測量信號頻率。超量程報(bào)警顯示電路在超量程測量時(shí)會進(jìn)行報(bào)警，并且通過信號燈進(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)電路圖如圖3.5所示

15、：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)主要為手動清零功能以及測量完成顯示功能。手動清零功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠開關(guān)J6，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，計(jì)數(shù)電路和閘門電路正常工作，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，計(jì)數(shù)電路與閘門電路均無外電源供應(yīng)，起到手動清零的作用。清零后將開關(guān)再次閉合，可以進(jìn)行下次測量。測量完成狀態(tài)由顯示燈X4顯示。測量完成即閘門關(guān)閉時(shí)，閘門電路輸出低電平，經(jīng)過一個(gè)非門后變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)指示燈X4亮，表示測量完成。3.8 仿真結(jié)果在Multisim軟件里，按下仿真鍵，將開關(guān)J6閉合，依次選擇1HZ檔，10HZ檔，100HZ，1KHZ檔，測不同范圍頻

16、率，檢查結(jié)果是否與理論值相符合。外界被測信號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檔測頻率為1001HZ的信號(如圖4.1)，10HZ檔測頻率為11.03kHZ的信號(如圖4.2)，100HZ檔測頻率為111.1kHZ的信號(如圖4.3)，1kHZ檔測頻率為1001kHZ的信號(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。測量完成后，X4指示燈亮。4 設(shè)計(jì)體會一周的電子技術(shù)

17、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，而且也培養(yǎng)了我的動手能力，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，對知識進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的梳理。溫故而知新，對理論知識有了全面的掌握后，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，我們遇到了很多問題，譬如在設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的超量程報(bào)警時(shí)，計(jì)數(shù)到90

18、00它就開始顯示超程；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。這些問題一度讓我們百思不得其解，但是通過不斷的調(diào)試，這些問題最終得到了解決。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)都是通過自己思考，加入我們自己的創(chuàng)新思維。有則改之無則加勉，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)匀蛔非笸昝馈Ｓ袝r(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)過程甚至可以長達(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，而且也培養(yǎng)了我的動手能力，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