數(shù)字邏輯--數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)參考模板

1、1 / 18滁滁州州學(xué)學(xué)院院課課程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)報(bào)報(bào)告告課程名稱(chēng)：課程名稱(chēng)： 數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)題目： 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 系系 別：別： 網(wǎng)絡(luò)與通信工程系 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)工程 組組 別：別： 第四組 起止日期起止日期: 2012 年 5 月 28 日 2012 年 6 月 22 日 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師: 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院二計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院二一二年制一二年制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)目 錄1 引引言言.22 設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)要要求求 .22.1 題目.22.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求.22.3 制作要求.22.4 擴(kuò)展指標(biāo).22.5 運(yùn)行環(huán)境.22.6 設(shè)計(jì)條件.22.7 元件介紹.3 計(jì)數(shù)

2、顯示器.3 74160N.4 7473N.5 XFG1.63 整整體體設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)方方案案.74 詳詳細(xì)細(xì)分分析析 .841 單元電路設(shè)計(jì).842 控制電路.843 關(guān)于 JK 觸發(fā)器.944 測(cè)試.105 調(diào)調(diào)試試與與操操作作說(shuō)說(shuō)明明.105.1 第一次仿真.115.2 第二次仿真.115.3 第三次仿真.125.4 第四次仿真.126 課課程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)總總結(jié)結(jié).137 致致謝謝.148 參參考考文文獻(xiàn)獻(xiàn).141 1 引言引言數(shù)字頻率計(jì)是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要測(cè)量工具之一，同時(shí)也是其他許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測(cè)量?jī)x器。 數(shù)字頻率計(jì)是在基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)把測(cè)量的脈沖數(shù)記錄下來(lái)，換算成頻率并以數(shù)字的形式顯示出來(lái)。

3、數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)用于測(cè)量信號(hào)（方波、正玄波或其他周期信號(hào)）的頻率，并用十進(jìn)制數(shù)顯示。它具有精度高、測(cè)量速度快、讀數(shù)直觀、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。2 2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求2 2. .1 1 題題目目頻率計(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。頻率測(cè)量范圍：1HZ10HZ。數(shù)字顯示位數(shù)：四位靜態(tài)十進(jìn)制數(shù)顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。2 2. .2 2 系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)要要求求數(shù)字頻率計(jì)的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測(cè)信號(hào)為外部信號(hào)，送入測(cè)量電路進(jìn)行處理、測(cè)量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測(cè)試的項(xiàng)目頻率、周期或脈寬，若測(cè)量頻率則進(jìn)一步選擇檔位2 2. .3 3 制制作作

4、要要求求被測(cè)信號(hào)波形：正弦波、三角波和矩形波。測(cè)量頻率范圍：1Hz10kHz。測(cè)量周期范圍：0.1ms1s。測(cè)量脈寬范圍：0.1ms1s。測(cè)量精度：顯示 4 有效數(shù)字（要求分析 1Hz、1kHz 和 10kHZ 測(cè)量誤差） 。2 2. .4 4 擴(kuò)擴(kuò)展展指指標(biāo)標(biāo)要求測(cè)量頻率值時(shí)，1Hz10z 的精度均為1。2 2. .5 5 運(yùn)運(yùn)行行環(huán)環(huán)境境軟件環(huán)境：windows XP Multisim 10。硬件環(huán)境：微型計(jì)算機(jī)。2 2. .6 6 設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)條條件件電源條件：+5V。可供選擇的元器件范圍如表 2-2-1 所示：表 2-2-1 所需原件列表元件名稱(chēng)數(shù)量電源2 個(gè)計(jì)數(shù)顯示器4 個(gè)74160N4

5、 個(gè)7473N2 個(gè)OR31 個(gè)7408N1 個(gè)XFG11 個(gè)2 2. .7 7 元元件件介介紹紹 計(jì)數(shù)顯示器計(jì)數(shù)顯示器該元件本質(zhì)為顯示譯碼器，人們直接利用譯碼器驅(qū)動(dòng)顯示器，因此人們就把這種類(lèi)型的譯碼器叫做顯示譯碼器，也就是我們通常說(shuō)的顯示器。如圖 2-2-1 所示圖 2-2-1 計(jì)數(shù)顯示器其功能如表 2-2-2 所示表 2-2-2 計(jì)數(shù)器工作原理 74160N74160N74160N 是一種十進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，在本設(shè)計(jì)中由于仿真時(shí)受原件的限制，這里只使用計(jì)數(shù)芯片 74160，且要求顯示四位，四個(gè)計(jì)數(shù)器 74160N 可以組成分頻器。 如圖 2-2-2 所示圖 2-2-2 74160Nabcd

6、顯示結(jié)果000000001100102001130100401015011060111710008100191010A1011b1100c1101d1110E1111F其工作原理如表 2-2-3 所示表 2-2-3 74169N的工作原理MRCPCEPCETPEDNQNTC0XXXXX00Reset(clear)1.XX001.XXH1(1)Parallel load1.hhhXcount(1)Count1XXhXq(1)Hold (Do nothing)1XXhXq0 7473N7473N7473N 的主要功能由 JK 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng) JK 觸發(fā)器的 J、K 端同時(shí)接高電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)會(huì)

7、隨著每輸入一個(gè)脈沖改變一次。因此 JK 觸發(fā)器輸入端的頻率是輸出端的兩倍，這就是通常認(rèn)為的二分頻。將輸入端加到下一個(gè) JK 觸發(fā)器的時(shí)鐘端又可實(shí)現(xiàn)頻率的再次二分頻，以此類(lèi)推可實(shí)現(xiàn)頻率的逐次分頻。圖 2-3 7473N其功能如下表 2-2-4 所示表 2-2-4 7473N 的工作原理CLRCLKJKQQ0XXX011.00Hold1.10101.01011.11Toggle XFG1XFG1函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波掃三角波和矩形波，信號(hào)頻率可以再 1HZ 到 999MHZ 范圍內(nèi)調(diào)整，信號(hào)的幅值以及占空比等參數(shù)也可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，信號(hào)發(fā)生器有三個(gè)引線端口：負(fù)極、正極和公共端，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

8、的圖標(biāo)和面板如圖 2-2-4 所示圖 2-2-4 XFG13 3 整體設(shè)計(jì)方案整體設(shè)計(jì)方案數(shù)字頻率計(jì)一般由振蕩器、分頻器、放大整形器、控制電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路等部分組成。由振蕩器的振蕩電路產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，經(jīng)分頻器分頻得到控制脈沖?？刂泼}沖經(jīng)過(guò)控制器中的門(mén)電路分別產(chǎn)生選通脈沖、鎖存信號(hào)、清零信號(hào)。待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅、運(yùn)放的放大、施密特整形之后，輸出一個(gè)與待測(cè)信號(hào)同頻率的矩形脈沖信號(hào)，該信號(hào)與鎖存信號(hào)和清零信號(hào)共同控制計(jì)數(shù)、鎖存和清零三個(gè)狀態(tài)，然后通過(guò)數(shù)碼顯示器件顯示。數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖如圖 3-1 所示：施密特整形這不過(guò)、 、閘門(mén)檢測(cè)技術(shù)譯碼數(shù)碼顯示晶振分頻控制單元待測(cè)信號(hào)選通清零控制信號(hào)

9、圖 3-1 數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖4 4 詳細(xì)分析詳細(xì)分析4 41 1 單單元元電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)選用帶譯碼器的集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片 CD40110，該芯片有鎖存控制器端，可對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行鎖存。計(jì)數(shù)部分只顯示鎖存后的數(shù)據(jù)，每鎖定一次計(jì)數(shù)部分跳動(dòng)一次，更新數(shù)據(jù)，如此反復(fù)。由于仿真時(shí)受元件的限制，這里僅使用計(jì)數(shù)芯片 74160，且要求顯示四位，因此使用 4 組 74160和數(shù)碼管。將各計(jì)數(shù)器的 LOAD、ENP、ENT 分別接高電平，個(gè)位的 CLK 端外接技術(shù)信號(hào)，低位的進(jìn)位端接高電位的 CLK 端，各芯片的 CLK 端連接起來(lái)外接清零信號(hào)，4 個(gè)輸出端接數(shù)碼管，以此實(shí)現(xiàn)一個(gè)能顯示 4 位十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。連

10、接后電路如圖 4-1 所示：圖 4-1 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路4 42 2 控控制制電電路路控制電路時(shí)整個(gè)數(shù)字頻率計(jì)正常工作的核心部分，需仔細(xì)分析各種頻率信號(hào)（技數(shù)、選通、鎖存、清零）的時(shí)序關(guān)系，一最終控制計(jì)數(shù)譯碼器顯示電路的工作狀態(tài)。由于功能要求識(shí)別的最小頻率是 1HZ，因此將選通信號(hào)的高電平時(shí)間定為 1s，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)允許帶測(cè)信號(hào)輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)，鎖存和清零信號(hào)的輸出均為高電平。在選通信號(hào)為低電平是關(guān)閉閘門(mén)，計(jì)數(shù)停止，處于數(shù)據(jù)鎖存的時(shí)間段，此時(shí)的鎖存信號(hào)為低電平，清零信號(hào)仍為高電平，直到選通信號(hào)的下一個(gè)高電平到來(lái)前（開(kāi)始下一個(gè)計(jì)數(shù)） ，清零信號(hào)端輸出一個(gè)低電平時(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的清零，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)計(jì)

11、數(shù)周期。如此往復(fù)，以實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)頻率的反復(fù)測(cè)量。這幾個(gè)信號(hào)的工作時(shí)序如圖 4-2 所示：圖 4-2 控制電路各頻率信號(hào)時(shí)序關(guān)系4 43 3 關(guān)關(guān)于于 J JK K 觸觸發(fā)發(fā)器器當(dāng) JK 觸發(fā)器的 J、K 端同時(shí)接高電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)會(huì)隨著每輸入一個(gè)脈沖改變一次。因此 JK 觸發(fā)器輸入端的頻率是輸出端的兩倍，這就是通常認(rèn)為的二分頻。將輸入端加到下一個(gè) JK 觸發(fā)器的時(shí)鐘端又可實(shí)現(xiàn)頻率的再次二分頻，以此類(lèi)推可實(shí)現(xiàn)頻率的逐次分頻。電路連接和工作時(shí)序如圖 4-3 與 4-4 所示：圖 4-3 JK 觸發(fā)器分頻電路圖 4-4 工作時(shí)序圖4 44 4 測(cè)測(cè)試試創(chuàng)建如下圖 4-5 所示電路，根據(jù)控制電路各

12、信號(hào)時(shí)序分析得知，選通信號(hào)的周期應(yīng)大于等于鎖存信號(hào)和清零信號(hào)，因此選用上述電路的 Q2 作為選通信號(hào)的輸出端。假定選通信號(hào)的高電平時(shí)間為 1s，那 Q2 端的頻率應(yīng)為 0.5HZ，由此可推出 CP 端和 Q1 端的信號(hào)頻率為 2HZ 和1HZ。在 Q2 端的選通信號(hào)為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)，頻率計(jì)開(kāi)始工作。當(dāng) Q2 端進(jìn)入低電平段，頻率計(jì)為鎖存階段，直至下一個(gè) Q2 端高電平到來(lái)前，CP、Q1、Q2 端均為低電平，可以考慮用一個(gè) 3 輸入的或門(mén)將這三個(gè)端口連接，輸出一個(gè)低電平作為清零信號(hào)，加到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路的 CLR 端。由此得到選通信號(hào)周期為 2s，計(jì)數(shù)時(shí)間為 1s，鎖存時(shí)間為 0.75s，清

13、零時(shí)間為0.25s。如果對(duì)上述時(shí)間不滿(mǎn)意，還可以通過(guò)改變 JK 觸發(fā)器的輸入時(shí)鐘頻率或者用不同的門(mén)電路連接 CP、Q1、Q2 端來(lái)構(gòu)成計(jì)數(shù)、鎖存和清零信號(hào)，建構(gòu)過(guò)程中只要把握好 CP、Q1、Q2 三者的時(shí)序關(guān)系即可。圖 4-5 JK 觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字頻率計(jì)電路原理圖5 5 調(diào)試與操作說(shuō)明調(diào)試與操作說(shuō)明JK 觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字頻率計(jì)仿真。接入 2 Hz 的時(shí)鐘信號(hào)源作為控制電路的時(shí)鐘脈沖，同時(shí)在待測(cè)新號(hào)端接上函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。任意設(shè)定函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的波形（正弦波、方波、三角波） ，并改變每種波形的頻率（9Hz、99Hz、999Hz、9999Hz）,啟動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)進(jìn)行仿真，可以看到無(wú)論何種波形都能準(zhǔn)確的

14、顯示函數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率。下面進(jìn)行操作：仿真分為四檔即（9Hz、99Hz、999Hz、9999Hz）5 5. .1 1 第第一一次次仿仿真真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定頻率為 9Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖 5-1 所示：圖 5-1 第一次仿真結(jié)果5 5. .2 2 第第二二次次仿仿真真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定頻率為 99Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖 5-2 所示：圖 5-2 第二次仿真結(jié)果5 5. .3 3 第第三三次次仿仿真真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定頻率為 999Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖 5-3 所示：圖 5-3 第三次仿真5 5. .4 4 第第四四次次仿仿真真：將設(shè)定的函數(shù)信號(hào)設(shè)定

15、頻率為 9999Hz,打開(kāi)仿真開(kāi)關(guān)測(cè)試的結(jié)果如圖 5-4 所示：圖 5-4 第四次仿真從以上四次仿真可以看出每次仿真都能精確的顯示已經(jīng)設(shè)定好的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的測(cè)試、仿真成功。6 6 課程設(shè)計(jì)總結(jié)課程設(shè)計(jì)總結(jié)課程的課程設(shè)計(jì)實(shí)際是網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程后進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練。其目的在于加深對(duì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)的理解，掌握運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)合理論知識(shí)設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的基本應(yīng)用電路的方法。雖說(shuō)整個(gè)課設(shè)過(guò)程很辛苦，可是我們從中找到了樂(lè)趣、接觸了實(shí)踐，以前不是特別明白的地方也通過(guò)實(shí)踐弄懂了?？偟膩?lái)說(shuō)這次課程設(shè)計(jì)使我們感受到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的及其重要意

16、義。不但使我對(duì)所掌握的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，還提高了我的動(dòng)手查閱資料的能力而且還鍛煉了自己的獨(dú)立思考能力。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料為我們?cè)O(shè)計(jì)的成功打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、易懂 、不超出我們的能力范圍的內(nèi)容不涉及，一些想法在我們沒(méi)設(shè)計(jì)此電路之前就已經(jīng)有拉考慮，但是做完之后發(fā)現(xiàn)我們當(dāng)前考慮的還是有所欠缺，做為一名剛學(xué)習(xí)完數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)的我們來(lái)說(shuō)有一定的難度，但是這對(duì)于我們掌握理解學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)有很大的幫助，對(duì)于思維、邏輯及其理論知識(shí)的運(yùn)用等多方面有了更加進(jìn)一步的掌握。在做課設(shè)的過(guò)程中我們查閱了很多的參考書(shū)即相關(guān)資料通過(guò)參考及運(yùn)用自己所掌握的知識(shí)完成了此次的設(shè)計(jì)。7 7 致謝致謝感謝姚光順的指導(dǎo)和幾個(gè)組員的積極配合，才有此次課程設(shè)計(jì)的成功。在這里我也感謝所有