數(shù)字邏輯--數(shù)字頻率計的設(shè)計參考模板

1、1 / 18滁滁州州學(xué)學(xué)院院課課程程設(shè)設(shè)計計報報告告課程名稱：課程名稱： 數(shù)字邏輯課程設(shè)計 設(shè)計題目設(shè)計題目： 數(shù)字頻率計的設(shè)計 系系 別：別： 網(wǎng)絡(luò)與通信工程系 專專 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: 計算機與信息工程學(xué)院二計算機與信息工程學(xué)院二一二年制一二年制課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書目 錄1 引引言言.22 設(shè)設(shè)計計要要求求 .22.1 題目.22.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求.22.3 制作要求.22.4 擴展指標.22.5 運行環(huán)境.22.6 設(shè)計條件.22.7 元件介紹.3 計數(shù)

2、顯示器.3 74160N.4 7473N.5 XFG1.63 整整體體設(shè)設(shè)計計方方案案.74 詳詳細細分分析析 .841 單元電路設(shè)計.842 控制電路.843 關(guān)于 JK 觸發(fā)器.944 測試.105 調(diào)調(diào)試試與與操操作作說說明明.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)計計總總結(jié)結(jié).137 致致謝謝.148 參參考考文文獻獻.141 1 引言引言數(shù)字頻率計是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要測量工具之一，同時也是其他許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測量儀器。 數(shù)字頻率計是在基準時間內(nèi)把測量的脈沖數(shù)記錄下來，換算成頻率并以數(shù)字的形式顯示出來。

3、數(shù)字頻率計應(yīng)用于測量信號（方波、正玄波或其他周期信號）的頻率，并用十進制數(shù)顯示。它具有精度高、測量速度快、讀數(shù)直觀、使用方便等優(yōu)點。2 2 設(shè)計要求設(shè)計要求2 2. .1 1 題題目目頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值。其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。頻率測量范圍：1HZ10HZ。數(shù)字顯示位數(shù)：四位靜態(tài)十進制數(shù)顯示被測信號的頻率。2 2. .2 2 系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)要要求求數(shù)字頻率計的整體結(jié)構(gòu)要求如圖所示。圖中被測信號為外部信號，送入測量電路進行處理、測量，檔位轉(zhuǎn)換用于選擇測試的項目頻率、周期或脈寬，若測量頻率則進一步選擇檔位2 2. .3 3 制制作作

4、要要求求被測信號波形：正弦波、三角波和矩形波。測量頻率范圍：1Hz10kHz。測量周期范圍：0.1ms1s。測量脈寬范圍：0.1ms1s。測量精度：顯示 4 有效數(shù)字（要求分析 1Hz、1kHz 和 10kHZ 測量誤差） 。2 2. .4 4 擴擴展展指指標標要求測量頻率值時，1Hz10z 的精度均為1。2 2. .5 5 運運行行環(huán)環(huán)境境軟件環(huán)境：windows XP Multisim 10。硬件環(huán)境：微型計算機。2 2. .6 6 設(shè)設(shè)計計條條件件電源條件：+5V?？晒┻x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數(shù)量電源2 個計數(shù)顯示器4 個74160N4

5、 個7473N2 個OR31 個7408N1 個XFG11 個2 2. .7 7 元元件件介介紹紹 計數(shù)顯示器計數(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)動顯示器，因此人們就把這種類型的譯碼器叫做顯示譯碼器，也就是我們通常說的顯示器。如圖 2-2-1 所示圖 2-2-1 計數(shù)顯示器其功能如表 2-2-2 所示表 2-2-2 計數(shù)器工作原理 74160N74160N74160N 是一種十進制的加法計數(shù)器，在本設(shè)計中由于仿真時受原件的限制，這里只使用計數(shù)芯片 74160，且要求顯示四位，四個計數(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)器實現(xiàn)，當 JK 觸發(fā)器的 J、K 端同時接高電平時，輸出端的狀態(tài)會

7、隨著每輸入一個脈沖改變一次。因此 JK 觸發(fā)器輸入端的頻率是輸出端的兩倍，這就是通常認為的二分頻。將輸入端加到下一個 JK 觸發(fā)器的時鐘端又可實現(xiàn)頻率的再次二分頻，以此類推可實現(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，信號頻率可以再 1HZ 到 999MHZ 范圍內(nèi)調(diào)整，信號的幅值以及占空比等參數(shù)也可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，信號發(fā)生器有三個引線端口：負極、正極和公共端，函數(shù)信號發(fā)生器

8、的圖標和面板如圖 2-2-4 所示圖 2-2-4 XFG13 3 整體設(shè)計方案整體設(shè)計方案數(shù)字頻率計一般由振蕩器、分頻器、放大整形器、控制電路、計數(shù)譯碼顯示電路等部分組成。由振蕩器的振蕩電路產(chǎn)生一標準頻率信號，經(jīng)分頻器分頻得到控制脈沖?？刂泼}沖經(jīng)過控制器中的門電路分別產(chǎn)生選通脈沖、鎖存信號、清零信號。待測信號經(jīng)過限幅、運放的放大、施密特整形之后，輸出一個與待測信號同頻率的矩形脈沖信號，該信號與鎖存信號和清零信號共同控制計數(shù)、鎖存和清零三個狀態(tài)，然后通過數(shù)碼顯示器件顯示。數(shù)字頻率計的原理框圖如圖 3-1 所示：施密特整形這不過、 、閘門檢測技術(shù)譯碼數(shù)碼顯示晶振分頻控制單元待測信號選通清零控制信號

9、圖 3-1 數(shù)字頻率計的原理框圖4 4 詳細分析詳細分析4 41 1 單單元元電電路路設(shè)設(shè)計計選用帶譯碼器的集成十進制計數(shù)芯片 CD40110，該芯片有鎖存控制器端，可對計數(shù)進行鎖存。計數(shù)部分只顯示鎖存后的數(shù)據(jù)，每鎖定一次計數(shù)部分跳動一次，更新數(shù)據(jù)，如此反復(fù)。由于仿真時受元件的限制，這里僅使用計數(shù)芯片 74160，且要求顯示四位，因此使用 4 組 74160和數(shù)碼管。將各計數(shù)器的 LOAD、ENP、ENT 分別接高電平，個位的 CLK 端外接技術(shù)信號，低位的進位端接高電位的 CLK 端，各芯片的 CLK 端連接起來外接清零信號，4 個輸出端接數(shù)碼管，以此實現(xiàn)一個能顯示 4 位十進制的計數(shù)器。連

10、接后電路如圖 4-1 所示：圖 4-1 計數(shù)譯碼顯示電路4 42 2 控控制制電電路路控制電路時整個數(shù)字頻率計正常工作的核心部分，需仔細分析各種頻率信號（技數(shù)、選通、鎖存、清零）的時序關(guān)系，一最終控制計數(shù)譯碼器顯示電路的工作狀態(tài)。由于功能要求識別的最小頻率是 1HZ，因此將選通信號的高電平時間定為 1s，在這個時間段內(nèi)允許帶測信號輸入進行計數(shù)，鎖存和清零信號的輸出均為高電平。在選通信號為低電平是關(guān)閉閘門，計數(shù)停止，處于數(shù)據(jù)鎖存的時間段，此時的鎖存信號為低電平，清零信號仍為高電平，直到選通信號的下一個高電平到來前（開始下一個計數(shù)） ，清零信號端輸出一個低電平時現(xiàn)數(shù)碼管顯示的清零，準備進入下一個計

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

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

13、零時間為0.25s。如果對上述時間不滿意，還可以通過改變 JK 觸發(fā)器的輸入時鐘頻率或者用不同的門電路連接 CP、Q1、Q2 端來構(gòu)成計數(shù)、鎖存和清零信號，建構(gòu)過程中只要把握好 CP、Q1、Q2 三者的時序關(guān)系即可。圖 4-5 JK 觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字頻率計電路原理圖5 5 調(diào)試與操作說明調(diào)試與操作說明JK 觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字頻率計仿真。接入 2 Hz 的時鐘信號源作為控制電路的時鐘脈沖，同時在待測新號端接上函數(shù)信號發(fā)生器。任意設(shè)定函數(shù)信號發(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）,啟動仿真開關(guān)進行仿真，可以看到無論何種波形都能準確的

14、顯示函數(shù)信號發(fā)生器頻率。下面進行操作：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)信號設(shè)定頻率為 9Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(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)信號設(shè)定頻率為 99Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(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)信號設(shè)定頻率為 999Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(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)信號設(shè)定

15、頻率為 9999Hz,打開仿真開關(guān)測試的結(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)信號發(fā)生器的頻率。說明實驗的測試、仿真成功。6 6 課程設(shè)計總結(jié)課程設(shè)計總結(jié)課程的課程設(shè)計實際是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)完數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程后進行的一次全面的綜合訓(xùn)練。其目的在于加深對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論和基本知識的理解，掌握運用數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)合理論知識設(shè)計一些簡單的基本應(yīng)用電路的方法。雖說整個課設(shè)過程很辛苦，可是我們從中找到了樂趣、接觸了實踐，以前不是特別明白的地方也通過實踐弄懂了?？偟膩碚f這次課程設(shè)計使我們感受到了理論與實踐相結(jié)合的目的及其重要意

16、義。不但使我對所掌握的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識有了更深刻的認識，還提高了我的動手查閱資料的能力而且還鍛煉了自己的獨立思考能力。設(shè)計思路是最重要的，只要你的設(shè)計思路是成功的那你的設(shè)計已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充分的準備，像查找詳細的資料為我們設(shè)計的成功打下堅實的基礎(chǔ)。設(shè)計簡潔、易懂 、不超出我們的能力范圍的內(nèi)容不涉及，一些想法在我們沒設(shè)計此電路之前就已經(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)的我們來說有一定的難度，但是這對于我們掌握理解學(xué)習(xí)過的知識有很大的幫助，對于思維、邏輯及其理論知識的運用等多方面有了更加進一步的掌握。在做課設(shè)的過程中我們查閱了很多的參考書即相關(guān)資料通過參考及運用自己所掌握的知識完成了此次的設(shè)計。7 7 致謝致謝感謝姚光順的指導(dǎo)和幾個組員的積極配合，才有此次課程設(shè)計的成功。在這里我也感謝所有