數(shù)字邏輯數(shù)字頻率計的設計課程設計報告

1、滁州學院數(shù)字邏輯課程設計滁州學院課程設計報告課程名稱： 數(shù)字邏輯課程設計 設計題目： 數(shù)字頻率計的設計 系 別： 網(wǎng)絡與通信工程系 專 業(yè)： 網(wǎng)絡工程（無線傳感器網(wǎng)絡方向） 組 別： 第七組 起止日期: 2012年5月28日2012年6 月18日 指導教師: 姚光順 計算機與信息工程學院二一二年制 課程設計任務書課程設計題目數(shù)字頻率計的設計組長葛秋婷學號2011211366班級網(wǎng)工114系別網(wǎng)絡與通信工程系專業(yè)網(wǎng)絡工程（無線傳感器網(wǎng)絡方向）組員魯猛2011211396 賈發(fā)展2011211378 李保磊2011211385 王禮輝2011211415 黃二輝2011211377指導教師姚光順課

2、程設計目的掌握組合邏輯電路、時序邏輯電路及數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)的設計、安裝、測試方法。課程設計所需環(huán)境Windows 7 ,NI Multisim 11課程設計任務要求頻率測量范圍：1Hz10KHz；數(shù)字顯示位數(shù)：四位靜態(tài)十進制計數(shù)顯示被測信號的頻率課程設計工作進度計劃序號起止日期工 作 內 容分工情況12012/6/8-2012/6/10組員在一起討論，發(fā)表個人看法查好資料后，小組成員都積極參與討論22012/6/11-2012/6/13上機搭建仿真電路，做報告文檔賈發(fā)展、黃二輝、李保磊、王禮輝搭建仿真電路，葛秋婷、魯猛做報告文檔，32012/6/14-2012/6/15調試仿真電路組員一起組合

3、、調試電路，運行出正確的結果42012/6/16-2012/6/18撰寫課程設計報告魯猛、葛秋婷撰寫設計實驗報告52012/6/19提交報告由組長將報告提交予老師查看，請老師指導62012/6/20完善報告并提交由組長提交設計報告目 錄 1緒論11.1設計背景11.2主要工作和方法11.3本文結構12相關知識12.1數(shù)字頻率計概念.12.2數(shù)字頻率計組成13系統(tǒng)設計24系統(tǒng)實現(xiàn)24.1計數(shù)譯碼顯示電路24.2控制電路35系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析56課程設計總結與體會86.1設計總結86.2設計體會8結束語9參考文獻9附錄10致謝121 緒論1.1 設計背景數(shù)字頻率計是一種基礎測量儀器，到目前為止已有

4、 30 多年的發(fā)展史。早期，設計師們追求的目標主要是擴展測量范圍，再加上提高測量精度、穩(wěn)定度等，這些也是人們衡量數(shù)字頻率計的技術水平，決定數(shù)字頻率計價格高低的主要依據(jù)。目前這些基本技術日臻完善，成熟。應用現(xiàn)代技術可以輕松地將數(shù)字頻率計的測頻上限擴展到微頻段。 隨著科學技術的發(fā)展，用戶對數(shù)字頻率計也提出了新的要求。對于低檔產(chǎn)品要求使用操作方便，量程（足夠）寬，可靠性高，價格低。而對于中高檔產(chǎn)品， 則要求有高分辨率，高精度，高穩(wěn)定度，高測量速率；除通常通用頻率計所具有的功能外，還要有數(shù)據(jù)處理功能，統(tǒng)計分析功能，時域分析功能等等，或者包含電壓測量等其他功能。這些要求有的已經(jīng)實現(xiàn)或者部分實現(xiàn)，但要真正

5、完美的實現(xiàn)這些目標，對于生產(chǎn)廠家來說，還有許多工作要做，而不是表面看來似乎發(fā)展到頭了。 隨著數(shù)字集成電路技術的飛速發(fā)展，應用計數(shù)法原理制成的數(shù)字式頻率測量儀器具有精度高、測量范圍寬、便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列的突出特點。1.2主要工作和方法設計一個數(shù)字頻率計。要求頻率測量范圍為1Hz-10kHz。數(shù)字顯示位數(shù)為四位靜態(tài)十進制計數(shù)顯示被測信號。先確定好數(shù)字頻率計的組成部分，然后分部分設計，最后組成電路。1.3本文結構本文第1部分前言主要說明頻率計的用處和廣泛性。第2部分簡要說明了本次課程設計的要求。第3部分概要設計大致的勾畫出本次設計的原理框架圖和電路的工作流程圖。第4部分簡要說明4位二進制

6、計數(shù)器74160的原理和搭建計數(shù)譯碼顯示電路的原理，同時分析控制電路的功能，形成控制電路圖，及搭建顯示電路和控制電路的組合原理圖。第5部分調試與操作說明，介紹相關的操作和輸入不同頻率是電路的顯示情況。2相關知識2.1數(shù)字頻率計介紹2.1.1數(shù)字頻率計概念數(shù)字頻率計是一種直接用十進制數(shù)字現(xiàn)設被測信號頻率的一種測量裝置，它不僅可以測量正弦波、方波、三角波等信號的頻率，而且還可以用它來測量被測信號的周期。經(jīng)過改裝，在電路中增加傳感器，還可以做成數(shù)字脈搏計、電子稱、計價器等。因此，數(shù)字頻率計在測量物理量方面有廣泛的應用。2.1.2數(shù)字頻率計組成數(shù)字頻率計由振蕩器、分頻器、放大整形電路、控制電路、計數(shù)譯

7、碼顯示電路等部分組成。其中的控制脈沖采用時鐘信號源替代，待測信號用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生。數(shù)字頻結構原理框圖如圖3.1所示。施密特整形計 數(shù)譯 碼數(shù) 碼顯 示待測計數(shù)信號閘門檢測清零分頻晶振控制電路選通圖3.1 數(shù)字頻率計結構圖3 系統(tǒng)設計數(shù)字頻率計由振蕩器、分頻器、放大整形電路、控制電路、計數(shù)譯碼顯示電路等部分組成。由振蕩器的震蕩電路產(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、鎖存信號和清零信號。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，該信號在檢測門經(jīng)過與選通信號合成，產(chǎn)生計數(shù)信號。計數(shù)信號并與鎖存信號

8、和清零復位信號共同控制計數(shù)、鎖存和清零三個狀態(tài)，然后通過數(shù)碼顯示器件顯示。此實例主要分析頻率計的工作原理，因此對振蕩器、分頻器、放大整形電路略過，著重對控制電路以及計數(shù)譯碼顯示電路的設計。其中的控制脈沖采用時鐘信號源替代，待測信號用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生。4系統(tǒng)實現(xiàn)4.1計數(shù)譯碼顯示電路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)，如此往復。因為仿真時受元器件的限制，通過討論，最終選用4位二進制計數(shù)器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、E

9、NT分別接高電平，個位的CLK端外接計數(shù)信號，低位的進位端接高位的CLK端，各芯片的CLR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，圖4.1為連接后的電路。圖4.1 計數(shù)譯碼顯示電路4.2控制電路控制電路是整個數(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（計數(shù)、選通、鎖存、清零）的時序關系，以最終控制計數(shù)譯碼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，在這個時間段內允許待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時關閉閘門，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

10、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之前（開始下一個計數(shù)），清零信號端輸出一個低電平實現(xiàn)數(shù)碼管顯示的清零，準備進入下一個計數(shù)周期。如此往復，以實現(xiàn)待測信號頻率的反復測量。這幾個信號的工作時序如圖4.2所示。選通信號計數(shù)信號 鎖存信號清零信號圖4.2 控制電路各頻率信號時序關系當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。將輸出端加到下一個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，電路連接圖如圖4.3。圖4.3 JK觸發(fā)器分頻電路工作時序如圖4

11、.4所示。CP Q1Q2圖4.4 JK觸發(fā)器工作時序圖創(chuàng)建如圖4.5所示的電路，根據(jù)控制電路各信號時序分析得知，選通信號的周期應大于等于鎖存信號和清零信號，因此選用上述電路的Q2端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端的頻率應為0.5Hz，由此可推出CP端和Q1端的信號頻率分別為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，頻率計轉為鎖存階段，直至下一個Q2端高電平到來前需要一個清零信號。觀察圖的工作時序可知，在Q2端的第二個高電平到來前，CP、Q1、Q2端均為低電平，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

12、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,清零時間為0.25s。圖4.5 JK觸發(fā)器構成的數(shù)字頻率計電路原理圖5系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析在系統(tǒng)各個模塊電路設計完成后，根據(jù)所選擇的電路方案和整機電路圖，對應仿真鏈接，檢查無誤后進行數(shù)字電路連接。其調試如下步驟：（1）輸入信號10Hz。電路如圖5.1所示。圖5.1 輸入信號為10Hz時電路顯示(2)輸入信號1Hz,電路圖如圖5.2所示。圖5.2 輸入信號為1HZ時電路顯示(3)輸入信號100Hz,電路圖如圖5.3所示。圖5.3 輸入信號為100Hz時電路顯示（4） 輸入信號900Hz,電路

13、圖如圖5.4所示。圖5.4 輸入信號為900Hz電路顯示(5)輸入信號500Hz, 電路圖如圖5.5所示。圖5.5 輸入信號為500Hz時電路顯示（6）輸入信號9999Hz, 電路圖如圖5.6所示。圖5.6 輸入信號為9999Hz時電路顯示6課程設計總結與體會通過此次課程設計作業(yè)，我們學會了很多東西。6.1設計總結經(jīng)過了一段時間的努力我們終于合作完成了數(shù)字頻率計的設計，從芯片的選擇，再到設計與實現(xiàn)。在這個過程中我們學習到了很多在課本上不能學習到的知識，對一個產(chǎn)品也有了一個新的認識，以前我們都很簡單的認為一個產(chǎn)品很容易就做出來了，現(xiàn)在我們知道了每一個產(chǎn)品都需要很復雜的工序。通過這次的課程設計我們

14、學到了主要有如下幾點：（1）提前做好準備工作在開始動手之前，我們要把各芯片件的功能弄清楚，以及如何拓展，只有把這些真正的搞懂之后才能順利完成設計；（2）耐心分析，解決問題設計與實現(xiàn)的過程中我們會遇到一些困難這是很正常的事，但是不能一遇到問題就慌了，要耐心的分析問題并解決，這次課程設計的時候我就遇到了這樣的情況；（3）團隊合作，不懂請教。6.2設計體會在此次的數(shù)字頻率計設計過程中，進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。在連接電路時,要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能,那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了。在設計電路中,往往是先仿真后連接實物圖,但有時

15、候仿真和電路連接并不是完全一致的, 對該設計的建議 ： 此次的頻率計設計重在于仿真和接線,雖然能把電路圖接出來,并能正常顯示,但對于電路本身的原理并不是十分熟悉.總的來說,通過這次的設計實驗更進一步地增強了實驗的動手能力。結束語本次課程設計簡單的說明了4位二進制計數(shù)器74160的功能和JK觸發(fā)器的功能，并以此設計了數(shù)字時鐘仿真電路，而且能夠實現(xiàn)4位計數(shù)的功能，完成了此次課程設計，基本滿足設計要求。參考文獻1 彭介華.電子技術課程設計指導M.北京：高等教育出版社.20042 王連英.基于Multisim 10的電子仿真實驗與設計M.北京：北京郵電大學出版社.20113 余孟嘗.數(shù)字電子技術基礎簡明教程M.北京：高等教育出版社.2006附錄各邏輯門的引腳圖(1)74160N的邏輯引腳圖（圖a） 圖a 74160N邏輯引腳圖74160N功能表如表b。 表b 74160N功能表CLKRCDLOADEPET工作狀態(tài)×0×××置零10××預置零×1101保持×11×0保持（但C=0）1111計數(shù) (2)