简易数字频率计的设计

沈阳航空航天大学北方科技学院课程设计说明书课设题目简易数字频率计的设计专业电子信息工程班级B141201学号B04120119学生姓名刘胤麟指导教师赵婷婷日期2014.12.5沈航北方科技学院课程设计任务书教学系部信息工程系专业电子信息工程课程设计题目简易数字频率计的设计班级B141201学号B04120119姓名刘胤麟课程设计时间:14年11月4日至14年12月5日课程设计的内容及要求：（一）主要内容根据题目及基本要求（技术指标）查阅相关资料和书籍，设计（计算）电路，确定元器件参数（五天）。待电路设计完成后，上机进行电路仿真（使用Multisim）。仿真过程中用到的仪器、调试方法、排故过程及电路技术指标的测量要做记录，最终写到报告中（十天）。报告正文按目录要求撰写，其他内容见格式说明（五天）。（二）基本要求1.电路供电电源为单相交流市电。2.每次频率检测时间为1s。3.用四位LED数码显示0-9999Hz。（三）主要参考书《低频电子线路》张肃文高等教育出版社《电子线路集》人民邮电出版社《电子技术基础数字部分》康华光高等教育出版社（四）评语（五）成绩指导教师年月日负责教师年月日简易数字频率计的设计I摘要本次课设是针对简易数字频率计的设计。数字频率计主要由四个部分组成：时基电路，整形电路，控制电路和显示电路组成。在一个测量周期过程中，由时基电路产生一标准时间信号控制阀门，调节时基电路中的电阻可产生需要的标准时间信号。信号输入整形电路中，经过整形，输出一方波，通过阀门后，计时器对其计数。当计数完毕，时基电路输出一个上升沿，使锁存器打开，计数器计数结果输入译码器，从而让显示器显示，达到测量频率的目的。关键词：频率计；译码器；锁存器；计数器；简易数字频率计的设计II目录1、绪论---------------------------------------------------------------------12、方案设计与论证-----------------------------------------------------------22.1计数法---------------------------------------------------------------22.2计时法---------------------------------------------------------------22.3方案的确定-----------------------------------------------------------33、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算-------------------------------------33.1工作原理及框图-------------------------------------------------------33.2时基电路的设计与仿真-------------------------------------------------43.3直流稳压电路设计与仿真----------------------------------------------63.4控制电路设计---------------------------------------------------------73.5计数器电路----------------------------------------------------------93.6锁存器电路----------------------------------------------------------113.7译码显示电路--------------------------------------------------------133.8系统的工作原理分析--------------------------------------------------144、总体电路的仿真分析------------------------------------------------------175、实验心得体会------------------------------------------------------------20参考文献-------------------------------------------------------------------20附录Ⅰ：元器件清单---------------------------------------------------------21附录Ⅱ：总体电路图---------------------------------------------------------22简易数字频率计的设计11、绪论随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋进步和完善的设计技术。目前数字频率计的设计可以直接面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上至下的逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成器件。上述设计过程除了系统行为和功能描述以外，其余所有的设计过程几乎都可以用计算机来自动地完成，也就是说做到了电子设计自动化（EDA）。这样做可以大大地缩短系统的设计周期，以适应当今品种多、批量小的电子市场的需求，提高产品的竞争能力。电子设计自动化（EDA）的关键技术之一是要求用形式化方法来描述数字系统的硬件电路，即要用所谓硬件描述语言来描述硬件电路。所以硬件描述语言及相关的仿真、综合等技术的研究是当今电子设计自动化领域的一个重要课题。硬件描述语言的发展至今已有几十年的历史，并已成功地应用到系统的仿真、验证和设计综合等方面。到本世纪80年代后期，已出现了上百种的硬件描述语言，它们对设计自动化起到了促进和推动作用。但是，它们大多各自针对特定设计领域，没有统一的标准，从而使一般用户难以使用。广大用户所期盼的是一种面向设计的多层次、多领域且得到一致认同的标准的硬件描述语言。80年代后期由美国国防部开发的VHDL（VHSICHardwareDescriptionLanguage）语言恰好满足了上述这样的要求，并在1987年12月由IEEE标准化（定为IEEEstd1076--1987标准，1993年进一步修订，被定为ANSI/IEEEstd1076--1993标准）。它的出现为电子设计自动化（EDA）的普及和推广奠定了坚实的基础。据1991年有关统计表明，VHDL语言业已被广大设计者所接受。另外，众多的CAD厂商也纷纷使自己新开发的电子设计软件与VHDL语言兼容。由此可见，使用VHDL语言来设计数字系统是电子设计技术的大势所趋。简易数字频率计的设计22、方案设计与论证所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f=N/T。其中f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为N个脉冲所产生的时间。计数器所记录的结果就是被测信号的频率。测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称为测频法与测周法。2.1计数法计数法又称测频法，是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为ΔN1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：Δf1=(f1-f)/f=1/f从上式可知f1的相对误差f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。2.2计时法计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。简易数字频率计的设计32.3方案的确定根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。有上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算3.1工作原理及框图数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1s）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1s时间内对信号波形计数，数值保持及自动清零，并将计数结果在显示器上显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号。然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其转换后显示出来。被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号1，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号2，具有固定宽度T的方波时基信号2作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号1从闸门另一端输入，被测信号频率为fx，闸门宽度为T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率为TNfXHz。可见，闸门时间T决定量程，通过闸门时基选择开关的选择，选择T大一些，测量精准度就高些，T小一些，则测量精准度就低。根据被测频率选择闸门时间来控制量程。在整个电路中，时基电路是关键，闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确。简易数字频率计的设计4被测量信号经过放大与整形电路传入十进制计数器，变成其所要求的信号，此时数字频率计与被测信号的频率相同，时基电路提供标准时间基准信号，此时利用所获得的基准信号来触发控制电路，进而得到一定宽度的闸门信号，当1s信号传入时，闸门开通，被测量的脉冲信号通过闸门，其计数器开始计数，当1s信号结束时闸门关闭，停止计数。根据公式得被测信号的频率为TNfX。数字频率计系统原理总框图，如图1所示。图1原理方框图逻辑控制电路的一个重要的作用是在每次采样后还要封锁主控门和时基信号输入，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观测和读取数据。简而言之，控制电路的任务就是打开主控门计数，关上主控门显示，然后清零，这个过程不断重复进行。3.2时基电路的设计与仿真由原理方框图可知，振荡器与分频器部分有两个不同的频率的输出。时基电路由555定时器构成的多谐震荡器实现，如图2所示。其作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号（1s正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数；当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。时基电路逻辑控制电路数码显示器译码器锁存器计数器闸门电路放大与整形电路时基电路VX简易数字频率计的设计5下图所示：图2时基电路图本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器。接通电源后，电容被充电，当Cv上升到32CCV时，使Ov为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过2R和T放电，Cv下降。当Cv下降到3CCV时，Ov翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为：CRCRtpL227.02ln当放电结束时，T截止，CCV将通过1R、2R向电容C充电，Cv由3C