数字频率计的multisim仿真

数字电路综合设计——数字频率计1．任务要求(1)频率测量范围：1Hz～10kHz；(2)数字显示位数：四位静态十进制计数显示被测信号的频率。2．数字频率计的基本工作原理数字频率计一般都由振荡器、分频器、放大整形电路、控制器、计数译码器、显示器等几部分组成。由振荡器的振荡电路产生一标准频率信号，经分频器分频分别得到2Hz和0.5Hz的控制脉冲及选通脉冲。控制脉冲经过控制器中的门电路分别产生锁存信号和计数器清零信号。待测信号经过限幅、运放的放大、施密特整形之后，输出一个与待测信号同频率的矩形脉冲信号，该信号在检测门经过与选通信号的合成，产生计数信号。计数信号并与锁存信号和清零复位信号共同控制计数、锁存和清零三个状态，然后通过数码显示器件就可以进行显示。数字频率计的原理框图如图8-43所示。施密特整形控制电路待测信号清零锁存锁存清零计数闸门检测分频晶振计数译码显示LED图8-43数字频率计的原理框图1)振荡器及分频器部分由原理框图可知，振荡器及分频器部分有两个不同频率的输出。由石英晶体振荡器产生一个标准频率信号，以待下一步进行分频。分频的系数取决于所选晶振的频率及所需的选通信号频率。这里，我们选用32.768kHz晶体振荡器，因为对它进行分频最低可分出2Hz的标准频率信号，这便于获取0.5Hz的选通信号和控制信号。同时，选择可以进行214分频的4060芯片，通过它可以得到2Hz的频率信号，再加上4027双上升沿JK触发器进行4分频，就可以获取0.5Hz的频率信号。由于受元(器)件限制，这里仅使用了一个函数信号发生器。2)放大整形部分放大整形部分用于对输入的待测信号进行处理。输入信号过大或过小都会影响测量，为了排除这一影响，采用了双二极管限幅电路对过大信号进行限幅处理，再采用一运放对输入待测信号进行了放大，幅度过小的信号也可以通过运放放大达到测量要求。其次，为了获取同频率的待测量信号，需要用一施密特整形电路对限幅放大的信号进行整形处理，以使待测的矩形脉冲及非矩形脉冲转化为同频的方波脉冲，送入选通门，从而产生正常的计数信号。在选通控制门输出高电平时，计数器正常计数，低电平时则由锁存信号锁存数据，此时不计数。放大整形电路如图8-44所示。C10.1uFR12kohmR210kohmD1D2R39.1kohm待测信号100kohmKey=A50%R4＋－1U1A240106BP321图8-44放大整形电路3)控制电路部分控制电路是数字频率计正常工作的中枢部分。在这一部分的设计构思过程中，认真对各种频率信号的组合及搭配进行分析，分别得到用来控制计数译码的锁存信号和清零信号，其时序要求如图8-45所示。计数信号清零信号锁存信号0.5Hz方波信号图8-45计数、锁存和清零信号时序关系2J2CLK2K～2CLR～2Q2Q1J1CLK1K～1CLR～1Q1Q98U4B751067473N7473NU4A&≥1＋－2Hz5VV1清零信号U1OR3U2NAND3锁存信号VCC5V1Hz0.5Hz0.5Hz141321213图8-46计数、锁存和清零信号时序电路4)计数译码及显示部分为了方便，可以选用带译码器的集成十进制计数芯片40110，该芯片有锁存控制端，可对计数进行锁存。计数部分只显示锁存后的数据，每锁定一次，计数部分跳动一次，更新数据，如此往复。由于受元(器)件限制，这里仅使用了计数芯片74160N，且只做了三位，四位甚至更多位原理相同。计数译码显示电路如图8-47所示。～CLR～LOADENTENPCLKRCOABCDQAQBQCQD～CLR～LOADENTENPCLKRCOABCDQAQBQCQD～CLR～LOADENTENPCLKRCOABCDQAQBQCQDVCC5VKey=SpaceJ1清零信号191072VCC5V345674160N锁存信号Key=B＋－100Hz5V计数信号U4DCD_HEX4321U1U219U7A10723456U5DCD_HEX15141312111214131211U7B3474160N7406N7406N43211910723456U3VCC5V151514131211U6432174160NV1图8-47计数译码显示电路5)总体设计图在调试过程中，采用分部检测的方法逐个检测每一个部分是否能够正常工作。接正弦波输入时，若幅度不符合要求，可加一电容隔去直流从而降低幅度，以保证正常工作。数字频率计总体电路图如图8-48所示。～CLR～LOAD～CLR～LOAD～CLR～LOADENTENPCLKABCDRCOAQAQBQCQDU7U2VCC5V1910123456&U12AND2≥1&－＋234Hz5VV3OR3U10NAND3U974160N124321DCD_HEX1910ENTENPCLK721514131211U6A1213Q1QVCC5VRCOABCDQAQBQCQD3456U674160NU5344321DCD_HEX1514131211UGB1910ENTENPCLK723456ABCDQAQBQCQD14131211U44321VCC5VU374160NU11J1CLK1K～1CLR7473N1413298Q2Q2J2CLK2K～2CLR7473N－＋2Hz5VV1U8B75106DCD_HEXRCO15数字频率计原理图