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数字频率计设计与仿真1引言在现代电子技术中，频率是基本的参数之一，并与许多电子参量的测量方案和测量 结果有密切的关系。因此我们对于频率的认识显得就更为重要。频率的测量方法有很多，其中数字频率计具有测量精度高、使用方便和测量迅速等优势，是目前测量频率的主要 手段。Multisim是以Windows为基础的一种仿真工具，适合用于数字电路或者模拟电路 的设计工作。它有直观的捕捉和强大的仿真功能，能够轻松，快速，高效对电路图进行 设计和验证。图1-1频率计方框图数字频率计是一种最基本的测量仪器，是通信设备、计算机应用、音频视频设备等 等科研生产领域里不测或缺的测量设备之一，是一种用十进制数字显示被测信号的频率 的数字的测量仪器，迄今为止已经有几十年的发展历史，频率计的基本功能是用来测量 三角波信号、正弦波信号及方波信号等单位时间内变化的物理量。因而其实际运用范围 是很广泛的。在早期，人们对于数字频率计的研究主要表现在扩大测量范围和提高精确 度，而这些技术现在已日却成熟，现在人们对数字频率计又提出很多新的要求，例如价 格低，操作方便，高精度，高稳定度甚至还包括数据处理和分析功能。较老的频率计是 1多芯片同步十进制技术，新型频率计要求芯片的数量要少，这样器件越少的话对于频率 计的技术就会更准确，误差也会越小。一个基本的频率计的方框图如图1-1所示。而本课题涉及的主要内容是对输入信号的整形，闸门电路控制输入信号，以及对脉 冲的计数，锁存和译码，通过该项设计可以将数字电路和模拟电路的理论知识运用到实 际的设计中去，具有方便快捷，容易测量等特点。2选择测量方式信号频率指的是信号在单位时间内周期信号变化的次数，其表达式可写为f=N/T,其中f指被测信号的频率，N为信号所累计的脉冲的个数，T是产生N个脉冲所需要的 时间参数。该表达式其所记录的结果就是被测信号的频率。如在1s的时间内记录了 100 个脉冲，则该被测信号的频率就是100HZ。对于频率的测量方法大体可以分为两种：一种是直接测频法，就是在一定的测量时 间内测量被测信号的脉冲个数，因此又可称为计数法。该方法是将被测信号经过脉冲形 成电路以后加到闸门电路的一个输入端，只有在闸门被开通的T秒时间内，被测信号的 脉冲才被送到十进制计数器里进行计数。如果在闸门打开的时间为T,计数器在T的 时间内得到的计数数值为Ni,则被测信号的频率仁Ni/T,如图2-1所示就是直接测频 法的测量原理。计数值Ni图2-1直接测频法测量原理对于直接测频法，信号的频率越高，误差就越小；而信号的频率越低，测量误差反 而越大。所以直接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另一种是间接测频法，例如周期测频法。周期测量法是把被测信号用来控制闸门的 开闭，将标准时基脉冲信号通过闸门电路加到计数器上，闸门电路在外来信号的一个周 期内被打开，则计数器所得到的计数数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后再求 周期值的倒数，这样就可以得到所测信号频率值了。首先将被测的信号通过二分频后，得到一个高电平时间内是一个信号周期为T的方 波信号；然后用另一个周期的高频方波信号来作为计数脉冲信号，在一个信号周期为 T的时间内对周期为信号进行计数，如图2-2所示为间接测频法的测量原理图。被测信号如果在T时间内的计数值为N2,可以得至U：T2=N2*T1,f2=l/T2=l/(N2*Ti)=fi/N2由上述表达式可知：N2绝对误差是N2=N+l,N2相对误差是3n2=(N2-N)/N=1/N,T2 相对误差是5t2=(T2-T)/T=(N2*Ti-T)/T=f/fi。由T2的相对误差可知，周期测量误差是与信 号频率成正比的，但是却与高频的标准计数信号频率成反比例。当山是常数时，被测的 信号频率越低误差越小，测量精度也就可以越高。本章小结：通过对上述频率测量的两种原理和方法的比较可以很明确的看出来周期 测量法适合对频率较低信号的测量，而计数法则适合于对频率较高信号的测量，选择测 量方法不仅要考虑此因素，还要考虑测量时候的实现难易程度，因为用周期测量法所得 到数据还需要通过f=l/T求倒运算才可以得出信号的频率，而求倒数运算很难用中小规 模数字集成电路来实现，因此周期测量法不适合本实验。而计数法所得到的测量数据，3在闸门时间为一秒的时间内不需要进行任何换算，数码管所显示的数字就是被测信号的 频率。所以，本设计采用计数法测量，即直接测频法。3设计原理及整体电路分析直接测频法的设计原理框图如图3-1所示。图3-1设计原理框图首先有个被测信号fx,但此信号可以是任意形状，例如正选波，三角波和各种不规 则的波行，然后就必须把这个波变成规则的矩形脉冲波，这时侯需要一个整形电路，经 过整形电路后就会形成与被测信号同频率的矩形脉冲，再将脉冲送入闸门电路。555振荡器由555定时器构成的，其作用是产生一个标准的时基信号，作为闸门开 通的基准时间，作为计数器的时钟信号，计数器开始记录时钟的个数，这样就达到了测 量频率的目的。闸门电路是由一个与非门组成，在闸门电路开通的情况下，开始计被测信号中有多 少个上升沿，当计数完后，此时数码管显示计数完成后的数字。锁存器作用是把计数器在1s结束时的计数值进行锁存，从而使显示器上获得稳定 的测量值，因为计数器在1秒时间内要完成很多输入脉冲，如果不加锁存器，显示器上 的值会随输入的变化而变化，不便于读数。控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号，如下图3-2所示4n _r t-n_ m-u请零信号 uiv njumn、一、:锁存信号 nI被测信号II闸门信号IV清零信号V锁存信号图3-2控制电路示意图本章小结：在设计电路时，自己认为最重要的部分应该是时基电路和整形电路，整 形电路是为了得到同频率的标准矩形方波，而时基电路是为了产生标准的时基信号，只 有这两部分设计仿真成功，电路设计就完成了一半，这都整个电路仿真是否起着决定的 作用4单元电路设计4.1 脉冲形成电路脉冲形成电路是由信号发生器和整形电路组成的，当输入一个信号是正弦波或是三 角波或其他周期变化的波形，先经过一个由二极管组成的双向限幅器，再经过由555组 成的施密特触发器进行整形，最后得到标准的矩形脉冲信号。电路图如图4-1所示。5限幅器LM555CM施密特 触发器图4-1脉冲形成电路限幅器起一个滤波作用。只有当输入信号在一定范围内时才能完全通过限幅器，这 时输出电压才会随着输入电压变化而变化。而当输入信号超过这一范围时，输出电压或 保持不变或二极管截止。555定时器构成施密特触发器的电路图如图4-2所示，波形图如图4-3所示。6图4-3构成施密特触发器输入输出波形图4-2中，Vco端接10nF,起滤波作用，以提高电压的稳定性，清。端4接高电 平Vcc,将两个比较器输入端6和2连在一起，作为施密特触发器的输入端。其工作波形 如图4-3所示。当UiVl/3Vcc时，输出Vo为高电平。当l/3VccVVi2/3Vcc,状态保持不变。当ViN2/3Vcc时，输出Vo=Voi,状态发生一次翻转。Vi由最大值逐步下降，当Vi下降至ViSl/3Vcc时，使输出Vo=VoH,状态又发生 一次翻转。由此可见该电路上限触发电平为Vt+=2/3Vcc,下限触发电平为Vt=l/3VcCo4.2 时基电路时基电路是由555定时器构成的多谢振荡器，如图4-4所示，工作波形如图4-5所 示，它的功能是产生标准的一秒脉冲。图中Vcc和RST接高电平，CON(5)接10nF 的电容，起滤波作用，将THR和TRI(2)连在一起，作为输入信号的Ui输入端，三极 管Td输出端DIS(7)通过通过电阻R6(10.7KQ)接至(J电源Vcc。电路接通电源时，由于555定时器内部电容C还未充电，Vcc通过555定时器电阻(R1+R2)对电容C充电，电路进入暂稳态。7在暂稳态期间，随着电容C的充电，Vcon的电位不断升高，当Vcon2/3Vcc时,这时电路输出V。翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。在此同时，555定时器内部的三极管Td导通，电容C放电，电路进入另一暂稳态。然而随着电容C的继续放电，Vcon的电位逐渐下降，当下降到VconS1/3Vcc时，电路 又一次发生自动翻转。此后，如此反复，形成多谐振荡。电路充电时，得到的暂稳态持续时间为ti=0.7(R6+R7)C3电容放电时，得到的暂稳态持续时间为t2=0.7 R7C3从而得到，电路输出矩形脉冲的周期为T=ti+t2=0.7(R6+2R7)C3VCC5VR6 10.7kLVCCU2VCC 10RST.-OUTDISR7 3.57KL11THRTRICON89GND.LM555IG3 G4=100uF=10nF图4-4时基电路84.3 闸门电路闸门电路是由一个与非门组成，如下图4-6闸门电路的作用是控制计数器的输入脉 冲，标准时间信号一秒脉冲到来时，闸门开通，这时，脉冲形成电路的被测信号脉冲 通过闸门进入计数器，从而计数；当标准时间脉冲结束时，闸门关闭，这时被测信号无 法通过闸门，也就无法计数。图46闸门电路4.4 计数器计数器采用74LS90异步计数器，当一秒脉冲到来时，闸门开通，被测信号通过闸9门计数器计数，标准时间脉冲结束时闸门关闭，如图4-7为74LS90引脚图。1314108A Qd12 11GWD OB OcINPUT A NC2367R9(1)R9(2)INPUT R0(1)R0(2)HCBI7VCC图4-7 74LS90引脚图之所以采用74LS90计数器，是因为它有很多好处，其一 74LS90计数器是一种中 规模二一五进制计数器,功能表如表4-1所示。它可以灵活的构成8421BCD和5421BCD 码计数器，分别是Qa接B,Qd接A。表4-1 74LS90功能表复位输入输出R1R2S1S2QdQcQbQaHHLXLLLLHHXLLLLLXXHHHLLHXLXL计数LXLX计数LXXL计数XLLX计数表中H为高电平、L为低电平、X为不定状态。10其二74LS90计数器设有专用置“（F端Ri、R2和置位（置“9”）端Si、S2。其三74LS90计数器多种分频方式，即五分频，十分频，六分频，九分频，其中，十分频中又有 8421码十分频和5421码十分频。4.5 锁存器本课题锁存器的作用是将计数器在一秒结束时的计数值进行锁存，使在显示器上获 得稳定的数值。选用8D锁存器74LS273可以完成上述锁存器，要想完成锁存功能必须 使清除端保持高电平，引脚图如4-8所示其中1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据 输出端，11脚CLK为锁存控制端。功能如表4-2图4.8 74LS273引脚图4.6 BCD码七段显示译码驱动器（74LS48）74LS48是二-十进制BCD码译码器，A3-A1为二进制码输入，从0000-1001十种。11下图4-9是BCD七段荧光数码管显示系统。发光二极管采用共阴极电路，共阴极电 路的负极都连在一起，且数码管的负极在外部只有一个引脚，在a-g中有几个为高电平 到来时就会有相应的二极管导通，当二极管导通时相应的二极管就会发光。几个为高电 平时，相应的二极管会导通，使其发光，相应的二极管发光组合在一起便会出现0-9不 同的数字，例如当A3 A2A1 A0=0011时2,显示是3,当A3 A2 Al A0=1000时，显示 的数字是8。一心 48 BS201A译码驱动器xrYbYCYd%*%具阴极DP图4-9七段数字显示器系统原理图表4-3 74LS48的逻辑功能表输入输出LEBILTD C B Aa b c d e f g显示数字0110 0 0 0111111000110 0 0 10 1 1 0 0 0 010110 0 10110 110 120110 0 1111110 0 130110 10 00 110 0 1140110 10 110 110 1150110 1100 0 1111160110 1111 1 1 0 0 0 070111 0 0 01111111801110 0 11110 0 119124.7计数译码显示电路计数译码显示电路是由上述计数器（74LS90）、锁存器（74LS273）、译码器（74LS48）以及数码管所共同组成的。计数电路是由74LS90十进制的计数器所组成，输出4位二 进制数；锁存器（74LS273）的作用是用来实现锁存和是计数器清零的功能，在时基电 路的脉冲上升沿时刻到来时闸门电路开启，计数器即开始计数，在同一个脉冲的下降沿 时刻到来时闸门电路关闭，计数器即停止计数。译码器（74LS48）的功能是用来将 74LS273的锁存结果译码后输送到数码管显示。数码管的作用是将被测信号的频率以数 字的形式显示出来。计数译码显示电路图如上图4-10所示。本章小结：分别对电路原理图中的各个期间进行简单的介绍，使我们更清楚的了解 各个期间的作用，这样在画仿真图时会很清楚的知道器件各个引脚的作用和它们之间的 连法，避免仿真时因为连线错误而导致仿真失败。135整体电路图经过以上各单元电路的设计和说明，经过分析便可得到以上如图5-1的整体电路图,接通电源后，计数器清零，当标准时间脉冲到来时，闸门电路开通，在此同时，脉冲形 成电路中的信号经整形后得到的方波通过闸门电路，这时，计数器开始计数，标准时间 脉冲结束时所产生的为低电平0.25S触发时基电路，使之产生正脉冲，这个正脉冲作为 74LS273锁存器的锁存时钟脉冲，锁存脉冲到达时，锁存器将计数器的值锁存住，这时 锁存器输出的值等于计数器的值，时基电路经过与非门对计数器清零，从而完成一次测 量，当下一秒脉冲到来时又按照以上步骤进行，从而完成频率的测量。146整体电路元器件清单表6-1元器件清单名称型号数量共阴数码管LED47段译码器74LS484计数器74LS904二极管1N40074锁存器74LS2732与非门74LS001定时器5552电容、电阻若干7电路仿真要想整体使电路运行成功，必须先对各个主要部分进行仿真，在Multisim中利用示 波器测试各个分支电路的波形图，测试的主要部位分别为脉冲生成电路，时基电路等 是否正常工作。7.1脉冲形成电路仿真脉冲形成电路仿真图如图7-1所示由555定时器构成的施密特触发器对输入信号进 行限幅和整形，输入端接数字信号发生器，输出端接示波器在数字信号发生器中，有三 种状态波，如图7-2,分别为三角波，正弦波，和方波，当对这三个波都输入相同的频 率和振幅，输出都是和输入具有相同频率的方波。15vcc图7脉冲形成电路仿真图图7-2信号发生器以正弦波为例，信号发生器的波形如图7-3,经整形后的方波如图7-4所示。16图7-3信号发生器产生的正弦波图7-4整形后波形177.2时基电路仿真时基电路采用555定时器构成多谐振荡器，如图7-5,电路来产生一秒的脉冲，示 波器的负级接地，正极接555的引脚(3),调整示波器的周期和幅度，使周期为一秒，幅 度为5V,使在示波器上显示一秒的时间脉冲。产生标准时基信号波形如图7-6所示。图7-5时基电路仿真图图7-6标准时基信号波形187.3整体电路仿真仔细连线计数器,锁存器，译码显示器。整体电路测试时，采用被测信号频率为50Hz 和1000Hz分别仿真得出结果如下7-7,7-8各图所示。由于数码管对multisim软件仿真步 长的影响，导致信号仿真出结果的时间较长，不同的频率所花费的时间也不相同，从几 分钟到几十分钟不等。从仿真结果还可以看出，当被测信号频率较大时，仿真结果有少 量误差。图7-8频率为1000Hz时仿真结果19本章小结：在实际的仿真时，先对整形电路和时基电路分别进行仿真，看仿真结果是否 正确，如果正确再对整体电路仿真，这样既提高了效率有提高了正确率。参考文献1王旋银.数字电路逻辑设计M.北京：高等教育出版社，2005：120-141.2岳玉霞.数字频率计J.电子制作,2006,14(6):34-50.3武卫华，陈德宏.基于EDA技术的数字频率计芯片化的实现J.电测与仪表,2004,10(7):45-60.4赵吉庆.简易数字频率计,J.家电检修技术,2000,8(14):112-117.5王捷，艾红.数字频率计分频电路的设计J.计算机测量与控制,2003,15(21):8-15.6赵柏树，操长茂.数字式频率特性测试仪的设计J.电子技术应用,2001,9(7):121-132.7 M.P.MATHUR.A Digital Frequency Measuring Low Frequencies J.leee Transactions On Transactions And Measrement,1978,18(56):0900-0295.8 EAMONN P.MCCARTHY.A Digital Instantaneous Frequency Meter J.leee Transactions On Transactions And Measrement,1979,3(28):0900-0224.20