数显频率计(课程设计).doc

数字电子技术课程设计

设计课题：

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目 录

一、设计任务与要求 - 1 -
二、方案设计与论证 - 1 -
2.1 方案论证 - 1 -
2.2 方案比较 - 2 -
三、频率计工作原理及总原理框图 - 3 -
3.1 数字显示频率计的基本原理 - 3 -
3.2 系统原理框图 - 3 -
四、主要单元电路设计与总电路图 - 4 -
4.1 主要单元电路的设计 - 4 -
4.2 数显频率计总电路 - 12 -
五、结论与心得 - 12 -
六、参考文献 - 13 -

- 2 -

数字显示频率计的设计

一、设计任务与要求
设计一个具有异步清零、计数/保持功能的10×10×10进制加法计数器。
l 设计频率计的控制电路，要求能产生10秒、1秒的闸门用相应的清 零、锁存脉冲。
l 设计频率计的自动量程转换电路，要求能手动控制频段转换，超量程显示。将上述设计构成频率测量电路，并进行测试。
l 设计12位信号锁存电路、动态选通电路、显示电路、译码电路。构成一个完整的显示控制电路，并进行测试。
l 最终实现自动频段转换的3位数显频率计。
要求：
1. 测频范围10.0Hz～9.99KHz；
2. 测量误差小于等于1%；
3. 响应时间不大于15秒；
4. 具有超量程显示功能；
5. 频率计分成三个频段进行设计：

序号
频率范围
显示
1
10.0Hz～99.9Hz
88.8H
2
100Hz～999Hz
888H
3
1.00KHz～9.99KHz
8.88H

二、方案设计与论证
2.1 方案论证
所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）里变化的次数。若在一定时间间隔T内测得的这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f =N/T;只要知道了N和T就可以求得频率。常用数字频率测量方法有M法、T法和M/T法。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。所以这种方法比较适合测量高频信号的频率。T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。这种方法比较适合测量频率较低的信号。M/T法具有以上两种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。
但是，M法、T法和M/T法存在±1个字的计数误差问题：M法存在被测闸门内±1个被测信号的脉冲个数误差，T法或M/T法也存在±1个字的计时误差。这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。本文在以上方法基础上，提出了一种新的频率测量方法，该方法利用全同步方法消除限制测量精度提高的±1数字误差问题，从而使频率测量的精度和性能大为改善。

2.2 方案比较
方案一： 标准频率比较测量法
用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测得待测信号的脉冲个数为N1、已知的标准频率信号的脉冲个数为N2，设待测信号的频率为fx, 已知的标准频率信号的频率为f0；由于测量时间相同，则可得到如下等式：

从上式可得出待测信号的频率公式为

标准频率比较测量法对测量时产生的时间门限的精度要求不高，对标准频率信号的频率准确度和频率的稳定度要求较高，标准信号的频率越高，测量的精度就比较高。该方法的测量时间误差与时间门限测量法的相同，可能的最大误差为正负一个待测信号周期，即Δt=±1/fx。
方案二：等精度测量法
等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严格关系。当闸门门限的上升沿到来时，如果待测量信号的上升沿未到时两组计数器也不计数，只有在待测量信号的上升沿到来时，两组计数器才开始计数；当闸门门限的下降沿到来时，如果待测量信号的一个周期未结束时两组计数器也不停止计数，只有在待测量信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。这样就克服了待测量信号的脉冲周期不完整的问题，其误差只由标准频率信号产生， 与待测量信号的频率无关。最大误差为正负一个标准频率周期，即Δt=±1/f0。由于一般标准信号频率都在几十兆赫兹以上，因此误差小于 10-6。
方案三：周期测量法
首先测出被测信号的周期Tx ，然后经过倒数运算得到信号频率Fx=1/Tx 。为了保证低频信号（频率在几十Hz以下）的测频精度，最有效、方便的方法是周期测量法,因此本方案采用的是方案四：周期测量法。

三、频率计工作原理及总原理框图
3.1 数字显示频率计的基本原理
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，并将计数结果显示出来，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与准确的时间，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，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。
3.2 系统原理框图
从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图1所示的电路框图。

扫描选择
计数锁存器
显示电路
译码电路
&

整形
控制电路与
自动量程
闸门控制信号
清零锁存信号
量程控制信号
FX
4
4
4
4
8

图1 数字频率计框图

四、主要单元电路设计与总电路图
4.1 主要单元电路的设计
1）10×10×10进制加法计数器
u 输入信号：CLK－输入脉冲；CLR－清零脉冲；C_H－保持信号（以后称为：闸门信号）（C_H＝0保持， C_H＝1允许计数）。
u 输出信号：QQ=Q3,Q2,Q1,Q0=[Q3..Q0]。
u 逻辑关系：当C_H＝0时，输出保持不变。当C_H＝1时，⑴输出<9，QQ=QQ+1。⑵输出≥9，QQ=0。

图2 10*10*10进制加法计数器
2）控制电路的设计
频率计的设计关键是控制电路的设计，控制电路产生频率测量所需的闸门、清零和锁存信号。这些信号具有一定的时序关系。
为了保证测量的精确性，在每次闸门信号变为高信号前，必须给计数器提供一个清零信号。当闸门信号为高电平时，计数器开始计数；当闸门信号为低电平时，计数器停止计数。
如果闸门宽度为1S，则闸门时间内计数器的计数值即为被测信号的频率；改变闸门宽度可以改变频率计的量程，闸门宽度越小，频率计的量程越大。另一种扩大量程的方法为：闸门宽度保持不变，对被测信号先进行分频，然后再对其测频。相对来说，后者更加容易实现。
u 输入信号：F1-1Hz信号；F8-8Hz信号；SET-量程选择控制信号。
u 输出信号：C_H-闸门信号；CLR-清零信号；LOCK-锁存信号。

图3 控制电路
在控制模块(KZ)中，F8为8Hz的时钟输入；F1为1Hz的时钟输入。SEL为量程选择控制端，当SEL=0时， 8Hz时钟进入JSQ15模块；当SEL=1时，1Hz时钟进入JSQ15模块，经JSQ15分频模块和BMQ编码模块后，分别产生闸门时间为1秒和10秒的闸门信号(C_H)，以及相应的清零信号(CRL)、锁存信号(LOCK)；
分频器的分频数应满足：最大产生10秒闸门信号，及清零信号、锁存信号的时间。因此必须大于12分频，为了可靠起见，选择15分频。
编码器根据SEL信号，产生闸门时间为1秒(F8输入)或10秒(F1输入)的闸门信号，清零信号、锁存信号。以及它们之间的时序关系。
3) 编码器的设计
l 选择信号，SEL=0,CLK=F8, SEL=1,CLK=F1。
当QQ=0 时，产生清零信号；当QQ=14时，产生锁存信号。
当SEL＝0，且(0<QQ<9)时，输出1秒保持信号。
当SEL＝1，且0<QQ<11)时，输出10秒保持信号。
4） 自动量程转换电路
u 输入信号：CARRY-进位；HIGH-高位全零时等于0；LOCK-锁存
u 输出信号：OVER-溢出(在一个闸门时间内，当最高位计数值由9变为0时，说明计数溢出，发出超量程信号。)
S1-闸门(S1=0:产生1秒闸门。S1=1:产生10秒闸门。)
S2-分频(S2=0:对被测信号不分频。S2=1:被测信号10分频后再测频。)
l CARRY=0-无进位(最高位<9）
Ø HIGH≠0-保持量程不变。
Ø HIGH=0、SS=00(中频)或01(低频量程)——SS=01(低频量程)。
Ø HIGH=0、SS=10(高频量程)——SS=00(中频量程)。
Ø HIGH=0、SS=11(中频量程)——SS=01(低频量程)。
l CARRY=1-有进位(最高位=9)
Ø SS=01(低频量程)——SS=00(中频量程)。
Ø SS=00(中频)或SS=10(高频量程)——SS=10(高频量程)。
Ø SS=11(中频量程)——SS=10(转向高频量程)。
u 注意：HIGH为最高位4位二进制数的状态：
当全为0时，HIGH=0；不全为0时，HIGH≠0。

图4 自动量程转换电路
u 如果超量程，且当前SS=10，发出超量程信号(OVER=1)。否则需要转向更高频段。即：从低频段(SS=01)转向中频段(S2S1=00)，或从中频段(SS=00)转向高频段(SS=10)。 注：SS＝[S2,S1]
u 如果没有超量程，⑴计数器的最高位的4位二进制数不全为0，说明当前量程设置合理，频段SS的值不必变化。⑵计数器的最高位的4位二进制数全为0，说明当前量程设置不合理，必须转向更低频段。即：从高频段(SS=10)转向中频段(SS=00)，或从中频段(SS=00)转向低频段(SS=01)。
u 自动量程转换电路必须具有记忆功能，因此，需要使用寄存器变量，寄存器的时钟来自控制电路的锁存信号(LOCK)。
5） 十分频电路
u 输入信号：FPKZ-分频控制；FREQX-被测频率输入
u 输出信号：CLK-频率信号(当分频控制(FPKZ)为0时，CLK(频率信号)＝FREQX(被测频率输入）；当分频控制(FPKZ)为1时，CLK(频率信号)＝FREQX(被测频率输入）的十分频。)
u SFP1-十分频器

图5 十分频电路

u 设置一组中间节点：Q3..Q0 NODE ISTYPE ‘REG’；
u QQ.CLK=CLK_IN；
u 当QQ>=9 时，QQ:=0；当QQ<9时，QQ:=QQ.FB+1；
u SFP=Q3&Q0；

6） 频率测量电路

图6 频率测量电路
7） 锁存器
a) 二进制锁存器
l 输入信号：LOCK——锁存信号；D3..D0——输入信号
l 输出信号：Q3..Q0——输出信号
当LOCK＝1，QQ等于DD。

图7 二进制锁存器
b) 四位二进制锁存器
如果计数器的输出直接译码显示，则在闸门信号高电平期间，频率计的显示随着计数值的增加不断变化、不断闪烁、人眼难以分辨。为了防止这种现象，在计数和显示译码之间增加锁存电路。当计数器停止计数后（闸门信号由高变低后），才将计数值锁存并译码显示。

图8 四位二进制锁存器
8） 动态显示选通电路
u 输入信号：CLKD-动态显示时钟信号
u 输出信号：XT0、XT1、XT2、XT3-选通信号；(当XT0=0，选通H或K单位数码管；当XT1=0，选通个位数码管；当XT2=0，选通十位数码管；
当XT3=0，选通百位数码管。)
u 设计要点：
设置一个两位二进制计数器，其四种状态，分别对应XT3..XT0四个选通信号。 设置一组中间节点：Q1,Q0 node istype 'reg'；QQ.CLK=CLKD。当QQ>=3，QQ等于0；当QQ<3，QQ等于QQ+1。
动态选通端低电平有效：XT3=!(Q1&Q0)——显示百位；XT2=!(Q1&!Q0)——显示十位；XT1=!(!Q1&Q0)——显示个位；XT0=!(!Q1&!Q0)——显示H或K。

图9 动态显示选通电路

9） 显示电路
u 输入信号：XT3..XT0－选通信号；S1－闸门信号；S2－分频信号；A3..A0－个位数；B3..B0－十位数；C3..C0－百位数
u 输出信号：D、C、B、A－动态四位二进制数；POT－小数点
u 中间变量：POT2=1:显示一位小数；POT3=1:显示二位小数；KH=0:显示H（Hz）；KH=1:显示├（KHz)。

图10 显示电路
设置一组中间节点： POT3..POT1,KH node istype ‘com’。
当SS=01(低频)——量程Hz, 十位小数点亮；当SS=00(中频)——量程Hz,无小数点；当SS=10(高频)——量程KHz,百位小数点亮；当SS=11(中频)——量程Hz,无小数点。
量程显示：DD=[D,C,B,A]；DD=10，显示H；DD=11，显示├；XT0=0且KH=0——显示H(Hz),不显示小数点；XT0=0且KH=1——显示├(KHz),不显示小数点；XT1=0——DD＝个位数的值，POT=POT1；XT2=0——DD＝十位数的值，POT=POT2；XT3=0——DD＝百位数的值，POT=POT3。
10） 显示译码电路
u 输入信号：q3..q0－四位二进制信号
u 输出信号：a、b、c、d、e、f、g－对应七段数码管的段信号
u 设计要点：数码管除了能显示数字0～9外，还能显示字符H（Hz）和├（KHz）。H－对应b、c、e、f、g显示。├－对应e、f、g显示。

图11 显示译码电路

11） 动态显示电路

图12 动态显示电路

4.2 数显频率计总电路

图13 数显频率计总电路图

五、设计心得体会
纸上得来终觉浅,觉知此事要躬行.
设计是我们将来必需的技能，这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆及上网查找资料到对电路的设计对电路的仿真再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。
制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调快等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。
要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。通过这次电子系统设计，我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次电子设计的成功不仅帮助我们更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力！
总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。同时,衷心的感谢在设计过程中帮助过我的老师和同学们！
六、参考文献
[1]. 黄智伟主编,王彦,陈文光,朱卫华编著.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社 2005.
[2]. 王松武，蒋志坚.通用仪器【M】.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.2002.
[3]. 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计【M】.北京：电子工业出版社.2002.
[4]. 安德宁.赵廷瑞编注.数字电路与逻辑设计实验技术.北京邮电学院出版社
[5]. 谢自美主编 电子线路设计.实验.测试. 华中科技大学出版社 2000.7

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