電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-浮點(diǎn)頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　----浮點(diǎn)頻率計(jì)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多其他參數(shù)的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量就顯得由為重要。本文利用數(shù)字電子技術(shù)信號(hào)處理方法，設(shè)

2、計(jì)了測(cè)量達(dá)1MHz，精度較高的浮點(diǎn)頻率計(jì)，并將結(jié)果通過7段數(shù)碼管顯示。</p><p>　　本文利用計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器的原理，設(shè)計(jì)了秒脈沖電路、節(jié)拍控制電路和顯示電路。待測(cè)信號(hào)通過控制門，可以實(shí)現(xiàn)1s測(cè)量、3s顯示的時(shí)序，并經(jīng)過分頻與計(jì)數(shù)，送給數(shù)碼管顯示。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Multisim軟件仿真和硬件調(diào)試相結(jié)合的方式，最終實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能達(dá)到了預(yù)期

3、指標(biāo)，具有一定的可行性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：頻率；Multisim；分頻器</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　頻率計(jì)又稱為頻率計(jì)數(shù)器，是一種專門對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：時(shí)基電路、輸入電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路。其原理框圖見圖1</p><p

4、>　　圖 1 數(shù)字頻率計(jì)的原理框圖</p><p>　　而浮點(diǎn)頻率計(jì)與普通數(shù)字頻率計(jì)的區(qū)別在于，浮點(diǎn)頻率計(jì)計(jì)數(shù)器的小數(shù)點(diǎn)位置是不固定的。這樣，可以利用較少的顯示器位數(shù)，測(cè)量較大的頻率。</p><p><b>　　1.1技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　1) 設(shè)計(jì)一個(gè)浮點(diǎn)式數(shù)字頻率計(jì)；</p><p>　　2)

5、 要求測(cè)量頻率最高可達(dá)1MHz;</p><p>　　3) 測(cè)量結(jié)果以三位數(shù)碼管顯示，其中兩位用以顯示有效數(shù)字，一位顯示10的冪次數(shù)；</p><p>　　4) 要求具有啟、?？刂朴糜趩?dòng)和停止的連續(xù)測(cè)量和顯示；</p><p>　　5) 在連續(xù)測(cè)量工作狀態(tài)要求每次測(cè)量1s，顯示3s，且連續(xù)進(jìn)行直至按動(dòng)停止按鈕。</p><p><b&

6、gt;　　1.2任務(wù)分析</b></p><p>　　根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，該課題所要求的頻率計(jì)被測(cè)信號(hào)頻率較高，且小數(shù)點(diǎn)位置不固定。且本系統(tǒng)只需要保留兩位有效數(shù)字，后面各位的數(shù)字一概不予保留。因此，測(cè)量結(jié)果的顯示僅需3位十進(jìn)制數(shù)，頭兩位是結(jié)果保留的有效數(shù)字，第三位是此數(shù)所乘以10的冪次數(shù)，即可將結(jié)果表示為，其中m為兩位十進(jìn)制數(shù)，N為一位十進(jìn)制數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，最高測(cè)量頻率為1MHz，該顯

7、示范圍完全夠用。 </p><p><b>　　2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　如圖2所示，為控制系統(tǒng)框圖。主要分為時(shí)基部分、信號(hào)輸入部分和顯示部分。</p><p><b>　　圖 2系統(tǒng)框圖</b></p&

8、gt;<p>　　首先，由石英晶體振蕩器產(chǎn)生100kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過5級(jí)十分頻電路后，獲得了1Hz的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。該信號(hào)作為基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，送入到控制器中，通過時(shí)序處理，并通過控制門，產(chǎn)生顯示部分的時(shí)鐘信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)每次測(cè)量1s，顯示3s的要求。</p><p>　　被測(cè)信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，通過控制門，進(jìn)入分頻器，產(chǎn)生、、、、五路信號(hào)送入多路選擇器。多路選擇器的使能端由N計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，而其輸出信

9、號(hào)送入m計(jì)數(shù)器。m計(jì)數(shù)器應(yīng)由99變?yōu)?0，即高位由9變?yōu)?，而低位和N計(jì)數(shù)器均可采用一般的BCD計(jì)數(shù)器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用單電源+5V供電，電源電路部分未在系統(tǒng)框圖中出現(xiàn)。</p><p><b>　　2.2單元電路</b></p><p>　　該系統(tǒng)除電源外，各部分電路按功能分為秒脈沖電路、節(jié)拍控制電路與顯示電路。其中顯示電路中

10、還包括分頻器電路。</p><p>　　2.2.1秒脈沖電路</p><p>　　如圖3所示，為秒脈沖電路原理圖。</p><p>　　振蕩器是數(shù)字鐘的核心。振蕩器的穩(wěn)定度及頻率的精確度決定了數(shù)字鐘計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確程度，通常選用石英晶體構(gòu)成振蕩器電路。石英晶體振蕩器的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一時(shí)間脈沖信號(hào)</p>&

11、lt;p>　　圖 3秒脈沖電路原理圖</p><p>　　也可由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1：555與RC組成的多諧振蕩器</p><p>　　2.2.2節(jié)拍控制電路</p><p>　　如圖4所示，為節(jié)拍控制電路原理圖。</p><p&

12、gt;　　圖 4節(jié)拍控制電路原理圖</p><p>　　節(jié)拍控制電路主要有以下四個(gè)功能：第一、產(chǎn)生周期為4s，占空比為25%的控制信號(hào)Q；第二、使系統(tǒng)受到啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)的控制；第三、實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位；第四、產(chǎn)生系統(tǒng)的清零信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，首先需要利用JK觸發(fā)器對(duì)輸入的1Hz脈沖信號(hào)分頻。但是分頻后的信號(hào)還需要受到啟動(dòng)信號(hào)的控制，也就是說，只有啟動(dòng)后才允許標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)輸出去選通控制門。為此，設(shè)計(jì)了啟?？刂齐娐?/p>

13、，使系統(tǒng)在接通電源或者按動(dòng)S1時(shí)，工作狀態(tài)觸發(fā)器被清零，系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)。而當(dāng)按動(dòng)S2時(shí)，工作狀態(tài)觸發(fā)器被置1，系統(tǒng)處于測(cè)量工作狀態(tài)。</p><p>　　另外，為了實(shí)現(xiàn)1s測(cè)量、3s顯示的要求，還應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)三節(jié)拍發(fā)生器。這個(gè)三節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生三個(gè)節(jié)拍信號(hào)，分別用來封鎖基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)；清除測(cè)量結(jié)果以及接觸信號(hào)封鎖。其中，節(jié)拍1由NE555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，節(jié)拍2和節(jié)拍3是由與非門構(gòu)成的典型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出

14、。其控制時(shí)序如圖5所示。</p><p>　　圖 5節(jié)拍發(fā)生器的控制時(shí)序</p><p><b>　　2.2.3顯示電路</b></p><p>　　如圖6所示，為顯示電路原理圖。</p><p>　　圖 6顯示電路原理圖</p><p>　　該部分電路主要包含以下部分：分頻器、多路選擇器、m計(jì)數(shù)

15、器和N計(jì)數(shù)器。根據(jù)系統(tǒng)要求，待測(cè)信號(hào)需要經(jīng)過4級(jí)10分頻電路產(chǎn)生、、、、五路信號(hào)送入多路選擇器，在此采用74LS290實(shí)現(xiàn)十分頻。多路選擇器則由74LS1153雙四選一和或門74LS32組成八選一電路。根據(jù)本系統(tǒng)要求，僅需要五路信號(hào)，所以多出的三路不用。多路選擇器的使能端由N計(jì)數(shù)器的第三位控制，而其輸出信號(hào)送入m計(jì)數(shù)器。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，m計(jì)數(shù)器應(yīng)由99變?yōu)?0，即高位由9變?yōu)?，而低位和N

16、計(jì)數(shù)器均可采用一般的BCD計(jì)數(shù)器。其中BCD計(jì)數(shù)器仍由74LS290來實(shí)現(xiàn)，而m計(jì)數(shù)器的高位選用一片具有同步預(yù)置功能的74LS160來完成。當(dāng)74LS160計(jì)數(shù)到9時(shí)，其進(jìn)位端C=1，經(jīng)反相器送同步預(yù)置端LD。當(dāng)?shù)臀黄?變到0時(shí)，送來一個(gè)進(jìn)位脈沖，則高位片將并行置入DCBA段的信號(hào)，系統(tǒng)中將DCBA固定接成0001狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高位片由9變1的要求。</p><p><b>　　3.系統(tǒng)仿真與測(cè)試&l

17、t;/b></p><p><b>　　3.1系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　為了確保上述設(shè)計(jì)電路的正確性，利用Multisim 12軟件對(duì)該系統(tǒng)電路進(jìn)行了仿真。</p><p>　　仿真主要包括兩個(gè)部分。首先，對(duì)節(jié)拍發(fā)生器電路進(jìn)行仿真，利用虛擬示波器檢查各處波形是否正確。為了加快仿真速度，將原理圖中1Hz的秒脈沖信號(hào)改為10Hz信

18、號(hào)。各處仿真波形如圖7所示。圖中，從上至下分別為Q信號(hào)、節(jié)拍1信號(hào)、節(jié)拍2信號(hào)和節(jié)拍3信號(hào)的波形。從仿真結(jié)果上看，節(jié)拍發(fā)生器的設(shè)計(jì)是正確的。</p><p>　　圖 7節(jié)拍發(fā)生器控制時(shí)序仿真波形圖</p><p>　　隨后，即為系統(tǒng)整體仿真。在Multisim中將節(jié)拍控制電路與顯示電路分別連接，并將被測(cè)信號(hào)設(shè)為100Hz，可以看到仿真結(jié)果如圖8所示?？梢?，仿真結(jié)果是正確的，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的

19、設(shè)計(jì)是可行的。</p><p>　　圖 8系統(tǒng)整體仿真結(jié)果</p><p>　　3.2系統(tǒng)搭建與測(cè)試</p><p>　　在完成系統(tǒng)仿真后，根據(jù)系統(tǒng)原理圖，在面包板上搭建了該浮點(diǎn)頻率計(jì)系統(tǒng).</p><p>　　在完成系統(tǒng)搭建后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)試。具體結(jié)果見表1。</p><p>　　表 1 指標(biāo)測(cè)試結(jié)果</

20、p><p>　　從上述測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)滿足技術(shù)指標(biāo)中測(cè)量范圍的要求。同時(shí)，在1kHz以上的頻率段，誤差基本為0。當(dāng)頻率較小時(shí)，由于脈沖數(shù)較少，一旦發(fā)生漏脈沖或外界有一些干擾，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)的誤差。故，在低頻段有一定誤差，但也在可接受范圍內(nèi)。</p><p><b>　　4.總結(jié)收獲</b></p><p>　　此次設(shè)計(jì)了一種測(cè)量范圍可達(dá)5~1M

21、Hz，精度較高的浮點(diǎn)頻率計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)了秒脈沖電路、節(jié)拍控制電路和顯示電路等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，采用軟件仿真和硬件調(diào)試相結(jié)合的方式，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。</p><p>　　在本次實(shí)驗(yàn)過程中，出現(xiàn)了很多問題，方案設(shè)計(jì)的不完美，參數(shù)不精確存在缺陷等。此次實(shí)驗(yàn)使我明白了，在工程設(shè)計(jì)上一定要十分精確，及時(shí)是一個(gè)小小的電阻，也要按照實(shí)驗(yàn)原理去自習(xí)計(jì)算參數(shù)，切不能大意，估值甚至隨意安放一個(gè)。另外，此次實(shí)驗(yàn)更讓我體會(huì)

22、到動(dòng)手能力的重要性，小至搭一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊，本來以為打電路板已經(jīng)很熟悉的我這次還范了一些低級(jí)的錯(cuò)誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)進(jìn)行滯后。</p><p>　　此外，通過這次實(shí)驗(yàn)，我們掌握了更多的調(diào)試與分析電路的方法，學(xué)會(huì)了模塊化設(shè)計(jì)與調(diào)試，加強(qiáng)了查錯(cuò)的技能，收獲很多，并且懂得了堅(jiān)持的重要性，相信在以后的工程中出現(xiàn)類似的錯(cuò)誤我能很快的檢查并糾正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b>