简易数字频率计的设计.docx
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简易数字频率计的设计.docx
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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
赵婷婷指导教师
2014.12.5期日
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
简易数字频率计的设计课程设计题目
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
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;
I
简易数字频率计的设计
1、绪论---------------------------------------------------------------------1
2、方案设计与论证-----------------------------------------------------------2
2.1计数法---------------------------------------------------------------2
2.2计时法---------------------------------------------------------------2
2.3方案的确定-----------------------------------------------------------3
3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算-------------------------------------3
3.1工作原理及框图-------------------------------------------------------3
3.2时基电路的设计与仿真-------------------------------------------------4
3.3直流稳压电路设计与仿真----------------------------------------------6
3.4控制电路设计---------------------------------------------------------7
3.5计数器电路----------------------------------------------------------9
3.6锁存器电路----------------------------------------------------------11
3.7译码显示电路--------------------------------------------------------13
3.8系统的工作原理分析--------------------------------------------------14
4、总体电路的仿真分析------------------------------------------------------17
5、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
II
简易数字频率计的设计
1、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。
1
简易数字频率计的设计
2、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。
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简易数字频率计的设计
2.3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N?
fHz。
可见,闸门时间TN得的脉冲个数为,则被测信号频率为决定量程,
XT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。
3
简易数字频率计的设计
被测量信号经过放大与整形电路传入十进制
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