基于Multisim的数字频率计.docx
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基于Multisim的数字频率计
天津商业大学
2008届本科电子技术课程设计
数字频率计的设计
姓名：
张璐
系别：
自动化系
专业：
自动化
学号：
指导教师：
侯淑萍
2010年12月9日
数字频率计的设计
1设计任务与要求
大体功能
1）能够测量正弦波、方波、三角波等交流信号的频率；
2）测量信号的频率范围为1HZ~9999KHZ，分辨率为1HZ；
3）测量结果直接用十进制数值，通过四个数码管显示；
4）可手动测量，手动清零；
5）具有高精度、迅速测量、读数方便等优势。
扩展功能
1）具有不同可测频率范围的多个档位；
2）有超量程警告，当测量信号频率超过所选档位的量程时，频率计发出警报。
2设计原理
脉冲信号的频率确实是在单位时刻（1s）里产生的脉冲个数，假设在一按时刻距离tw内测得那个周期信号的重复转变次数为N，那么其频率可表示为：
f=N/T
（1）
数字频率计的整体框图如图1所示：
整形电路
被测正弦、三角波信号
计数器
闸门电路
被测方波信号
锁存电路
显示电路
1s
1ms
T1
超量程报警
Vx
图1
数字频率计由四大大体电路组成：
整形系统，单稳态触发器组成的闸门电路，可控的计数系统、锁存译码显示电路、超量程报警系统。
经过放大衰减后的被测信号（包括正弦波，三角波，方波等周期信号）通过整形电路，变成峰值为3~5V（与TTL兼容）的方波信号Vx，送入计数器的时钟脉冲端。
当门控信号到来后，闸门电路开启，时刻为T1，计数器实现计数功能，T1时刻过后闸门关闭，计数停止，锁存器使能端置零，计数结果被锁存，通过数码管能够方便读出被测信号频率。
图2为数字频率计的波形图：
图2
3电路设计
整形电路
1）抢答电路的功能：
将被测信号整形成方波，方便计数。
2）整形电路如图3所示：
图
3）整形电路原理及功能实现：
XFG1为Multisim软件自带的波形发生器,能产生不同频率的，占空比可调的三角波，
正弦波和方波，所产生信号可代替被测外界周期信号，方便进行仿真。
74LS14D为有施密特触发器的六反相器，作用是将三角波或正弦波整形成方波，那个地址咱们只用其中一个就行。
施密特反相器功能表如表1所示：
表1
其核心部份为施密特电路。
施密特触发器有两个稳固状态，但与一样触发器不同的是，施密特触发器采纳电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；关于负向递减和正向递增两种不同转变方向的输入信号，施密特触发器有两个不同的阀值电压。
别离称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的进程中使电路状态发生转变的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的进程中使电路状态发生转变的输入电压称为负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
利用施密特触发器状态转换进程中的正反馈作用，能够把边沿转变缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端取得一样频率的矩形脉冲信号。
4）整形电路的输入输出波形：
图图
图图别离为输入信号别离为正弦波和三角波时整形电路的波形图。
闸门电路
1）闸门电路功能：
只有当闸门开启时，计数器才实现技术功能，计数器开启的时刻确实是闸门开启时刻。
计数结果为外界整形以后取得的方波的负脉冲个数。
可见，当闸门开启时刻一按时，被测信号频率可由计数结果与闸门开启时刻相除求得。
2）闸门电路图如所示：
图
3）闸门电路原理及功能实现：
闸门电路是555按时器组成的单稳态触发器，输入端为TRI端，闭合J1，单稳态触发器触发。
输出端OUT（IO1）连入计数器的LOAD端，IO1输出高电平常，计数器计数。
IO2连接到第二个数码管和第三个数码管之间的指示灯上，IO3连接到第三个数码管和第和个数码管之间的指示灯上。
选择对应付应档位，该指示等亮，表示对应的小数点显示。
单稳态触发器特点如下：
1）.单稳态触发器只有一个稳固状态，一个暂稳态。
2）.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器能够从一个稳固状态翻转到一个暂稳态。
3）.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时刻又回到原先的稳态，暂稳态维持的时刻取决于RC的参数值。
没有触发信号时，即J1为断开状态，Vi（TRI端）处于高电平，接通电源后，Vo=0,电路只有一种稳态，Vo维持低电平不变。
当图中J1闭合，触发输入端施加触发信号（Vi若是忽略T的饱和压降，那么Vc从0电平升到2Vcc/3的时刻，即为输出电压Vo的脉宽tw
tw=RC1In3≈
（2）
在电路暂稳态持续时刻内，加入新的触发脉冲，该脉冲不起作用，电路为不可重复触发单稳态触发器。
令C1=10nF，由公式
（2）可知，R取不同的值时，数字频率计所测信号频率范围不同，分辨率也不同。
当只有J2闭合，选择R5=的档，tw=R5C1In3≈1s，f=N/1,显示数值为所测信号频率，单位为HZ，可测频率范围1HZ~9999HZ，分辨率1HZ；
当只有J3闭合，选择R4=的档，tw=R4C1In3≈，fN/=10N，IO2连入的指示灯亮，显示数值（带小数点）为所测信号频率，单位为KHZ，可测频率范围10HZ~，分辨率10HZ；
当只有J4闭合，选择R3=912kOhm的档，tw=R3C1In3≈，f=N/=100N,IO3连入的指示灯亮，显示数值（带小数点）为所测信号频率，单位为KHZ，可测频率范围100HZ~，分辨率100HZ；
当只有J5闭合，选择R1=的档，tw=R1C1In3≈1ms，fN/=1000N,显示数值为所测信号频率的，单位为KHZ，可测频率范围1KHZ~9999KHZ，分辨率1KHZ;
总结：
闸门时刻选择将取得不同的分辨力，闸门时刻越长，分辨力越高，但速度降低，为达到测量迅速的目的，在设计中咱们选择设定闸门时刻都在1s及以下的档。
4）闸门电路输入输出波形：
以下图为别离选择分辨率为1HZ（图）、10HZ（图）、100HZ（图）、1KHZ（图）的档位，闸门电路输入输出的波形图，其中tw=T2-T1.由图可知，当施密特触发器触发输入端输入一个触发信号（下降沿）时，其输出端输出一个时刻为tw的高电平，tw别离约等于1s,100ms,10ms,1ms.
图图
图图
计数电路
1）计数电路的功能：
脉冲信号进入十进制计数器，在闸门时刻T1=tw内,累计信号脉冲个数N=T×f，计数器通过对脉冲信号计数，可直接或间接测出周期信号的频率。
2）计数电路如下图：
图
3）计数电路原理及功能实现：
计数电路所选芯片为74LS160，该芯片为可预置的十进制同步计数器。
其真值表如表2所示：
表2
74LS160的清除端是异步的。
当清除端CLR为低电平常，不管时钟端CLK状态如何，即可完成清除功能；74LS160的预置是同步的。
当置入操纵器LOAD为低电平常，在CP上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A－D一致；160的计数是同步的，靠CLK同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET均为高电平常，在CP上升沿作用下QA－QD同时转变，从而排除异步计数器中显现的计数尖峰。
74LS160有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端RCO输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部份。
在不外加门电路的情形下，可级联成N位同步计数器。
只要将低位的进位端RCO与高位的CLK端相连接即可。
那个地址咱们将四个74LS160级联成4位同步十进制计数器。
整个计数电路的输入端IO1（第一个74LS160的LOAD端）与闸门电路的输出端连接，闸门打开，计数器开始计数。
闸门关闭，计数器停止计数。
IO2为最高位的进位端，在以后的超量程报警顶用到。
锁存显示电路
1）锁存显示电路功能：
当计数完成，即闸门关闭时，通过锁存电路将计数结果锁存，计数结果（为十进制，读数方便）通过四个十六进制数码管显示，不需要通过译码，大大的简化了电路。
2）锁存显示电路图如下图，
图
注：
图中LOCK1为整体电路的子电路形式，整个设计中要用到4个该子电路，别离对计数器电路的四位数字进行锁存。
图为该子电路的原理图：
图
3）锁存显示电路原理及功能实现：
锁存电路由四个D锁存器组成，D锁存器是电平触发的存储单元。
数据存储的动作取决于使能信号的电平值，仅当存储器处于使能状态时，输出才会随着数据输入发生转变。
在不锁存数据时，输出端的信号随着输入信号发生转变，就像信号通过一个缓冲器一样；一旦锁存信号起锁存作用，数据被锁住，输入信号不起作用。
其真值表如表3所示：
D锁存器真值表
EN
D
Q
1
0
0
1
1
1
0
0
锁存
0
1
锁存
表3
四个锁存器的输入端D别离与计数器的QA~QD相连，输出端Q别离与后面的显示电路相连。
4个D锁存器的EN端都连接到闸门电路的输出端，当闸门打开时，输出端的信号随着输入信号发生转变，不起锁存作用，闸门关闭后，锁存信号起锁存作用，数据被锁住，输入信号不起作用。
超量程报警显示电路
1）超量程报警显示电路功能：
在被测信号频率范围未知的情形下，若是选择了不适合的档位，专门是量程小于被测频率的档，现在不能正确测量信号频率。
超量程报警显示电路在超量程测量时会进行报警，而且通过信号灯进行显示，提示用户改换更高量程的档位。
2）超量程报警显示电路如下图：
图
3）超量程报警显示电路原理及功能实现：
如图可知，5输入与门的5个输入端，其中四个别离与个十百千位计数器的进位端RCO连接，剩下的一个与闸门电路的输出端连接。
输出端连接到一个指示灯和蜂鸣器的一端。
当闸门仍然处于开启状态，计数至9999，即四个计数器进位端都处于高电平时，与门输出高电平，指示灯亮，且蜂鸣器发出报警声音。
整机电路
整机电路图如下图：
图
注：
为了节约空间，整机电路图中计数电路的摆放与图不同，但连线完全一样。
其余功能的实现
要紧为手动清零功能和测量完成显示功能。
手动清零功能的实现要紧依托开关J6，当开关闭合时，计数电路和闸门电路正常工作，当开关打开时，计数电路与闸门电路均无外电源供给，起得手动清零的作用。
清零后将开关再次闭合，能够进行下次测量。
测量完成状态由显示灯X4显示。
测量完成即闸门关闭时，闸门电路输出低电平，通过一个非门后变成高电平，现在指示灯X4亮，表示测量完成。
仿真结果
在Multisim软件里，按下仿真键，将开关J6闭合，依次选择1HZ档，10HZ档，100HZ，1KHZ档，测不同范围频率，检查结果是不是与理论值相符合。
外界被测信号由软件自带的波形发生器生成，可设置任意频率值。
下面别离为用1HZ档测频率为1001HZ的信号（如图，10HZ档测频率为的信号（如图，100HZ档测频率为的信号（如图，1kHZ档测频率为1001kHZ的信号（如图所得的仿真结果。
图
图
图
图
仿真所测值与理论值大致相等。
HZ档误差为±1HZ，10HZ档误差为±10HZ,100HZ档误差为±100HZ,1kHZ档误差为±1kHZ。
测量完成后，X4指示灯亮。
4设计体会
一周的电子技术课程设计终止了，在这一周里，在咱们组全部成员的尽力和合作下，这次课程设计以圆满告终。
这一周的课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理
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