数电课程设计报告数字频率计.docx
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数电课程设计报告数字频率计
数电课程设计报告:
频率计
一、设计指标
二、系统概述
1.设计思想
2.可行性论证
3.工作过程
三、单元电路设计与分析
1.器件选择
2.设计及工作原理分析
4、电路的组构与调试
1.遇到的问题
2.现象记录及原因分析
3.解决与结果
4.功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据
5、总结
1.体会
2.电路总图
六、参考文献
一、设计指标
设计指标:
要求设计一个测量TTL方波信号频率的数字系统。
测试值采用4个LED七段数码管显示,并以发光二极管只是测量对象(频率)的单位:
Hz、kHz。
频率的测量范围有四档量程。
1)测量结果显示四位有效数字,测量精度为万分之一。
2)频率测量范围:
——,分为:
第一档:
——
第二档:
——
第三档:
——
第四档:
——
3)量程切换可以采用两个按键SWB、SWA手动切换。
扩展要求:
1、当被测频率大于,超出最大值时,设置亮一个警灯,并同时发出报警声音。
2、自动切换量程
提示:
1.计数器计到9999时,产生溢出信号CO,启动量程加档。
2.显示不足4位有效数字时量程减档。
三、各量程输出信号的频率最高位有效数字为1、2、3、4、5、6、7、8、9。
二、系统概述
1.设计思想
周期性信号频率可通过记录信号在1s内的周期数来确定其频率。
累计标准时间Ts中被测信号的脉冲个数Nx,被测信号频率:
fx≈Nx/Ts
测量时间Ts选择:
由于测量时间Ts需要根据被测信号的频率切换,所以通常对振荡时钟进行分频以获得不同的定时时间。
采样定时、显示锁存、计数器清零的控制时序波形图
2.可行性论证
用计数器实现记录周期数的功能;用时基信号产生计数时间作为采样时间;用四位动态扫描通过数码管显示结果;因为如果计数器直接把数据输入到数码管显示,那么数码管的数据就会不断变化,累计增加的情况,所以采用锁存器,在每个时间信号内,通过一个高电平使能有效,将计数器的数值锁存到寄存器或者锁存器;为了不要让每次锁存的数据会比上次增加一个基数,而计数器的连续计数累积计数,所以要对每次锁存后立即清零,让计数器从零开始计数。
3.工作过程
晶体振荡器产生10MHz的基准时钟通过10倍率分频器和可控分频器分别产生时基测量时间和调试信号;通过量程控制选择开关选择量程(包括时基时间、小数点位置控制、测量单位控制)和测量选择控制输入调试信号或者是实际待测信号;时基信号脉冲控制数字单稳态触发电路产生清零(CR)和锁存(LD)脉冲信号控制计数器的清零和锁存器的锁存;锁存器将数据通过数码管译码显示,通过控制发光二极管来显示单位Hz和kHz。
(L1亮为kHz,不亮为Hz)
三、单元电路设计与分析
1.器件选择
计数器的器件选择:
选用四个7490构造四个8421BCD码十进制计数器,将其串行级联构成16位二进制码表示的模值为10000的计数器。
锁存器的器件选择:
选用两片74377构造16位二进制码的锁存器。
分频器的器件选择:
10倍率分频器采用7490构成5421BCD码的十进制计数器组成10倍率分频器,再将8个10倍率分频器进行串行级联构成DIV8分频器。
4位动态扫描显示电路器件选择:
74161、DIV8分频器、74153m、74153(双四选一数据选择器)
数字单稳态触发电路器件选择:
用两片D触发器构成一个单稳态触发电路,再将两个单稳态触发电路串行级联构成产生锁存(LD)和清零(CR)的单稳触发电路。
调试信号功能器件选择:
DIV8分频器、74161、MUX41四选一数据选择器
选择控制端产生测频时基信号(包括小数点和单位的控制)器件选择:
DIV8分频器、两片74139(2---4线译码器)、74153M(四选一数据选择器)、非门和与非门。
2.设计及工作原理分析
十进制计数器的设计:
用一片7490,SET9A、SET9B端接低电平无效,脉冲CP端接CLKA二进制端,二进制输出端口QA接到CLKB五进制输入端,将清零(CR)脉冲信号接到CLRA、CLRB端,将QA、QB、QC、QD做4位输出,读数A3A2A1A0即为8421BCD码十进制的二进制的表示。
十进制计数器的设计示意图(单片)
总体图
仿真波形(单片)
向下的箭头是模值10处;斜向下的两个箭头是清零(CR)信号有效时对计数器进行清零操作。
此十进制计数器进行串行级联可以构成10的整数倍模值的计数器。
要构成模值为10000的计数器,故采用四片十进制计数器串行级联,最大数值为9999。
总体仿真波形
级联后的模块图:
CP接待测脉冲信号,CR接清零脉冲信号,输出结果为
D3D2D1D0C3C2C1C0B3B2B1B0A3A2A1A0为16位二进制表示的数值,范围1~9999,实现了模值为10000的计数器功能。
锁存器的设计:
两片74377实现16位二进制数的锁存。
使能端EN低电平有效,故接地,CLK接锁存信号(LD),数据端口与计数器的输出端口一一对应相接
分频器的设计:
10倍率分频器采用7490构成5421BCD码的十进制计数器组成10倍率分频器(实际为10进制计数器)
将8个10倍率分频器进行串行级联构成DIV8分频器,实现了把10MHz的晶振频率分频为1MHz、100kHz、10kHz、1kHz、100kHz、100Hz、10Hz、1Hz、。
Symbol:
4位动态扫描显示电路的设计:
用两片74153、一片74153M、一片74161、一片Div8、一片7seg
其中7seg代码为:
四位动态扫描显示电路:
采用按钮等选择数据、扫描电路的扫描控制端,在扫描过程中,四个七段共阴极数码管显示数值,当扫描频率达到一定值时,其变化和速度超过人眼的辨别范围,即可以看到数据显示在数码管上了。
数字单稳态触发电路的设计:
用7474双D触发器构成一个单稳态触发电路,再将两个单稳态触发电路串行级联构成产生锁存(LD)和清零(CR)的单稳触发电路。
一个单稳态触发电路:
单稳波形:
在M端输入脉冲信号,CP端输入脉冲控制信号,通过触发器后,Y端输出的信号为单稳态的暂态,是高电平,其脉冲宽度是CP脉冲宽度的2倍。
单稳触发态电路的Y即LD锁存信号作为M脉冲实现
总单稳触发电路
Symbol:
波形
LD和CR信号紧邻,且时间是CP脉宽的2倍,只要CP的频率足够大,那么误差就比较小,实际采样时间与理论值相差也小。
调试信号功能设计(N分频电路):
DIV8、74161、MUX41四选一数据选择器
其中:
SWB、SWA为量程选择D、C、B、A为分频置数端
Symbol:
10MHz接晶体振荡器,SWA、SWB、D、C、B、A为六个开关控制键。
其中,SWA、SWB为量程选择控制键;D、C、B、A为N分频实现控制开关,此设计可以实现16以内的任意分频数。
例如,实现8分频,首先8—1=7,写出7的四位二进制表示为0111,在对其取反为1000,所以将D、C、B、A置为1000即可实现8分频,其中开关闭合为高电平“1”,断开为低电平“0”。
FM为分频过后的输出信号。
选择控制端产生测频时基信号(包括小数点和单位的控制)设计:
DIV8、两片74139M(2---4线译码器)、74153M(四选一数据选择器)、非门和与非门。
Symbol:
通过开关控制选择时基信号时间10s、1s、、作为采样时间,DP1、DP2、DP3控制小数点的位置,通过LED_1、LED_2灯来表示单位Hz、kHZ。
量程范围允许误差/Hz采样时间/s小数点位置单位
——10第三位Hz
——11第一位KHz
——10第二位KHz
——100第三位KHz
四、电路的组构与调试
1.遇到的问题
1)对芯片7490的功能不熟悉,经试验才发现,7490不是采用十进制计数,而采用五进制。
2)4位动态扫描电路的设计时,数码管只有第一个是亮的,换了很多种方法构成计数器,都没有用,后来仔细检查PIN码时,发现Div8的OSC端没有接上PIN码。
2.现象记录及原因分析
调试过程中,数码的显示跳动
原因分析:
可能是所选择的信号频率太低,导致时基信号时间长(即采样时间过长),测量时间长,故显示器上等待时间过长,数码变化慢、稳定得慢。
只有一个数码管亮
原因分析:
可能是PIN码没接好,部分数据选择器不工作了。
3.解决与结果
针对数字跳动的现象,原因在测试采样时间过小,导致计数时出现数字的跳动,于是用了最大的频率。
针对只有一个数码管亮的现象,一次检查了线路和代码,根据现象猜测原因,在查PIN码时找出问题所在。
4.功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据
测试方法:
(开关断开为“0”,闭合为“1”)
SWB
SWA
所选调试信号频率
1
1
1MHz
1
0
100kHz
0
0
10kHz
0
0
1kHz
SWA、SWB为调试信号的选频控制开关:
开关SWC控制调试信号与测量信号的输入选择:
SWC=“0”,输入调试信号,进行功能的调试;
SWC=“1”,输入测试信号,进行信号频率的测定。
D、C、B、A为调试信号的16以内的N分频置数器:
D、C、B、A功能表:
D
C
B
A
分频数
0
0
0
0
16
0
0
0
1
15
0
0
1
0
14
0
0
1
1
13
0
1
0
0
12
0
1
0
1
11
0
1
1
0
10
0
1
1
1
9
1
0
0
0
8
1
0
0
1
7
1
0
1
0
6
1
0
1
1
5
1
1
0
0
4
1
1
0
1
3
1
1
1
0
2
1
1
1
1
1
测试步骤:
第一:
先接通各个相应的控制开关以及晶体振荡器
第二:
通过SWC开关选择调试或者测量功能
第三:
通过DCBA四个开关来控制分频数
第四:
接通信号源即可从数码管上读出所测信号的频率
第五:
就录数据,分析。
所需设备:
LP——2900(EP1C3T144C8型FPGA)、函数信号发生器(产生测试信号)、QuartusⅡ软件。
记录的数据:
测频时用1kHz分频(SWB、SWA=00),
预置数DCBA
1000
1011
分频数
8
5
理论频率
实测频率
测频时用10kHz分频(SWB、SWA=01)
预置数DCBA
1000
1011
分频数
8
5
理论频率
实测频率
测频时用100kHz分频(SWB、SWA=10)
预置数DCBA
1000
1011
分频数
8
5
理论频率
实测频率
测频时用1MHz分频(SWB、SWA=11)
预置数DCBA
1000
1011
分频数
8
5
理论频率
实测频率
五、总结
1.体会
通过这次实验,认识了解了LP——2900(EP1C3T144C8型FPGA),并学习使用了quartusII软件。
在老师的详细的ppt指导下,一步步地设计操作中,对课堂上学习到的芯片有了更深刻的体会,更能把握住他们的功能,尤其是在检查错误的时候。
在课设过程中,我发现对芯片的记忆是很关键的,一旦弄混它们的功能以及使能端的有效电平,就会在错误的道路上越走越远。
总的来说,这次因为模电检查电路花费了很久的时间,所以做数电的时间相对还是赶了些,但是还是如期如愿地按着计划进行了,在弄成功的时候,发自内心有一种成就感。
2.电路总图
其中计数器和寄存器构成的译码显示图为:
Symbol:
六、参考文献:
[1]赵曙光.可编程器件技术原理与开发应用.西安:
西安电子科技大学出版社,2011
[2]赵曙光,刘玉英,崔葛瑾.数字电路及系统设计.北京:
高等教育出版社,2011
[3]崔葛瑾.基于FPGA的数字电路系统设计.西安:
西安电子科技大学出版社,2008