东华大学数电课程设计报告——数字频率计

目录第一章设计指标………………………………………………11.1功能要求……………………………………………………11.2参数指标……………………………………………………1第二章系统概述…………………………………………………22.1设计思想……………………………………………………22.2可行性论证…………………………………………………22.3各功能的组成………………………………………………22.4总体工作过程………………………………………………2第三章单元电路设计与分析……………………………………43.1各单元电路的选择…………………………………………43.2设计及工作原理分析………………………………………11第四章电路的组构与调试……………………………………134.1遇到的主要问题……………………………………………134.2现象记录及原因分析………………………………………134.3解决措施及效果……………………………………………144.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据……………14第五章结束语……………………………………………………155.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明……155.2总结设计的收获与体会……………………………………15附图(电路图、电路总图)………………………………………16参考文献…………………………………………………………171第一章设计指标1.1功能要求1、整体功能要求要求设计一个测量TTL方波信号频率的数字系统。用按键选择测量信号频率。测量值采用4个LED七段数码管显示，并以发光二极管指示测量对象：频率以及测量值得单位：Hz、kHz。频率的测量范围有四档量程。1）测量结果显示4位有效数字，测量精度为万分之一。2）频率测量范围：100.0Hz~999.9kHz，分为4档。第一档：100.1Hz~999.9Hz第二档：1.000kHz~9.999kHz第三档：10.00kHz~99.99kHz第四档：100.0kHz~999.9kHz3)量程切换可以采用两个按键SWB、SWA手动切换。1.2参数指标1、主要参数指标1）测量范围：被测信号的最高频率和最低频率。2）测量精度：测量数字值的有效位。3）测量误差：主要有计数误差和时基误差。时基误差——定时时间不准造成的误差，与被测信号频率及数值有效位无关，为恒定值：计数误差——由于输入信号与标准定时信号不同步，可能产生1个脉冲的误差。测量值有效位越多，计数相对误差越小：累计标准时间TS中被测信号的脉冲个数NX，被测信号频率：%100Δ1ΔXSff%100ΔXXsfffSXXTNf2第二章系统概述2.1设计思想1、周期性信号频率的物理意义是信号在1s时间内的周期数，单位有赫兹(Hz)、千赫兹(kHz)、兆赫兹(MHz)等；2、数字频率计的基本原理是测量周期性信号在单位时间内的信号周波数，所以它的主要电路是计数器，需要控制的是计数器的输入脉冲和计数时间，其输入脉冲为被测信号，计数时间为时基信号的周期(单位时间)。3、被测信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数。因此可以利用计数器来完成计数功能，在利用公式f=N/T就可以计算出待测信号的频率。4、计数器进行计数，利用锁存器将计数的结果进行锁存，并把锁存的结果输送到译码器来控制七段显示器显示输出结果。同时还需用一个逻辑控制电路产生相应的锁存和清零信号以分别控制锁存器和计数器的工作状态。2.2可行性论证1、时间和频率测量是电子测量技术中最基本的测量之一。2、频率的物理意义是单位时间（1s)内信号的周波数。所以频率测量问题等同于时间测量问题3、在电子系统中，频率、周期、时间的测量通常采用计数器。4、计数测量一般采用比较法：1）测量一段标准时间内周期性信号的周波数（测频）。2）计数器的计数时间（开门时间）和计数脉冲是关键参数。2.3各功能的组成1、产生系统基准时钟的石英晶体振荡器；2、多级分频电路；3、计数及显示控制：计数器，锁存器，寄存器，译码显示器，发光二极管；4、量程切换控制：小数点位置控制，测量单位控制；5、测量状态控制：数字单稳态触发器，计数器清零，显示锁存。2.4总体工作过程原理框图原理框图3第三章单元电路设计与分析3.1各单元电路的选择1、10倍率分频器（10fp、Div8）42、译码显示（4scan）53、BCD64、BCD计数（BCDjishu）75、测量单位控制（danweikongzhi）6、数字单稳态触发电路（danwentai）87、div258、dot99、晶体振荡器（jingyizhendang）10、testBCDjishu1011、Testwhole12、调试信号频率选择（tiaoshisignal、tiaoshisignal2）113.2设计及工作原理分析1、测量时间TS选择：根据测量精度(有效数位)和被测信号频率切换TS时间。由于测量时间TS的精度直接影响了测频的准确性，所以一般采用高精度的石英晶体振荡器产生标准时钟fC。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。2、高频信号的频率测量方法：累计标准时间TS内的信号脉冲个数NX12频率测量值：测量相对误差：测量精度取决于标准时间TS的精度及NX的有效数位，NX越小，测量误差较大。第四章电路的组构与调试4.1遇到的主要问题1、模块引脚显示顺序混乱2、同时显示两个小数点3、显示乱码4、找不到需要使用的引脚号4.2现象记录及原因分析1、模块引脚显示顺序混乱SXXTNfXXXXX1ΔΔNNNff13改进前改进后原因分析：引脚排列顺序与各器件排列几何位置有关2、同时显示两个小数点原因分析：应该用与或非门而用成了与或门3、显示乱码原因分析：电路连接有误，器件对应关系错误4、找不到需要使用的引脚号原因分析：选择Cyclone系列的EP1C3T144C8器件时选择错误4.3解决措施及效果1、模块引脚显示顺序混乱解决措施：尝试重新排列器件位置，改变各个器件之间的位置关系效果：引脚恢复需要的顺序2、同时显示两个小数点解决措施：将用错的与或门换成与或非门效果：小数点恢复正常3、显示乱码解决措施：检查修改电路效果：乱码消失，恢复正常显示4、找不到需要使用的引脚号14解决措施：在当前页面重新选择器件，重新给引脚编号效果：找到需要的引脚号4.4功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据1、功能测试的方法：1）按键：SWB、SWA表示四档量程选择；2）SWC表示产生不同调试信号3）4个LED七段数码管，显示测量结果4）发光二极管：表示单位指示Hz或KHz，也可以用一个发光二极管（亮或者不亮）；2、功能测试的步骤：1）全编译Compile2）下载Programmer通过下载电缆将编程文件下载到器件中用下载电缆将PC机与实验设备相连，实验装置打开电源，在Tools菜单中选择Programmer，设置下载电缆为ByteBlaste[LPT1]、选择下载模式为JTAG，然后加载要下载的*.sof文件，注意Device栏是否为你选择的器件，然后点击Start开始下载。完成编程后芯片即能实现所设计的逻辑功能。LP-2900实验装置绿灯亮，开始测试。3、功能测试的设备：Quartus软件及LP-2900实验装置4、记录的数据：第五章结束语5.1对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明1、意见关于课程设计类的题目还可以更有趣更贴近日常生活，更加有实用价值一点。5.2总结设计的收获与体会本次设计让我体味到了设计电路过程中的苦与甜。设计是我们将来必需的技能，这次恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从看书到理论分析再到最后的电路设计，都对我所学的知识进行了检验。15在设计过程中发现了以前学的数电的知识掌握不牢。同时在设计的过程中，遇到了一些以前没见到过的设备，但是通过学习来掌握它们的使用。最重要的是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对设计中出现的问题进行分析解决。附图(电路总图)16参考文献17[1]赵曙光.数字电路及系统设计.北京：高等教育出版社，2011[2]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，2008.7