基于Multisim9.0简易数字频率计的设计与仿真

基于Multisim9.0简易数字频率计的设计与仿真摘要Multisim9.0作为国际上流行的电子电路辅助设计和分析软件，其强大的虚拟仪器库和软件仿真功能，为电路设计提供了先进、高效的设计平台。本文以简易数字频率计为例，介绍其工作原理、硬件电路设计和仿真过程。关键词：Multisim9.0；数字频率计；电路设计；仿真ThedesignandsimulationofsimplifieddigitalfrequencycounterbasedonMultisim9.0AbstractMultisim9.0,asapopularelectroniccircuitdesignandanalysissoftwareintheworld,haspowerfulvirtualinstrumentstore-Houseandsoftwaresimulationfunction,whichcanofferanadvancedandhighefficientdesignplatformforcircuitdesign.Thispaper,Takingsimplifieddigitalfrequencycounterasanexample,introducestheworkingprinciple,hardwarecircuitdesignandsimulationProcess.Keywords:Multisim9.0;digitalfrequencycounter;circuitdesign;simulation信息工程学院课程设计21引言Multisim9.0是美国NI公司推出的EDA(Elec-tronicDesignicAutomatic)，电子设计自动化技术)软件的一种,包含有电子电路仿真设计的模块Ｍｕｌｔｉｓｉｍ、ＰＣＢ设计软件Ｕｌｔｉｂｏａｒｄ、布线引擎Ｕｌｔｉｒｏｕｔｅ及通信电路分析与设计模块Ｃｏｍｍｓｉｍ4个部分,这4个部分相互独立,可以分别使用。并且在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ9.0中,引入了ＮＩ公司独创的、先进的ＬａｂＶＩＥＷ(ｌａｂｏｒａ-ｔｏｒｙｖｉｒｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｗｏｒｋｂｅｎｈ)技术,该技术是一种图形化的编程语言和开发环境。电子产品设计人员利用这个软件可对所设计的电路进行仿真和调试,一方面可以验证所设计的电路是否能达到设计要求和技术指标;另一方面,又可以通过改变电路的结构、元器件参数,使整个电路的性能达到最佳。根据仿真电路的结果,将实际电路制作出来。这样,不仅降低了电路的设计成本,同时也缩短了产品的研发周期。这是一种目前世界上越来越被广大工程技术人员所熟悉和掌握的先进的设计理念和技术[1]。信息工程学院课程设计31技术指标1.1整体功能要求频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。1.2系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目------频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。数字频率计整体方案结构方框图1.电气指标3.1被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。3.2测量频率范围：分三档：1Hz~999Hz；0.01kHz~9.99kHz；0.1kHz~99.9kHz3.3测量周期范围：1ms~1s。3.4测量脉宽范围：1ms~1s。1.5测量精度：显示3位有效数字（要求分析1Hz、1kHz和999kHz的测量误差）。3.6当被测信号的频率超出测量范围时,报警.4.扩展指标要求测量频率值时，1Hz~99.9kHz的精度均为+1。5.设计条件5.1电源条件：+5V。被测信号测量电路显示电路档位转换信息工程学院课程设计45.2可供选择的元器件范围如下表型号名称及功能数量NE555定时器1片741518选1数据选择器2片74153双4选1数据选择器2片7404六反向器1片4518十进制同步加/减计数器2片74132四2输入与非门（有施密特触发器）1片74160十进制同步计数器3片C392数码管3片4017十进制计数器/脉冲分配器1片45114线－七段所存译码器/驱动器3片TL0841片10K电位器1片电阻电容拨盘开关1个门电路、阻容件、发光二极管和转换开关等原件自定。信息工程学院课程设计52整体方案设计2.1算法设计频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据这一定义采用如图2-1所示的算法。图2-2是根据算法构建的方框图。被测信号图2-2频率测量算法对应的方框图在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。改闸门信号控制闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测输入信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期个数为1s内被测信号的周期个数，即为被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度直接相关，因此，为保证在1s内被测信号的周期量误差在10̄³量级，则要求闸门信号的精度为10̄⁴量级。例如，当被测信号为1kHz时，在1s的闸门脉冲期间计数器将计数1000次，由于闸门脉冲精度为10̄⁴，闸门信号的误差不大于0.1s，固由此造成的计数误差不输入电路闸门计数电路显示电路闸门产生信息工程学院课程设计6会超过1，符合5*10̄³的误差要求。进一步分析可知，当被测信号频率增高时，在闸门脉冲精度不变的情况下，计数器误差的绝对值会增大，但是相对误差仍在5*10̄³范围内。但是这一算法在被测信号频率很低时便呈现出严重的缺点，例如，当被测信号为0.5Hz时其周期是2s，这时闸门脉冲仍未1s显然是不行的，故应加宽闸门脉冲宽度。假设闸门脉冲宽度加至10s，则闸门导通期间可以计数5次，由于数值5是10s的计数结果，故在显示之间必须将计数值除以10.2.2整体方框图及原理输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。信息工程学院课程设计7频率测量：测量频率的原理框图如图2-3.测量频率共有3个档位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号有555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。周期测量：测量周期的原理框图2-4.测量周期的方法与测量频率的方法相反，即将被测信号经整形、二分频电路后转变为方波信号。方波信号中的脉冲宽度恰好为被测信号的1个周期。将方波的脉宽作为闸门导通的时间，在闸门导通的时间里，计数器记录标准时基信号通过闸门的重复周期个数。计数器累计的结果可以换算出被测信号的周期。用时间Tx来表示：Tx=NTs式中：Tx为被测信号的周期；N为计数器脉冲计数值；Ts为时基信号周期。时基电路：时基信号由555定时器、RC组容件构成多谐振荡器，其两个暂态时间分别为T1=0.7（Ra+Rb）CT2=0.7RbC重复周期为T=T1+T2。由于被测信号范围为1Hz~1MHz，如果只采用一种闸门脉冲信号，则只能是10s脉冲宽度的闸门信号，若被测信号为较高频率，计数电路的位数要很多，而且测量时间过长会给用户带来不便，所以可将频率范围设为几档：1Hz~999Hz档采用1s闸门脉宽；0.01kHz~9.99kHz档采用0.1s闸门脉宽；0.1kHz~99.9kHz档采用0.01s闸门脉宽。多谐振荡器经二级10分频电路后，可提取因档位变化所需的闸门时间1ms、0.1ms、0.01ms。闸门时间要求非常准确，它直接影响到测量精度，在要求高精度、高稳定度的场合，通常用晶体振荡器作为标准时基信号。在实验中我们采用的就是前一种方案。在电路中引进电位器来调节振荡器产生的频率。使得能够产生1kHz的信号。这对后面的测量精度起到决定性的作用。计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。控制电路工作波形的示意图如图2-5.信息工程学院课程设计8信息工程学院课程设计93单元电路设计3.1时基电路设计图3-1时基电路与分频电路它由两部分组成:如图3-1所示，第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.43/((R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取430欧姆,R3取500欧姆,电容取1uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲。在R1和R3之间接了一个10K的电位器便于在后面调节使得555能够产生非常接近1KHz的频率。第二部分为分频电路,主要由4518组成（4518的管脚图，功能表及波形图详见附录），因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求为0.01s、0.1s和1s。4518为双BCD加计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或下降沿加计数，在单个运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时清零。计数器在脉动模式可级联，通过将Q³连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。如图3-2所示，555产生的1kHz的信号经过三次分频后得到3个频率分别为100Hz、10Hz和1Hz的方波。信息工程学院课程设计10图3-21kHz的方波分频后波形图3.2闸门电路设计如图3-3所示，通过74151数据选择器来选择所要的10分频、100分频和1000分频。74151的CBA接拨盘开关来对选频进行控制。当CBA输入001时74151输出的方波的频率是1Hz；当CBA输入010时74151输出的方波的频率是10Hz；当CBA输入011时74151输出的方波的频率是100Hz；这里我们以输出100Hz的信号为例。分析其通过4017后出现的波形图（4017的管脚图、功能表和波形图详见附录）。4017是5位计数器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端，时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器清零。100Hz的方波作为4017的CP端，如图3-3，信号通过4017后，从Q1输出的信号高电平的脉宽刚好为100Hz信号的一个周期，相当于将原信号二分频。也就是Q1的输出信号高电平持续的时间为10ms，那么这个信号可以用来导通闸门和关闭闸门。信息工程学院课程设计11图3-3闸门电路图3-4信息工程学院课程设计123.3控制电路设计通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，4511的锁存信号。控制电路。计数电路和译码显示电路详细的电路如图3-5所示。当74153的CBA接001、010、011的时候电路实现的是测量被测信号频率的功能。当74153的CBA接100的时候实现的是测量被测信号周期的功能。当74153的CBA接101的时候实现的是测量被测信号脉宽的功能。图3-6是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、4511锁存端波形图。其中第一个波形是被测信号