浮点频率计-(2)

北京理工大学课程设计1电子技术与课程设计题目：浮点频率计的设计学院：自动化专业：自动化班级：姓名：学号：指导教师：王波郝艾芳北京理工大学课程设计2目录第1章课程设计概述----------------------------------------------------3第2章方案设计----------------------------------------------------------5第3章EDA仿真----------------------------------------------------------12第4章调试与结果分析------------------------------------------------17第5章实验结构及分析------------------------------------------------18第6章总结与体会-------------------------------------------------------19第7章参考文献----------------------------------------------------------20北京理工大学课程设计3第1章课程设计概述1．1课程设计任务1、设计一个浮点频率计2、要求测量频率最高可达1MHz。3、测量结果以3位LED数码管显示，其中两位用以显示有效数字，一位显示10的幂次数。4、要求具有启、停控制用于启动和停止频率的连续测量和显示。5、在连续测量工作状态下，要求每次测量1s显示3s左右，并且连续进行直至按动停止按钮。1．2使用仪器和元件1、使用仪器：数字电路实验箱、示波器、信号发生器2、使用元件清单：元件名称数量（个）芯片74LS290674LS160174LS153174LS00274LS04274LS08274LS321555定时器1CD4060174LS741电阻270kΩ1510kΩ1200Ω21kΩ2北京理工大学课程设计4表1-1元器件清单1MΩ1电容2200pF410nF14.7μF120pF2晶振32768Hz1北京理工大学课程设计5第2章方案设计2.1课题分析本课题要求设计一个浮点式数字频率计。一般的数字频率计通常是由石英晶体振荡器、分频器、计数器以及测量与显示控制器等组成。其原理框图见图2-1，其中石英晶体振荡器、分频器、控制器的主要任务是产生时间基准信号，其脉冲宽度必须是准确的，例如1s或0·1s等。这种时间基准信号被用来控制被测信号的输入计数，可见被测信号的频率与基准信号选通期间计数器所计数值成正比。若基准信号为1s，则计数值即为被测信号的频率，若基准信号为0.1s，则计数值乘以10即为被测信号的频率等等。因此基准信号通常设计为10的整数次幂，从而使测量结果的定标只要移动小数点的位置即可。图2-1原理框图基准测量信号选通时间的长短以及计数器的位数决定了频率计的分辨率，而频率计的精度主要取决于基准测量信号本身的精度。这就是脉冲源采用石英品体振荡器的原因。由于作为开门信号的基准测量信号与被测信号不同步，所以这种测量方法存在着±1个计数脉冲的误差。当被测信号频率很低时，该误差将使测量结果的相对误差很大，因此上述测量原理将不适用解决这个问题的方法通常是首先测量被测信号的周期，然后再转换为相应的频率值。本课题所要求的频率计属于前者情况，即被测信号频率较高，所以上图的原理框图仍适用，但其特殊点在于计数器的小数点位置是不固定的（即使在同一标准测量信号下），所以称为浮点式频率计。具体来说，对于一般的频率北京理工大学课程设计6计，在其时间基准信号选定的情况下，计数器小数点的位置就被固定，而且在基准测量信号选通期间，计数器所计的全部数字都要保留，因此计数器的长度必须足够，不能产生溢出，否则结果将是错误的。这样所需显示器的位数也很多。对于浮点式频率计，在其基准测量信号选通期间，计数器所计的数不管多大，只要保留系统所规定的有效数字位数，例如本系统只需要保留最高两位的有效数字，后面各位的数字一概不予保留，而只反映出其后面还有多少位就可以了。本例中通过一位十进制“幂次数计数器、显示器来反映测量结果的小数点位置。可见本系统测量结果的显示只需3位十进制数，头两位是结果保留的有效数字，第三位是此数所乘以10的幂次数，即结果的表达式为×10n，其中为两位十进制数，N为一位十进制数。系统的最高测量频率为1MHz，因此显示范围完全够用。2.2方案论证根据以上的分析，本系统方案如图2-2所示。图2-2系统方案1、石英晶体振荡器、分频器I、控制器该部分电路主要用来产生基准测量信号，采用石英晶体振荡器保证了基准测量信号的准确性，从而保证了测量结果的精度。基准测量信号的脉冲宽度可以是1s，也可以是0.1s等多种，这要根据系统测量频率的范围及精度要求来确定。一般频率计都设计为多种，由用户在使用中选择。本系统以讲清原理为主，因此只选择1的一种。此外控制电路还要求具有启动和停止系统测量的功能，这可以通过“启、“停两个微动开关和相应电路来实现。系统在连续测量与显示工作状态下，实现测量1s，显示约3s，再测量，再显示等功能。北京理工大学课程设计72、m计数器与N计数器m计数器为有效数字计数器，它由两位BCD计数器组成。N计数器为幂次计数器，它由一位BCD计数器实现。其工作过程是这样的：首先把m、N计数器清零。当要测频时，按动启动按钮SB启，系统进入连续测量与显示工作状态。当基准测量信号（1s）选通时，计数器控制门打开，被测量信号进入计数器。当m计数器计满，即N计数器仍为0。被测信号再来一个脉冲，计数器应（达99时），频率显示为99×100。为100，即计数器应从99变为10，而N计数器应从0变为1。此后，计数器再来的脉冲应以10为单位，即被测信号每送入10个脉冲，m计数器才应计一个1，所以被测信号应该经过十分频电路后再送入m计数器。同样道理，在N：1的情况下，m计数器计到99时（频率显示为99×10），若m计数器再接收一个脉冲，则m计数器应由99变为10，而N计数器应由1变为2。此后，计数器的输入应从被测信号经100分频器后的输出接收，此过程一直进行到系统的最高测量频率，即m、N计数器的最大值99×104。可见计数器中的高位BCD计数器必须具有预置功能，以便实现9-1的转换。3、分频器II和多路选择器由上述分析可知，m计数器的输入分别为被测信号f及其分频信号f/10、f/102、f/103、f/104分频器Il就是用来实现这些分频，所以它是由4级十分频电路来完成。多路选择器是用来实现对上述5种输入信号进行选择，把所需信号送入m计数器，因此它要受N计数器的状态控制。当N：0时，多路选择器送出了信号；当N=1时，送入f/10；当N=2时，送入f/102；当N=3时，送入f/103；当N=4时，送入f/104可见多路选择器应为五选一电路。2.3方案实现1、标准测量信号的产生与控制电路的设计用石英晶体组成石英晶体振荡器，如图2-3所示，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成北京理工大学课程设计8并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路。如图4，G1用于震荡；G2用于缓冲整形；R是反馈电阻，通常在几兆欧到几十兆欧间选取；R1起稳定振荡的作用，通常取十至几百欧之间；C1是频率微调电容，图2-3石英晶体振荡器C2是温度特性校正用电容，C1，C2串联等与负载电容。它们与晶体共同构成反馈网络。电路的震荡频率及取决于石英晶体的并联谐振频率，与R、C的数值无关。此电路输出的1Hz脉冲信号只要经过二分频其脉冲宽度就是1s。但还不能这样简单地获取1s基准测量信号，因为基准测量信号还受到启动信号的控制，即只有启动后才允许标准测量信号输出去选通控制门，而且1s信号还必须受到启动信号的同步控制，即不允许启动后发出不完整的1s信号。为此设计的启停控制与标准测量信号电路如图所示。其工作原理是，当接通电源或按动SB停时，工作状态触发器被清零，Q=0处于停止状在这里电容c起加电自动复位作用。当按动SB启键时，工作状态触发器被置1，Q=1系统处于测量工作状态。工作状态触发器的输出端Q接一T形触发器（由JK触发器74LS76构成）的T输入端，把1Hz信号接T触发器的CP端，这样从T触发器的输出QT端就可以获得了受SB启同步控制的1s基准测量信号，QT的脉宽确是1s，但仍不能用此信号1Hz直接去选通计数控制门，其原因有二，一是若用此信号直接北京理工大学课程设计9控制，则测量1s，显示1s，显示时间不可调，达不到显示3s的要求；其二是再次测量时，前一次测量结果未清除，所以本测量将在前一次结果的基础上继续累加，使结果错误。为此可以想到控制电路应设计一个节拍发生器，它应由QT的下降沿启动，发出的第一个节拍信号JP1应封锁基准测量信号，使之不能送出后面的测量信号。第二个节拍信号应在将近3s时发JP2出，用来清除本次测量的结果。可见显示时间约为3s。最后发出JP3信号，解除对QT的封锁，即再次QT启动测量电路。本系统所设计的节拍发生器控制时序图见图2-4，3个节拍所占时间只要略小于3s的显示时间即可。图2-4节拍发生器控制时序图节拍1由555定时器构成的单稳态触发器产生，其中R=510kΩ，Cl=4.7μF，所以负脉冲宽度为2.5s左右，和JP3都是由与非门74LS00构成的典型单稳触发器输出，R、C分别为200Ω和2200pF，所以和JP3负脉冲宽度约为0.6s，满足工作要求。电路的工作过程是这样的：当按动SB停键（或者系统加电时），工作状态触发器F1和连续运行触发器F2，均复位，Q=0、Q'=0，所以G门输出为0，T触发器处于0状态并保持不变，1Hz信号不起作用，基准测量信号输出售=0，封锁计数控制门，从而系统处于停止状态当按动SB启键，Fl和F2均被置1，所以G门输出为1，当1Hz信号下降沿时，T触发器翻转，QT输出一个脉冲为1s的基准测量信号，选通计数控制门，实现测频功能。当QT下降沿到达时，北京理工大学课程设计10经RC微分电路触发555构成的第一级单稳态触发器，从而获得Jp1信号。JP1信号一方面送连续运行触发器F2，使之复位，另一方面送第二级单稳态触发器。JP1的前沿（下降沿）使Q'：0，所以G门输出为0，T触发器保持0状态不变，系统处于显示状态。JP1的后沿（上升沿）触发第二级单稳态触发器，从而获得JP2信号。和SB停按钮信号一起形成清零信号用以清除T触发器、m计数器、N计数器以及分频器，保证再次测量时数据的正确性。JP2信号还送到第三级单稳定触发器的输入端，当JP2的后沿（上升沿）到达时，触发第三级单稳态触发器，从而获得JP3信号。送连续运行触发器F2，使之再次启动Q'=0，所以G门输出为1，T触发器在1Hz信号作用下又一次发出基准测量信号，再次进行测量，如此周而复始进行下去，完成系统连续测量与显示的功能。直到按动SB停键，使Q=0，Q'=0封锁G门，系统处于停止测量状态。2、m计数器和N计数器的设计在方案论证中已经看到计数器要求由99变为10，即其高位应由9变为1，所以其低位和N计数器均可采用一般的BCD计数器，本系统仍可选用两片74LS290来实现，而N计数器的高位选用一片具有同步预置功能的74LS160来完成。当74LS160计到9时，其进位端C=1，经反相器送同步预置端LD。当低位片由9变到0时，送来一个进位脉冲，则高位片将并行置入DCBA段的信号。系统中将DCBA固定接成0001状态，从而实现了高位片由9变1的要求。3、分频器及多路选择器的设计由方案论证可知，待测信号了需经4级10分频电路产生f、f/10、f/102、f/103、f/104五