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標(biāo)題: 基于Multism的四位數(shù)字頻率計(jì) [打印本頁(yè)]
作者: 6666 時(shí)間: 2025-9-19 18:36
標(biāo)題: 基于Multism的四位數(shù)字頻率計(jì)
學(xué)號(hào)
課程設(shè)計(jì)
（ 2021級(jí)本科）
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二 〇 二 四 年 月
設(shè)計(jì)依據(jù)：
數(shù)字頻率計(jì)通過在一定時(shí)間間隔T內(nèi)計(jì)數(shù)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，來計(jì)算頻率，公式為 f = N/T 。這要求頻率計(jì)能夠準(zhǔn)確地產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并能將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。一個(gè)典型的數(shù)字頻率計(jì)包括放大整形電路、閘門電路、計(jì)數(shù)器電路、鎖存器、時(shí)基電路、邏輯控制、譯碼顯示電路等部分。這些組成部分共同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率的測(cè)量。在設(shè)計(jì)過程中，選擇合適的元器件至關(guān)重要。例如，計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的選擇會(huì)影響測(cè)量精度和響應(yīng)速度。信號(hào)整形電路通常采用比較器實(shí)現(xiàn)，而顯示電路可以采用LED數(shù)碼管、LCD等顯示器件。設(shè)計(jì)時(shí)需要確定數(shù)字頻率計(jì)的測(cè)量范圍和精度。測(cè)量范圍決定了頻率計(jì)能夠測(cè)量的最低頻率和最高頻率，而精度則決定了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：
數(shù)字頻率計(jì)采用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)，采用虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試并采用Protel 99/AltiumDesigner軟件繪出硬件電路圖和PCB版圖。
設(shè)計(jì)要求：
(1) 說明頻率計(jì)電路的工作原理；
(2) 該頻率計(jì)能夠檢測(cè)出輸入的正弦波、三角波和方波信號(hào)頻率，并在LED上顯示該波形頻率；測(cè)量頻率范圍為0-9999Hz；
(3) 最大讀數(shù)為9999Hz，閘門信號(hào)采樣時(shí)間為1s；
(4) 測(cè)量誤差小于±0.1%；
(5) 分析影響頻率測(cè)量的因素；
(6) 添加其它功能（可選）
(7) 采用虛擬軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。
(8)采用Protel 99/Altium Designer軟件繪制PCB版圖。
摘要
數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制的數(shù)字來顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置，它可以測(cè)量正弦波、方波和三角波。所謂頻率就是在單位時(shí)間（1s）內(nèi)周期信號(hào)的變化次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為f=N/T。
數(shù)字頻率計(jì)主要由555單穩(wěn)態(tài)電路（時(shí)基電路）、計(jì)數(shù)器芯片74LS160D （計(jì)數(shù)電路）和譯碼芯片74LS48D和數(shù)碼管（譯碼顯示電路）構(gòu)成。
脈沖形成電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)的頻率fX。，時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則們控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確的等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制當(dāng)秒信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過閘門送到計(jì)數(shù)器譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，技計(jì)數(shù)器得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率fX=·N·Hz。
時(shí)基信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，其高電平持續(xù)時(shí)間為1S。在時(shí)基脈沖的上升沿到來，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)結(jié)果輸送到譯碼器來控制七段顯示器，這樣就可以得到被測(cè)信號(hào)的數(shù)字顯示的頻率。
關(guān)鍵詞：555單穩(wěn)態(tài)電路、計(jì)數(shù)器芯片74LS160D、譯碼芯片74LS48D、數(shù)碼管
目錄
1. 概述
在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量就顯得更為重要。測(cè)量頻率的方法有多種，其中數(shù)字計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。其原理為通過測(cè)量一定閘門時(shí)間內(nèi)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)。本文闡述了設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字頻率計(jì)的過程。頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時(shí)間越長(zhǎng)則沒測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。本文。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號(hào)。電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見到處理離散信息的數(shù)字電路。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎梢詫?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。數(shù)字集成電路廣泛用于計(jì)算機(jī)、控制與測(cè)量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。一般說來，數(shù)字系統(tǒng)中運(yùn)行的電信號(hào)，其大小往往并不改變，但在實(shí)踐分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個(gè)特點(diǎn)。數(shù)字集成電路作為電子技術(shù)最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，已廣泛地深入到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。
2. 設(shè)計(jì)目的
了解數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率與測(cè)量周期的基本原理;
熟練掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法及減小測(cè)量誤差的方法。
本設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目可以進(jìn)一步加深我們對(duì)數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試的方法和步驟。
針對(duì)電子線路課程要求，對(duì)我們進(jìn)行實(shí)用型電子線路設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)的綜合性訓(xùn)練，培養(yǎng)我們運(yùn)用課程中所學(xué)的理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，獨(dú)立地解決實(shí)際問題的能力。
3. 電路設(shè)計(jì)
3.1 時(shí)基電路
時(shí)基電路的功能是產(chǎn)生一個(gè)高電平持續(xù)時(shí)間為1S的信號(hào)送到計(jì)數(shù)電路以及一個(gè)周期為1S的信號(hào)送到邏輯控制電路。它由555單穩(wěn)態(tài)電路組成。555芯片內(nèi)部的三個(gè)5K電阻將5V直流電源電壓，其中2/3(約3.3V)供給比較器CMP1的同相端，1/3(約1.6V)供給比較器CMP2的反相端。比較器CMP1的反相端經(jīng)過電容C1接地，在電路剛剛上電時(shí)，由于電容C1兩
端的電壓不能突變，反相端的電壓比同相端低，因此比較器CMP1輸出高電平H(由于RS觸發(fā)器是數(shù)字邏輯，因此后級(jí)電路按高電平H與低電平L來區(qū)別)。而對(duì)于比較器CMP2，同相端默認(rèn)電平是高電平(負(fù)脈沖觸發(fā))，比反相端電壓1.6V高，因此，比較器CMP2輸出也為高電平H。
由于R=H，S=H,RS觸發(fā)器處于狀態(tài)保持，我們假設(shè)555定時(shí)芯片處于復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)觸發(fā)器輸出為高電平H(也可以是低電平，最后的結(jié)果是一樣的)，經(jīng)過一個(gè)反相器NOT后，則電路輸出為低電平L。
在單穩(wěn)態(tài)工作模式下，555定時(shí)器作為單次觸發(fā)脈沖發(fā)生器工作。當(dāng)觸發(fā)輸入電壓降至VCC的1/3時(shí)開始輸出脈沖。輸出的脈寬取決于由定時(shí)電阻與電容組成的RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)。當(dāng)電容電壓升至VCC的2/3時(shí)輸出脈沖停止。根據(jù)實(shí)際需要可通過改變RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)來調(diào)節(jié)脈寬。
出脈寬t，即電容電壓充至VCC的2/3所需要的時(shí)間由下式給出:
t= RC 1n(3) ≈1.1RC
圖1 時(shí)基電路圖
3.2 分頻器
分頻器采用4011BD 5V芯片，該芯片包含四個(gè)2輸入的NAND門，可以配置為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。通過適當(dāng)?shù)倪B接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的分頻。
圖2 分頻器電路圖
3.3 計(jì)數(shù)器
芯片74ls160是十進(jìn)制計(jì)，也就是說只能記住十個(gè)數(shù)字。74LS160是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)設(shè)的同步加法計(jì)數(shù)器，該同步可預(yù)設(shè)的十進(jìn)計(jì)數(shù)器由四個(gè)d型觸發(fā)器和幾個(gè)門電路構(gòu)成，內(nèi)部有先進(jìn)位置，具有計(jì)數(shù)、設(shè)置數(shù)、禁止、直接(異步)清零等功能。
計(jì)數(shù)器的功能是對(duì)閘門送來的被測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù)。根據(jù)精度要求，采用4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，構(gòu)成N=10000進(jìn)制計(jì)數(shù)器。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仍采用74LS160實(shí)現(xiàn)。閘門電路的輸出送到每個(gè)74LS160的CP端，計(jì)數(shù)器在后輸出信號(hào)的控制下對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行脈沖送數(shù)。
圖3 計(jì)數(shù)電路圖
3.4 譯碼顯示電路
顯示驅(qū)動(dòng)器采用74LS48D芯片，這是一個(gè)BCD到七段顯示譯碼器。它將計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制輸出轉(zhuǎn)換為七段顯示器所需的信號(hào)。
圖4 顯示驅(qū)動(dòng)器電路圖
3.5 時(shí)鐘信號(hào)源
時(shí)鐘信號(hào)源由功能發(fā)生器（XFG1）提供，可以設(shè)置不同的頻率、占空比和幅度，以適應(yīng)不同的測(cè)量需求。
圖5 時(shí)鐘電路圖
4. 實(shí)驗(yàn)原理圖
按照原理圖搭建電路，確保所有元件正確連接。
圖7 總體電路圖
5.嘉立創(chuàng)EDA系統(tǒng)原理
嘉立創(chuàng)原理圖的設(shè)計(jì)過程包括：
1.添加元件：從嘉立創(chuàng)EDA的元件庫(kù)中搜索并選取所需的元器件，將其放置到原理圖繪制區(qū)域。
2.連接線路：根據(jù)電路原理，使用導(dǎo)線將各個(gè)元器件的引腳連接起來，完成電氣連接。
3.檢查與調(diào)整：進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，確保原理圖符合電氣規(guī)則和設(shè)計(jì)要求。
圖8 電路原理圖
6．PCB板設(shè)計(jì)圖
PCB板的設(shè)計(jì)過程包括：
1.布線：根據(jù)信號(hào)流向和電氣規(guī)則進(jìn)行布線，盡量減少信號(hào)線的長(zhǎng)度和交叉，電源線和地線應(yīng)盡量短而粗。
2.添加淚滴：在導(dǎo)線與焊盤或?qū)Э椎倪B接處添加淚滴，增強(qiáng)連接的可靠性。
3. PCB布局：將元器件按照功能分區(qū)放置，優(yōu)先考慮主控芯片、大器件及供電接口，同時(shí)注意濾波電容靠近主控芯片擺放。布局時(shí)，應(yīng)保證同一功能的電路盡量靠近，以簡(jiǎn)化連線。
4鋪銅：對(duì)PCB的頂層和底層進(jìn)行鋪銅處理，以增加散熱性能和抗干擾能力，但需注意避免在電感等特殊元件下鋪銅。
5.檢查與優(yōu)化：進(jìn)行DRC檢查，確保PCB設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)規(guī)則，沒有短路、開路、間距違規(guī)等問題。根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行修改和優(yōu)化。
圖9 PCB板圖
7.結(jié)論
這次設(shè)計(jì)中，我鍛煉了自己的自學(xué)能力和解決問題的能力。在這個(gè)過程中遇到了很多問題，比如如何畫圖，如何組織那種專業(yè)語(yǔ)言，上網(wǎng)、到圖書館查找相關(guān)的資料。雖然很費(fèi)勁，但是其樂無窮。通過此次的設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)到這個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)要求非常高，我相信在今后的學(xué)習(xí)和工作中它也占據(jù)著非常重要的地位。課堂中的學(xué)習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們還需要自己吸收和再學(xué)習(xí)，不斷的探索和研究。這樣在以后的學(xué)習(xí)工作中才能節(jié)節(jié)進(jìn)步，不斷創(chuàng)新。不但如此，我想要完成一個(gè)任務(wù)，不能只局限于自己所學(xué)的知識(shí)中，要各個(gè)方面都有涉獵，提高自己的綜合能力，這樣才能取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。
最后，通過此次的設(shè)計(jì)，我還領(lǐng)略到了團(tuán)隊(duì)精神的可貴。我覺得我的的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的不扎實(shí)，在設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)遇到各種問題。這時(shí)我就會(huì)向同組同學(xué)請(qǐng)教，共同完成這個(gè)設(shè)計(jì)。盡管如此，設(shè)計(jì)中仍會(huì)有我們未發(fā)現(xiàn)的問題，感謝老師的悉心指正。
對(duì)我而言，知識(shí)上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。這次設(shè)計(jì)將成為我學(xué)習(xí)旅途中一個(gè)美好的回憶!
參考文獻(xiàn)
[1] 康華光，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第7版）, 高等教育出版社,2021
[2] 劉暢生等.集成電路應(yīng)用手冊(cè),西安電子科技大學(xué)出版社,2003
[3] 康華光，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第7版）, 高等教育出版社,2021
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