浮点频率计(6) - 图文

一任务书

1 题目：浮点频率计 2技术指标：

（1） 设计一个浮点式频率计

（2） 要求测量频率最高可达1MHz

（3） 测量结果以三维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

二设计过程

1课题分析

数字频率计通常有石英晶体振荡器，分频器，计数器一级测量与显示控制器等组成。原理如图所示，其中晶振，分频器和控制器主要作用是产生时间基准信号，用来控制被测信号的输入计数，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，频率计的精度主要取决于基准测量信号本身的精度。对于浮点频率计，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，后边各位的数字一概不予保留，而只反映出后边还有多少位就可以了。

2方案论证

根据以上分析，本系统方案如图所示。

其基本原理如下所述

（1） 石英晶体振荡器，分频器，控制器。该部分电路主要用来产生基准测量信

号，脉冲宽度根据系统测量频率的范围及精度要求来确定。在本设计中，采用1s。

此外控制电路要求有启动和停止的功能，这可以通过启停两个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

（2） m计数器与N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，系统进人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，被测量信号进人\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人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，\计数器的输人应从被测信号经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，\计数器的输人分别为被测信

号了及其分频信号f/10、f/10^2、f/10^3、f/10^4，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种输人信号进行选择，把所需信号送人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f信号；当N=1时，送人f/10；当N=2时，送入f/10^2；当N=3时，送人f/10^3；当N=4时，送人f/10^4可见多路选择器应为五选一电路。 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，

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，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Is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输人端，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平期间将封锁控制门1s），显示时间不可调，达QT不到显示3s的要求；其二是再次测量时（下一个正脉冲期间），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

（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9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m计数器的高位选用一片具有同步预置功能的74LS160来完 成。总逻辑电路图见图10·23所示。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 行置人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/10^2、f/10^3、f/10^4五路信号送多路选择器，在此仍采用74LS290实现十分频。但要注意该分频器Il必须受系统清零信号控制，以便获得准确的分频器全0初始状态，从而避免由于初始状态不同而造成的测频误差。分频器输人控制c门的作用是这样的，它受标准测量信号QT控制，因此只有在测量期间c门才接通，此外均关闭。所以

它一方面起到计数控制门的作用，另一方面又保证在系统清零信号解除后而测量信号到来前，分频器Il的初始全0状态保持不变。这就是c门为什么必须放在分频器Il之前，而不能直接放在m计数器Il之前的道理。多路选择器由74LS153双四选一和或门74LS32组成八选一电路。本系统仅选五路信号，所以多出的三路不用。选通由N计数器的低3位QC、QB、QA来控制 （4） 显示电路。N计数器的输出经三片74L7BCD到七段显示译码器/驱动器直

接驱动3位D数码管完成测量结果的显示。

三 EDA仿真

为了验证以上方案的正确性，在安装与调试之前首先对节拍器进行仿真。

图中红色为触发器QT输出，绿色为555定时器输出，QT输出差不多是一秒高电平3秒低电平，符合要求 整体仿真图

仿真结果

测量1s，显示3s，符合要求

四安装与调试

在连接线路上我和同组同学一人负责一部分，我负责连接节拍控制电路，他负责连接另一部分电路，连接好后的电路如下图

按照仿真电路图连好线路后，开始对实际线路进行检查，然后我发现我连接的节拍控制电路输出不对，在按下开关后，QT和555定时器都没有输出，再检查开关没按下时的状态，发现一个问题，

在实际连线中，这个非门输出为低电平，用万用表测得是0.2V，但是经过一个电阻之后电压变成1.24V，这个电压送给了一个与非门，与非门判定这个电压为高电平，这与我们仿真结果不同，仿真时这个点的电压是0，应该是低电平，，这个点错了的话后边很多高低电平也就都相反了。 经过讨论，我们认为是实际电路中这部分线路中是存在一个很小的电流，经过一个比较大的电阻后，电压就升了上去，于是我们不断改小这个电阻值，最终发现改到200欧姆时，可以正常输出，于是我们将这个电阻改为200欧姆，后边有一个相同的电路，也将电阻改成200欧姆。最终节拍控制电路QT输出如图,高低电平三比一，符合要求。

再之后我们将两部分电路连接起来，发现还是有一些错误，就是在清零时候，LED显示屏仍然显示100Hz的结果，导致在被测信号频率大于300Hz时，测量结果比被测信号高100Hz，低于300Hz时也要高一些，但数值小于100。经过我们检查，我们发现分频器，多路选择器，计数器这三个部分并没有接错，在给一些指定信号后输出也是正确的，然后我们又整体上检查了一下，发现被测信号输入接错了，将其改正后，电路正常工作，能够测量信号频率，有时会有一些误差，但是很小，符合题目要求。 实验结果

误差分析

在试验中基准测量信号我们是采用晶振电路产生的，这个1s测量信号并不是精准的1s，导致了一定的误差。

由于作为开门信号的基准测量信号和被测信号不同步，所以这种测量方法存在着±1个计数脉冲的误差

五总结与体会

在这次课程设计中，我学会了很多知识。浮点频率计的设计应用了很多数电的知识，为此，我将数电的很多知识又复习了一遍，将理论知识应用到了实践当中，掌握了电路设计的基本方法，尤其在电路搭建好后，很多时候会存在一些问题，可能是一些连线的错误，也可能是实际电路与仿真电路存在的不同，这些问题都要我们在调试电路中去找出来，这次设计提高了我调试电路的能力和实际动手能力，同时也提高了我团队合作精神，我和我的室友组成了一组，在整个设计过程

中遇到过很多问题，有时候一个人解决不了的问题，两个人互相讨论一下就讨论出结果。这次课程设计，让我收获良多。

六参考文献

1李庆常 王美玲. 数字电子技术基础.[M]北京: 机械工业出版社, 2008.1.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5ypx.html