1、电子技术课程设计-浮点频率计设计摘要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多其他参数的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得由为重要。本文利用数字电子技术信号处理方法，设计了测量达 1MHz，精度较高的浮点频率计，并将结果通过 7 段数码管显示。本文利用计数器和触发器的原理，设计了秒脉冲电路、节拍控制电路和显示电路。待测信号通过控制门，可以实现 1s 测量、3s 显示的时序，并经过分频与计数，送给数码管显示。系统设计采用 Multisim 软件仿真和硬件调试相结合的方式，最终实现了浮点频率计的设计。该系统工作稳定，性能达到了预期指标，具有一定的可行性。关键词：频率；
2、Multisim；分频器1.引言频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。频率计主要由四个部分构成：时基电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。其原理框图见图 1图 1 数字频率计的原理框图而浮点频率计与普通数字频率计的区别在于，浮点频率计计数器的小数点位置是不固定的。这样，可以利用较少的显示器位数，测量较大的频率。1.1 技术指标1) 设计一个浮点式数字频率计；2) 要求测量频率最高可达 1MHz;3) 测量结果以三位数码管显示，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的连续测量和显示；5) 在连续测量工作状态要
3、求每次测量 1s，显示 3s，且连续进行直至按动停止按钮。1.2 任务分析根据上述技术指标进行分析，该课题所要求的频率计被测信号频率较高，且小数点位置不固定。且本系统只需要保留两位有效数字，后面各位的数字一概不予保留。因此，测量结果的显示仅需 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，即可将结果表示为 ，其中 m为两位十进制数，N 为一位十进制数。根据系统性能指标要求，最高测量频率为 1MHz，该显示范围完全够用。 2.系统设计2.1 系统框图如图 2 所示，为控制系统框图。主要分为时基部分、信号输入部分和显示部分。图 2 系统框图首先，由石英晶体振荡器产
4、生 100kHz 的脉冲信号，经过 5 级十分频电路后，获得了 1Hz 的标准秒脉冲信号。该信号作为基准测量信号，送入到控制器中，通过时序处理，并通过控制门，产生显示部分的时钟信号，以实现每次测量 1s，显示 3s 的要求。被测信号在时钟信号的控制下，通过控制门，进入分频器，产生 、 、 、 五路信号送入多路选择器。多路选择器的使能端由 N 计数器产生，而其输出信号送入 m 计数器。m 计数器应由 99 变为 10，即高位由 9 变为 1，而低位和 N 计数器均可采用一般的 BCD 计数器。本设计采用单电源+5V 供电，电源电路部分未在系统框图中出现。2.2 单元电路该系统除电源外，各部分电路
5、按功能分为秒脉冲电路、节拍控制电路与显示电路。其中显示电路中还包括分频器电路。2.2.1 秒脉冲电路如图 3 所示，为秒脉冲电路原理图。振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号图 3 秒脉冲电路原理图也可由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器作为时间标准信号源，如图3-1 所示。图 3-1：555 与 RC 组成的多谐振荡器2.2.2 节拍控制电路如图 4 所示，为节拍控制电路原理图。图 4 节拍控制电路原理图节拍控
6、制电路主要有以下四个功能：第一、产生周期为 4s，占空比为 25%的控制信号 Q；第二、使系统受到启动信号和停止信号的控制；第三、实现上电复位；第四、产生系统的清零信号。为了实现以上功能，首先需要利用 JK触发器对输入的 1Hz 脉冲信号分频。但是分频后的信号还需要受到启动信号的控制，也就是说，只有启动后才允许标准测量信号输出去选通控制门。为此，设计了启停控制电路，使系统在接通电源或者按动 S1 时，工作状态触发器被清零，系统处于停止状态。而当按动 S2 时，工作状态触发器被置 1，系统处于测量工作状态。另外，为了实现 1s 测量、3s 显示的要求，还应设计一个三节拍发生器。这个三节拍发生器产
7、生三个节拍信号，分别用来封锁基准测量信号；清除测量结果以及接触信号封锁。其中，节拍 1 由 NE555 定时器构成的单稳态触发器产生，节拍 2 和节拍 3 是由与非门构成的典型单稳态触发器输出。其控制时序如图 5所示。图 5 节拍发生器的控制时序2.2.3 显示电路如图 6 所示，为显示电路原理图。图 6 显示电路原理图该部分电路主要包含以下部分：分频器、多路选择器、m 计数器和 N 计数器。根据系统要求，待测信号需要经过 4 级 10 分频电路产生 、 、 、 五路信号送入多路选择器，在此采用 74LS290 实现十分频。多路选择器则由 74LS1153 双四选一和或门 74LS32 组成八
8、选一电路。根据本系统要求，仅需要五路信号，所以多出的三路不用。多路选择器的使能端由 N 计数器的第三位控制，而其输出信号送入 m 计数器。根据系统设计要求，m 计数器应由 99 变为 10，即高位由 9 变为 1，而低位和 N 计数器均可采用一般的 BCD 计数器。其中 BCD 计数器仍由 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。当74LS160 计数到 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，
9、从而实现高位片由 9 变 1 的要求。3.系统仿真与测试3.1 系统仿真为了确保上述设计电路的正确性，利用 Multisim 12 软件对该系统电路进行了仿真。仿真主要包括两个部分。首先，对节拍发生器电路进行仿真，利用虚拟示波器检查各处波形是否正确。为了加快仿真速度，将原理图中 1Hz 的秒脉冲信号改为 10Hz 信号。各处仿真波形如图 7 所示。图中，从上至下分别为 Q 信号、节拍 1 信号、节拍 2 信号和节拍 3 信号的波形。从仿真结果上看，节拍发生器的设计是正确的。图 7 节拍发生器控制时序仿真波形图随后，即为系统整体仿真。在 Multisim 中将节拍控制电路与显示电路分别连接，并将
10、被测信号设为 100Hz，可以看到仿真结果如图 8 所示。可见，仿真结果是正确的，验证了系统方案的设计是可行的。图 8 系统整体仿真结果3.2 系统搭建与测试在完成系统仿真后，根据系统原理图，在面包板上搭建了该浮点频率计系统.在完成系统搭建后，对系统进行了指标测试。具体结果见表 1。表 1 指标测试结果被测信号频率 测量值 误差10Hz 11Hz 10%100Hz 110Hz 10%1kHz 1kHz 0%50kHz 50kHz 0%200kHz 200kHz 0%1MHz 1MHz 0%从上述测试结果可以看出，系统满足技术指标中测量范围的要求。同时，在 1kHz 以上的频率段，误差基本为 0。当频率较小时，由于脉冲数较少，一旦发生漏脉冲或外界有一些干扰，就会导致计数的误差。故，在低频段有一定误差，但也在可接受范围内。4.总结收获此次设计了一种测量范围可达 51MHz，精度较高的浮点频率计。根据系统的需要，设计了秒脉冲电路、节拍控制电路和显示电路等。系统实现过程中，
