数电课程设计报告-数字频率计

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1、-数电课程设计报告：频率计目录一、设计指标二、系统概述1.设计思想2.可行性论证3.工作过程三、单元电路设计与分析1.器件选择2.设计及工作原理分析四、 电路的组构与调试1.遇到的问题2.现象记录及原因分析3.解决与结果4.功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据五、 总结1.体会2.电路总图六、参考文献一、设计指标设计指标：要求设计一个测量TTL方波信号频率的数字系统。测试值采用4个LED七段数码管显示，并以发光二极管只是测量对象（频率）的单位：Hz、kHz。频率的测量*围有四档量程。1） 测量结果显示四位有效数字，测量精度为万分之一。2） 频率测量*围：100.1Hz999.9kHz，分为：

2、第一档： 100.0Hz999.9Hz第二档： 1.000kHz9.999kHz第三档： 10.00kHz99.99kHz第四档： 100.0kHz999.9kHz3） 量程切换可以采用两个按键SWB、SWA手动切换。扩展要求：一、 当被测频率大于999.9kHz，超出最大值时，设置亮一个警灯，并同时发出报警声音。二、 自动切换量程提示：1. 计数器计到9999时，产生溢出信号CO，启动量程加档。2. 显示不足4位有效数字时量程减档。三、各量程输出信号的频率最高位有效数字为1、2、3、4、5、6、7、8、9。二、系统概述1.设计思想周期性信号频率可通过记录信号在1s内的周期数来确定其频率。累计

3、标准时间Ts中被测信号的脉冲个数N*，被测信号频率：f*N*/Ts测量时间Ts选择：由于测量时间Ts需要根据被测信号的频率切换，所以通常对振荡时钟进行分频以获得不同的定时时间。采样定时、显示锁存、计数器清零的控制时序波形图2.可行性论证用计数器实现记录周期数的功能；用时基信号产生计数时间作为采样时间；用四位动态扫描通过数码管显示结果；因为如果计数器直接把数据输入到数码管显示，则数码管的数据就会不断变化，累计增加的情况，所以采用锁存器，在每个时间信号内，通过一个高电平使能有效，将计数器的数值锁存到寄存器或者锁存器；为了不要让每次锁存的数据会比上次增加一个基数，而计数器的连续计数累积计数，所以要对

4、每次锁存后立即清零，让计数器从零开始计数。3.工作过程晶体振荡器产生10MHz的基准时钟通过10倍率分频器和可控分频器分别产生时基测量时间和调试信号；通过量程控制选择开关选择量程（包括时基时间、小数点位置控制、测量单位控制）和测量选择控制输入调试信号或者是实际待测信号；时基信号脉冲控制数字单稳态触发电路产生清零（CR）和锁存（LD）脉冲信号控制计数器的清零和锁存器的锁存；锁存器将数据通过数码管译码显示，通过控制发光二极管来显示单位Hz和kHz。（L1亮为kHz，不亮为Hz）三、单元电路设计与分析1.器件选择计数器的器件选择：选用四个7490构造四个8421BCD码十进制计数器，将其串行级联构成

5、16位二进制码表示的模值为10000的计数器。锁存器的器件选择：选用两片74377构造16位二进制码的锁存器。分频器的器件选择：10倍率分频器采用7490构成5421BCD码的十进制计数器组成10倍率分频器，再将8个10倍率分频器进行串行级联构成DIV8分频器。4位动态扫描显示电路器件选择：74161、DIV8分频器、74153m、74153（双四选一数据选择器）数字单稳态触发电路器件选择：用两片D触发器构成一个单稳态触发电路，再将两个单稳态触发电路串行级联构成产生锁存（LD）和清零（CR）的单稳触发电路。调试信号功能器件选择：DIV8分频器、74161、MU*41四选一数据选择器选择控制端产

6、生测频时基信号（包括小数点和单位的控制）器件选择：DIV8分频器、两片74139（2-4线译码器）、74153M（四选一数据选择器）、非门和与非门。2.设计及工作原理分析十进制计数器的设计：用一片7490，SET9A、SET9B端接低电平无效，脉冲CP端接CLKA二进制端，二进制输出端口QA接到CLKB五进制输入端，将清零（CR）脉冲信号接到CLRA、CLRB端，将QA、QB、QC、QD做4位输出，读数A3A2A1A0即为8421BCD码十进制的二进制的表示。十进制计数器的设计示意图（单片）总体图仿真波形（单片）向下的箭头是模值10处；斜向下的两个箭头是清零（CR）信号有效时对计数器进行清零操

7、作。此十进制计数器进行串行级联可以构成10的整数倍模值的计数器。要构成模值为10000的计数器，故采用四片十进制计数器串行级联，最大数值为9999。总体仿真波形级联后的模块图：CP接待测脉冲信号，CR接清零脉冲信号，输出结果为D3D2D1D0C3C2C1C0B3B2B1B0A3A2A1A0为16位二进制表示的数值，*围19999，实现了模值为10000的计数器功能。锁存器的设计：两片74377实现16位二进制数的锁存。使能端EN低电平有效，故接地，CLK接锁存信号（LD），数据端口与计数器的输出端口一一对应相接分频器的设计：10倍率分频器采用7490构成5421BCD码的十进制计数器组成10倍

8、率分频器（实际为10进制计数器）将8个10倍率分频器进行串行级联构成DIV8分频器,实现了把10MHz的晶振频率分频为1MHz、100kHz、10kHz、1kHz、100kHz、100Hz、10Hz、1Hz、0.1Hz。Symbol:4位动态扫描显示电路的设计：用两片74153、一片74153M、一片74161、一片Div8、一片7seg其中7seg代码为：四位动态扫描显示电路：采用按钮等选择数据、扫描电路的扫描控制端，在扫描过程中，四个七段共阴极数码管显示数值，当扫描频率达到一定值时，其变化和速度超过人眼的辨别*围，即可以看到数据显示在数码管上了。数字单稳态触发电路的设计：用7474双D触发

9、器构成一个单稳态触发电路，再将两个单稳态触发电路串行级联构成产生锁存（LD）和清零（CR）的单稳触发电路。一个单稳态触发电路：单稳波形：在M端输入脉冲信号，CP端输入脉冲控制信号，通过触发器后，Y端输出的信号为单稳态的暂态，是高电平，其脉冲宽度是CP脉冲宽度的2倍。单稳触发态电路的Y即LD锁存信号作为M脉冲实现总单稳触发电路Symbol：波形LD和CR 信号紧邻，且时间是CP脉宽的2倍，只要CP的频率足够大，则误差就比较小，实际采样时间与理论值相差也小。调试信号功能设计（N分频电路）：DIV8、74161、MU*41四选一数据选择器其中：SWB、SWA为量程选择D、C、B、A为分频置数端Sym

10、bol：10MHz接晶体振荡器，SWA、SWB、D、C、B、A为六个开关控制键。其中，SWA、SWB为量程选择控制键；D、C、B、A为N分频实现控制开关，此设计可以实现16以内的任意分频数。例如，实现8分频，首先81=7，写出7的四位二进制表示为0111，在对其取反为1000，所以将D、C、B、A置为1000即可实现8分频，其中开关闭合为高电平“1”，断开为低电平“0”。FM为分频过后的输出信号。选择控制端产生测频时基信号（包括小数点和单位的控制）设计：DIV8、两片74139M（2-4线译码器）、74153M（四选一数据选择器）、非门和与非门。Symbol：通过开关控制选择时基信号时间10s

11、、1s、0.1s、0.01s作为采样时间，DP1、DP2、DP3控制小数点的位置，通过LED_1、LED_2灯来表示单位Hz、kHZ。量程*围允许误差/Hz 采样时间/s 小数点位置单位100.0Hz999.9kHz 0.1 10 第三位 Hz1.000Hz9.999kHz 1 1 第一位 KHz10.00kHz99.99kHz 10 0.1 第二位 KHz 100.0kHz999.9kHz 100 0.01 第三位 KHz四、电路的组构与调试1.遇到的问题1) 对芯片7490的功能不熟悉，经试验才发现，7490不是采用十进制计数，而采用五进制。2) 4位动态扫描电路的设计时，数码管只有第一个

12、是亮的，换了很多种方法构成计数器，都没有用，后来仔细检查PIN码时，发现Div8的OSC端没有接上PIN码。2. 现象记录及原因分析调试过程中，数码的显示跳动原因分析：可能是所选择的信号频率太低，导致时基信号时间长（即采样时间过长），测量时间长，故显示器上等待时间过长，数码变化慢、稳定得慢。只有一个数码管亮原因分析：可能是PIN码没接好，部分数据选择器不工作了。3.解决与结果针对数字跳动的现象，原因在测试采样时间过小，导致计数时出现数字的跳动，于是用了最大的频率。针对只有一个数码管亮的现象，一次检查了线路和代码，根据现象猜测原因，在查PIN码时找出问题所在。4.功能的测试方法、步骤、设备、记录

13、的数据测试方法：（开关断开为“0”，闭合为“1”）SWBSWA所选调试信号频率111MHz10100kHz0010kHz001kHzSWA、SWB为调试信号的选频控制开关：开关SWC控制调试信号与测量信号的输入选择：SWC=“0”，输入调试信号，进行功能的调试；SWC=“1”，输入测试信号，进行信号频率的测定。D、C、B、A为调试信号的16以内的N分频置数器：D、C、B、A功能表：DCBA分频数000016000115001014001113010012010111011010011191000810017101061011511004110131110211111测试步骤：第一：先接通各个相

14、应的控制开关以及晶体振荡器第二：通过SWC开关选择调试或者测量功能第三：通过DCBA四个开关来控制分频数第四：接通信号源即可从数码管上读出所测信号的频率第五：就录数据，分析。所需设备：LP2900（EP1C3T144C8型FPGA）、函数信号发生器（产生测试信号）、Quartus软件。记录的数据：测频时用1kHz分频（SWB、SWA=00），预置数DCBA10001011分频数85理论频率125.0Hz200.0Hz实测频率125.0Hz200.0Hz测频时用10kHz分频（SWB、SWA=01）预置数DCBA10001011分频数85理论频率1.250kHz2.000kHz实测频率1.251

15、kHz2.000kHz测频时用100kHz分频（SWB、SWA=10）预置数DCBA10001011分频数85理论频率12.50kHz20.00kHz实测频率12.51kHz20.03kHz测频时用1MHz分频（SWB、SWA=11）预置数DCBA10001011分频数85理论频率125.0kHz200.0kHz实测频率125.3kHz200.2kHz五、总结1.体会通过这次实验，认识了解了LP2900（EP1C3T144C8型FPGA），并学习使用了quartusII软件。在老师的详细的ppt指导下，一步步地设计操作中，对课堂上学习到的芯片有了更深刻的体会，更能把握住他们的功能，尤其是在检查错误的时候。在课设过程中，我发现对芯片的记忆是很关键的，一旦弄混它们的功能以及使能端的有效电平，就会在错误的道路上越走越远。总的来说，这次因为模电检查电路花费了很久的时间，所以做数电的时间相对还是赶了些，但是还是如期如愿地按着计划进行了，在弄成功的时候，发自内心有一种成就感。2.电路总图其中计数器和寄存器构成的译码显示图为：Symbol：六、参考文献：1赵曙光.可编程器件技术原理与开发应用.*：*电子科技大学，20112 赵曙光，*玉英，*葛瑾.数字电路及系统设计.：高等教育，20113*葛瑾.基于FPGA的数字电路系统设计.*：*电子科技大学，2008. z.