基于Multisim数字频率计电路设计Word文档下载推荐.docx
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2016年12月24日
一、概述
1.数字逻辑电路数字频率计是采用数字电路制作成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。
频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。
其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。
2.数字频率计要求：
可以测量正弦波、三角波、方波、周期性异型波，用数码管显示被测量波的频率，可以根据被测信号幅值设定参考电压。
每1秒更新一次显示。
可以连续测量，暂停、复位，可以设定频率上下限报警。
测量范围0~9999Hz。
3.利用这学期所学的电路设计，将LC震荡波形发生器，555施密特方波整形，秒脉冲发生电路及数字逻辑电路知识，组合设计数字频率计。
二、电路设计原理与单元模块
1.整体设计框图
图1波形产生部分
图2.频率计部分
波形产生部分：
利用LC震荡波形，经过555施密特方波整形，变成方形波。
频路计数部分：
由四个74LS192（十进制计数器）实现对波形频率计数功能，在秒脉冲的控制下，打到锁存器74LS273,并且每秒更新频率值，同时完成对计数器的清零，另设清零单元和限制报警电路，在传递函数最小值0.001s对计数器，锁存器进行清零，与非控制蜂鸣器，实现限制报警功能。
2.LC震荡电路
1）LC振荡电路由放大器、反馈网络和选频网络组成的振荡电路可以产生高频振荡（几百千赫以上）
图3.LC原理图
2）电容三点式振荡单元和选频网络
选频网络由电感L和电容C1、C2组成谐振回路，谐振回路的三个端点分别接晶体管集电极，发射极，基极，将电容C2两端电压作为反馈信号。
设C1、C2串联的等效电容为C,即
但调节f0要同时调节C1、C2，并要保持C1、C2的比值不变，很不方便，因此该电路常作为固定频率输出，C2根据自身参数，在复杂的频谱中选取与自身谐振频率相同的频率将其反馈，而其他频率成分因不满足振荡条件被衰减，故振荡电路就产生了单一频率的正弦波。
3）放大电路
放大单元由2NSC945，三极管构成放大电路，在振荡开始时，由于激励信号较弱，输出电压的振幅Uo则比较小，此后经过不断放大与反馈循环，输出幅度U0开始逐渐增大，为了维持这一过程使输出振幅不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，即：
T（jw）>
1，将反馈信号放大，反馈网络起正反馈，将信号反馈到放大单元输入，进一步放大，所以此信号得以不断放大最终由输出端输出。
4）整体电路图
图4.LC震荡电路图
图5.波形图
3.555施密特方波整形
1）555定时器构成施密特触发器的电路图如图4-13所示,施密特触发器属于波形变换电路，该电路可以将正弦波、三角波、锯齿波变为脉冲信号。
图6.555施密特电路组成图7.555施密特集成图
2）工作原理
（1）Vi=0V时
由于VTH=VTR；
Vi=0V,显然，比较器C1输出为1，比较器C2输出为0,基本RS触发器工作状态为1，即Q=1,Uo1=Uo2=UOH。
Vi升高，在未到2VCC/3之前，状态不变。
（2）Vi上升到2VCC/3时
比较器C1输出为0，比较器C2输出为1,基本RS触发器被触发翻转到0，即Q=0,Uo1=Uo2=UOL。
Vi下降，在未到VCC/3之前，状态不变。
（3）Vi下降到到VCC/3时
比较器C1输出为1，比较器C2输出为0,基本RS触发器被触发翻转1，即Q=1,Uo1=Uo2=UOH。
Vi下降到0之前，状态不变。
图8.施密特工作波形
3）静态参数
（1）接通电平V+
把Vi上升过程中，使施密特触发器状态翻转，输出电压VO由高电平UOH跳变到低电平UOL时，所对应的输入电压的值叫做接通电平。
在图6中，V+=2VCC/3。
（2）断开电平V-
把Vi下降过程中，使施密特触发器状态更新，输出电压VO由低电平UOL跳变到高电平UOH时，所对应的输入电压的值叫做断开电平。
在图6中，V-=VCC/3。
（3）回差电压ΔV
回差电压又叫滞回电压，定义为
ΔV=V+-V-在图6中
ΔV=V+-V-=2VCC/3-VCC/3=VCC/3
4）整体电路
图8.整流部分电路图
图9.整流工作电路图
（说明：
LC发生波形失真）
4.电压跟随器
1）电压跟随器是实现输出电压跟随输入电压的变化的一类电子元件，电压跟随器在电路中用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。
基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。
电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，图10有运算放大器和将输出完全反馈到输入的一根导线所组成，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；
当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。
一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，使前、后级电路之间互不影响。
3）整体电路
图10.电压跟随器电路图
5.74LS192计数器
1）74LS192是可预置同步的十进制同步加/减计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。
表1.74LS192真值表
2）引脚功能
◆UP为加计数时钟输入端，
◆DOWN为减计数时钟输入端。
◆LOAD为预置输入控制端，异步预置。
◆CLR为复位输入端，高电平有效，异步清除。
◆CO为进位输出：
1001状态后负脉冲输出，
◆BO为借位输出：
0000状态后负脉冲输出。
◆A-D是初始置数端：
在LOAD为高电平时QA-QD输出端则输出为初始置数，在LOAD为高电平时，QA-QD是输出端输出为计数结果。
图11.74LS192引脚图
3）功能实现说明：
用四个74LS192串联实现对频率0-9999的加法计数，输出接到四个七段显示译码器（红色），进行直观的显示，为了便于计数器的调试波形的发生用函数发生计。
图12.频率计数显示
三、数字电路的仿真与调试
四、总结
最终实验结果要求抓图。
结果可以是仿真时序波形图
图13.计数部分电路
6.锁存器及复位、清零
1）锁存器
74ls273:
是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。
◆CLR复位端：
低电平有效,当是低电平时,输出脚Q1-Q8全部输出0,即全部复位;
◆CLK触发端:
当CLR脚为高电平时,CLK是上升沿触发锁存,当有一个上升沿,立即锁存输入脚D1-D8的电平状态,并且立即呈现在在输出脚Q1-Q8上。
图14.74LS273引脚图
同样，用输出接到四个七段显示译码器（绿色），进行直观的每秒频率显示。
图15.每秒频率显示
2）复位控制
由要求可知要求每秒一更新数字频率计的频率，用脉冲时钟源（1HZ）统一控制锁存器和计数器清零端实现
图16.脉冲时钟源
3）窄脉冲产生器（逻辑电路中门的延迟产生的竞争和冒险）
图17.窄脉冲电路
4）清零控制
清零实现原理与复位实现原理相同，不同的是清零频率更高，间隔时间设为传递函数0.001秒，都是在计数器和锁存器清零端加单刀双刃开关，一个接清零，一个接复位
图18.控制电路
5）该部分整体电路
五、参考文献
图19.锁存、清零、复位电路图
7.频率限制
设定1000（或者其他值）为报警限制，用三输入与门与蜂鸣器组合逻辑实现，注意蜂鸣器的电压要比电源电压低而且频率不能超过100k也不能太小。
图20.1上限报警电路
1.整体电路
图21.整体电路图
2.LC振荡
由
C1=C2=1nF=10^-9F
L=18mH=10^-3H
f0=
图22.fo计算理论值
图23.fo实验实际值
三点式LC振荡电路的振荡频率严格来说不仅与L、C有关，还与晶体管参数有关）
3.555施密特触发器
图24.波形调试相关实验值
（说明“XFC1”是LC振荡频率计，“XFC2”是555整流频率计，绿色正弦波是LC振荡产生，红色方波是555整流后）
4.计数器与锁存器
为了方便调试将J1、J2开关置上，接入函数发生器，实现每秒计数、更新频率的功能，同时，将时钟脉冲源频率设为10HZ,即0.1秒更新，清零的函数发生器频率固定位1000HZ,即使0.001s清零,代替波形发生的函数发生器测试频率为1000HZ,即0.01秒100HZ。
图25.计数锁存调试相关实验值
为了方便调试将J1开关置上，接入函数发生器，J1开关置下，实现同时复位计数器和锁存器的功能，其他参数不变。
图26.计数锁存复位相关实验值
6.警报器
为了方便观察和调试，将频率限制电路改为一输入控制，限制值设为100HZ,设立橙色灯和蜂鸣器进行警报提示
图27.上限警报器工作
通过这一学期的数字电路设计的学习，我感到了数字逻辑的魅力，通过亲自动手设计调试修改，使我进一步熟悉掌握了数字逻辑的基础知识和，为我今后的学习奠定了良好的实验基础和实验态度。
首先，在对上学期以及这学期所学的理论课而言，这学期大量的实验、作业、实践给了我一个很好的把理论应用到实践的平台和机会，让我们能够很好的把书本知识转化到实际能力，提高了对于理论知识的理解，认识和掌握，同时提高了我对Multisim这个仿真平台的熟练操作。
其次，这学期的课程设计很好的解决了我们实践能力不足且得不到很好锻炼机会的不足，通过这学期的锻炼，提高了自身的实践能力和思考能力，并且能够通过实验很好解决自己对于理论的学习中存在的一些知识盲点。
回顾这学期的每次课上课下设计电路调试电路的过程，收获还是很多的。
最直接的收获是提高了实验中的基本操作能力，并对Multisim仿真有了了解，并掌握了基本的操作。
但我感到更重要的收获是培养了自己对电路设计的认识和体会，促进自己不断的思考，不断找资料修改电路，不断地翻书查找问题的原因，不断找同学交流共同提高。
在这个过程中，我就是切身的体验到了严谨的实验态度和学习态度是十分重要，会直接决定你完成电路的质量和准确，也反映出一个人做事的态度与责任。
在最后的综合设计中，我遇到了很多困难，有的通过查找网页资料解决了，有的通过与别人的交流也得到了解决，当用了很多时间和精力去自己去琢磨，去试验，却没有什么进展的时候，真的会觉得很沮丧，想放弃，但走过来的时候回想，看着自己或许不完美的电路图和综合报告，心里有一股深深的自豪与开心，感谢这一路的经历与成长。
[1]Multisim的用户手册.
[2]毛法尧数字逻辑（第二版）2000年6月
[3]叶挺秀、张伯尧电工电子学（第二版）1999年9月
[4]高燕梅、付文秀电容三点式振荡电路的研究与SPICE仿真.吉林大学学报（信息科学版）2002-06-30
[5]周敏基于Multisim的高精度数字频率计的设计和仿真.机电产品开发与创新2011-11-28
[6]董玉冰基于Multisim9.0简易数字频率计的设计与仿真.长春大学学报2009-06-30
[7]multisim10中蜂鸣器参数怎么设置才会响
[8]电压跟随器的原理及电路
[9]基于Multisim9.0简易数字频率计的设计与仿真
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