《电子仿真技术》

实训报告

题目 简易数字频率计的设计、仿真

所在学院 电子信息工程学院 专业班级 *** 学生姓名 *** 学号 *** 指导教师 *** 完成日期 * 年 * 月 * 日

一．设计思路

（1）电路简述

所谓频率，就是周期性信号在单位时间 (1s) 内变化的次数．若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 fx=N/T 。因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。可见数字频率计主要由闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，数值保持及自动清零，并将计数结果在显示器上显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ，其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N/THz。可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键。

（2）任务目标

利用multisim9.0软件设计一个简易数字频率计，其基本要求是：

1. 被测信号的频率范围1KHZ～100MHZ（理想频率范围）；

2. 被测信号可以为正弦波、三角波或方波信号；

3. 四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位 。

二、设计电路原理框图

设计方案框图如图所示：

如图所示此频率计的主体电路由时基电路、整形电路、锁存器电路和计数显示电路组成。 它的工作过程是由时基电路产生一标准时间信号控制阀门，调节时基电路中的电阻可产生需要的标准时间信号。信号输入整形电路中，经过整形，输出一方波，通过阀门后，计时器对其计数。当计数完毕，时基电路输出一个上升沿，使锁存器打开，计数器计数结果输入译码器，从而让显示器显示。

三． 单元电路设计与分析

1. 时基电路模块的设计

时基信号控制计数器计数的标准时间信号，其精度在很大程度上决定了频率计的频率测量精度。要求较高时，一般使用晶体振荡器通过分频获得。在本设计中依然使用了555定时器构成了单稳态触发器，输入单脉冲，输出一标准时间信号，从而在时间上控制计数器计数的时间。 在此频率计中，时钟信号采用由555构成的单稳态触发器。由一个按钮开关来产生脉冲源，其原理为悬空为高电平，按下开关产生低电平，松开又为高电平，从而产生一单脉冲。

2. 逻辑控制电路的设计

控制电路是数字频率计正常工作的中枢部分。在这一部分的设计构思过程中，认真对各种频率信号的组合及搭配进行分析，可以分别得到用采控制计数译码的锁存信号和清零信号。

控制电路的时序电路如图所示：

X1gatehold

X2

图：子电路

控制部分的工作原理：当清零信号由0变为1时，此时计数器的清零工作已经完成。闸门开始打开，当闸门打开时，即闸门信号为高电平时，计数器开始计数我们所设计的闸门的高电平时间为1S，在此时

间内计数器计数被测信号的变化次数，所得结果便是被测信号的频率。

3. 十进制计数器模块设计

十进制计数器具体的电路图如图所示

将十进制计数器封装为子电路，如下图所示：

X1

clockloadctenQA1QB1QC1

QD1QA2QB2QC2QD2QA3QB3QC3QD3QA4QB4QC4QD4QA5QB5QC5QD5

X1

4. 总体电路设计与调试

搭建好以上电路以后，进行调试，首先分模块进行调试，待每一个模块调试正确后，再进行不规则联调。

四.仿真

数字频率计总体电路如图所示：

五．分析与总结

在本次《电子仿真技术》课程设计中，我了解到了数字频率计的工作原理，并且进一步学习了模拟电路仿真技术。同时还发现了自己的很多不足，在理论知识上的很多漏洞，认识到自己的思维还是不够活跃。本次课程设计过程中虽然遇到一些阻碍，但通过我的努力，最终还是克服了这些困难，让我体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐趣,提高了独立思考以及克服困难的能力。设计是我们将来必需的技能，这次设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会。在实习的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢，同时在设计的过程中，遇到了一些以前没有见到过的元件，但是通过查找资料来学习这些元件的功能和使用，让自己的知识面更加的开阔。因此，电子课程设计使我们获益匪浅，希望还有机会学习更多有关此类课程设计的知识。通过这次课程设计实践，巩固了学过的知识并能够较好的利用，对自己是一次很好的实践锻炼机会。课程设计实践不单是将所学的知识应用于实际，在设计的过程中，只拥有理论知识是不够的。逻辑思维、电路设计的步骤和方法、考虑问题的思路和角度等也是很重要，是需要我们着重锻炼的能力。

 

第二篇：设计一个简易的数字频率计

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。

电路联的比较麻烦，电工学下（蓝皮的，不知你们是不是也学这下）的后面有联关的知识，你到图书管找找看吧。

B题 简易数字频率计

一、任务

设计并制作一台数字显示的简易频率计。

二、要求

1．基本要求

（1）频率测量

a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz

b．测量误差≤0.1%

（2）周期测量

a．测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V～5V；频率：1Hz～1MHz

b．测量误差≤0.1%

（3）脉冲宽度测量

a．测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V～5V；脉冲宽度≥100μs b．测量误差≤1%

（4）显示器

十进制数字显示，显示刷新时间1～10秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。

（5）具有自校功能，时标信号频率为1MHz。

（6）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

2．发挥部分

（1）扩展频率测量范围为0.1Hz～10MHz（信号幅度0.5V～5V），测量误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。

（2）测量并显示周期脉冲信号（幅度0.5V～5V、频率1Hz～1kHz）的占空比，占空比变化范围为10%～90%，测量误差≤1% 。

（3）在1Hz～1MHz范围内及测量误差≤1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。

要求设计一个简易的数字频率计，其信号是给定的比较稳定的脉冲信号。

??设计内容：??

1、测量信号：方波 、正弦波、三角波；?

2、测量频率范围: 1Hz~9999Hz；?

3、显示方式：4位十进制数显示；??

4、时基电路由 由555构成的多谐振荡器产生（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体振荡器分频获得）；??

5、当被测信号的频率超出测量范围时，报警。?

?设计报告书写格式：??

1、选题介绍和设计系统实现的功能；

2、系统设计结构框图及原理；?

3、采用芯片简介；??

4、设计的完整电路以及仿真结果；??

5、Protel绘制的电路原理图；??

6、制作的PCB；??

7、课程设计过程心得体会（负责了哪些内容、学到了什么、遇到的难题及解决方法等）。??电子课程设计过程：??系统设计→在Multisim2001下仿真→应用Protel 99SE绘

制电路原理图→制作PCB→撰写设计报告

在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。 在通信，广播，电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频），视频信号或者脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。

在工业，农业，生物医学等领域内，如高频感应加热，熔炼，淬火，超声波焊接，超声波诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小，频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术部门的应用是十分广泛的。

同样的，非正弦信号（方波，锯齿波等）发生器在测量设备，数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。

方波和三角波发生器

知识点及涉及内容:比较器，积分器。涉及函数发生器的安装，调试技术。

一．实验目的

（1） 掌握函数发生器的主要性能。

（2） 掌握函数发生器的基本测试方法。

（3） 学会函数发生器的设计。

（4） 学会函数发生器的调试方法

二．函数发生器的组成

函数发生器一般是指能自动产生正弦波，三角波，方波及锯齿波，阶梯波等电压波形的电路及仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波行数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（加单片函数发生模块ICL8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课程设计介绍由集成运算放大器等组成的方波——三角波函数发生器的设计方法及实验结果。

四． 方波函数发生电路原理

方波产生电路是一种能够直接产生方波或锯齿波的非正弦信号发生电路。由于方波或锯齿波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐2电路。它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf,C组成的积分电路，把输出电压经Rf,C反馈到集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻R和来两个背靠背的稳压管就组成了一个双向限幅防拨发生电路。由此可见，电路的正反馈系数F为

F=R2/（R1+R2）

在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于负饱和值，即V0=-Vz时，加到集成运同向端的电压为-FVz，而加于反相端的电压，由于电容C上的饿电压vc不能突变，只能由输出电压v0通过电阻Rf按指数规律向C充电来建立，充电电流为i+。显然，当加到反相端的电压Vc略负于-FVz时，输出电压便立即从负饱和值（-Vz）迅速翻转到正饱和值（+Vz）,+Vz又通过Rf对C进行反向充电，充电电流为i-。直到vc略正于FVz值时，输出状态再翻转回来。如此循环不已，形成一系列的方波输出。

在一个方波的典型周期内，输出端及电容C上的电压波形。设t=0时，vc=-FVz,则在T/2的时间内，电容C上的电压vc将以指数规律由-FVz向+Vz方向变化，电容器端电压随时间变化规律为

Vc(t)=Vz[1-(1+F)e^(1/RfC)

设T为方波周期，当T=T/2时，vc(T/2)=FVz,代入上式，可得

Vc(T/2)=Vz[1-(1+F)e^(-T/2RfC)]=FVz

对T求解，可得

T=fCln[(1+F)/(1-F)]=2RfCln(1+2R2/R1)

如适当选取R1和R2的值，可使F=0.462，则振荡周期可简化为T=2RfC,或振荡频率为 F=1/T=1/2RfC

在低频范围（如10Hz---10kHz）内，对于固定频率来说，此电路是一较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获取前后沿较陡的方，以选择转换速率较高的运放为宜。

通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称占空比。对称方波的占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容C的正，反向充电时间常数即可。这样，当vo为正时，D1导通而D2截止，反向充电常数为R f1C.。选取Rf1/Rf2的比值不同，就改变了占空比。设忽略了二极管的正向电阻，此时的振荡周期为

T=（Rf1+Rf2）Cln(1+2R2/R1)

五． 三角波函数发生电路原理

锯齿波和正弦波，方波，三角波是常用的基本测试信号。此外，如在示波器等仪器中，为了是电子按照一定的规律运动，以利用荧光屏显示图象，常用到锯齿波产生器作为时基电路。例如，要在示波器上不失真地观察到被测信号波形，就要在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速扫过荧光屏。而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要用锯齿波电流来控制。

电路中电容C的正，反向充电时间常数相等时，此时锯齿波就变成三角波，下图所示电路就变成方波（vo1）~三角波(vo2)产生电路。

方波放生器实际上只要在迟滞比较器的基础上接入一个RC负反馈通路即可。方波积分即是三角波，所以方波，三角波发生器可以用继承运算放大器，专用电压比较器构成，也可以由门电路构成，(a)图是使用运算放大器αA741构成的方波，三角波发生器电路。图中A1接成迟滞比较器，A2接成反相积分器，积分器的输入取自迟滞比较器的输出端，而迟滞比较器的输入信号则取自积分器的输出端。比较器的输出信号是方波，其输出电压幅度由稳压管决定。

Uo1m=Uz+Ud

Uo1n= -（Uz+Ud）

图中VDw1和VDw2均为1N4734，击穿电压为5.7V，所以Uo1m= -Uo1n=6.4V。 A2的输出信号是三角波，其输出电压幅度

Uo2m= -Uo1n R1/Rf

=(Uz+Ud)R1/Rf

=0.5*6.4=3.2V

Uo2n= -Uo1mR1/Rf

= -(Uz+Ud)R1/Rf

= -3.2V

方波和三角波的振荡频率

Fo=xRf/4R1R2C

=0.15*20*1000/4*10*150*1000000*0.1*0.000001=5Hz

其中x是电路中电位器的分压系数，即电位器动头电压与A1输出电压U01之比，这里为15%。]

启动电路对图中所示电路进行瞬间分析，用示波器分别观察A1和A2的输出电压波形，并示于（b）图。可以测出，方波电压幅度为6.4V，三角波电压幅度为3.2V，振荡频率为5Hz，与估算相同。

若调换图(a)中的稳压管，可以改变方波和三角波的输出电压幅度，但不改变振荡频率。 改变电位器的分压系数x和积分器的时间常数R2C，可以调节振荡频率，但不改变输出幅度。一般可以用改变积分时间常数进行频段转换，移动电位器动点的位置，改变x值作为频段内的微调。

六．实验电路图

七．实验结果

八．实验小结

本次实验使我体会到了理论和实际之间是有差别的，我们在掌握理论的同时要把理论放到实际中去。实验中遇到了和多困难，理论上正确的但在实际中运行不起来。认识到单掌握理论是不够的。要考虑到实际的外界和内部之间的因素，之间的联系，全方位的了解问题，思考问题，理解问题，解决问题。我认为学习最好能在实践中，掌握，巩固自己的理论知识，得到更好的发展。

参考文献：

《模拟集成电路基础及应用》电子工业出版社

《电子技术基础模拟部分》康华光主编

[结果要图发消息我]

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