1、数字电子技术课程设计东 华 大 学数字电子课程设计报告数字频率计学生姓名： 黄祺麟 学号： 150920218 班级： 通信 1502 数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计目录第一章 设计指标11.1 设计指标1第二章 系统概述22.1 设计思想22.2 可行性论证22.3 各功能的组成22.4 总体工作过程3第 3 章 单元电路设计与分析43.1 各单元电路的选择43.2 设计及工作原理分析4第四章 电路的组构与调试144.1 遇到的主要问题、现象的记录及原因分析、解决措施及效果144.2 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据15第五章 结束语175.1 对设计题目的结论性意见及进一步
2、改进的意向175.2 总结设计的收获与体会17附图（电路图、电路总图）18参考文献 19数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计1第一章、设计指标1.1 设计指标：要求设计一个测量 TTL 方波信号频率的数字频率计。用按键选择测量信号的频率的量程。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。频率的测量范围有四档量程。（1）测量结果显示 4 位有效数字，测量精度为万分之一。（2）频率测量范围：100.0Hz999.9kHz，分四档。量程范围 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
3、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 KH（3）基本要求：量程切换可以采用两个按键 SWB 和 SWA。（4）扩展要求:a.当被测频率大于 999.9khz，超出最大值时，设置一个警灯，并发出报警声。b.自动切换量程。数字电子技术课程设计2第二章、系统概述2.1 设计思想时间和频率测量是电子测量技术中最基本的测量之一。频率的物理意义是单位时间（1s）内信号的周波数。所以频率测量问题等同于时间测量问题。在电子系统中，频率、周期、时间的测量通常采用计数器。
4、测量一段标准时间内周期性信号的周伯叔（测频） 。计数器的计数时间（开门时间）和技术脉冲是关键性的参数。2.2 可行性论证针对上述设计思想，可采用计数器来实现记录周期数的功能；采用时基信号产生计数时间作为采样时间；要通过数码管显示结果，考虑如果计数器直接将数据输入到数码管显示，则会出现数码管的数据不断变化，累计增加的情况，例如，一信号的频率为 10Hz，计数器则会从 1 一直计数，数码管会在每秒内变化 10 次，所以采用寄存器或锁存器，在每个时间信号内，给予一个高电平使能有效，将计数器的数值锁存到锁存器。同时考虑到，如果这样，每次锁存的数据会比上次增加一个基数，因为计数器的连续计数累积计数，所以
5、要对每次锁存后立即清零，让计数器从零开始计数。对于数码管显示电路，可采用四位动态扫描显示电路。2.3 各功能的组成功能主要分为：1）产生系统基准时钟的石英晶体振荡器及多几分频电路此功能通过 10 倍率分频器将 10MHz 的基准时钟进行 8 次分频，再通过数据选择器实现时钟基准时间的选择。数字电子技术课程设计32）量程切换控制单元（选择控制单元）通过开关、数据选择器来控制时钟基准时间和测量单位来达到切换量程的功能。3）计数、锁存单元计数器（74160） 、锁存器（74374）电路实现该功能。4）控制信号（计数器清零、显示锁存等）产生单元采用单稳态触发电路，以时钟基准时间作为触发信号，来产生锁存
6、、清零的触发信号，对计数器和锁存器进行控制。5）调试信号的产生于选择通过分频器、开关控制数据选择器完成调试信号的选择功能。6）显示单元将所锁存器中的存储的数据，经过数据选择器后，输入到 4 为动态显示译码器进行显示。2.4 总体工作过程数字电子技术课程设计4晶体振荡器产生 10MHz 的基准时钟通过 10 倍率 8 次的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 SW1、SW2 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（试验中使用的是调试信号） ；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
7、）脉冲信号控制计数器的清零和锁存器的锁存；锁存器将数据通过和 4 为动态显示译码器译码显示，通过控制两个发光二极管来显示单位 Hz 和 kHz。 （二极管 L1 发光则单位为 Hz；L2 发光为KHz） 。数字电子技术课程设计5第三章、单元电路设计与分析3.1 各单元电路的选择3.1.1 计数器的器件选择：选用四个 74160 构造四个 BCD 码十进制计数器，并将这四个计数器串行级联构成一个模 10000 的计数器。 （这里在进行串联进位的时候有讲究）3.1.2 锁存器的器件选择：选用两片 74374 构造 16 位二进制码的锁存器。3.1.3 四位动态扫描显示电路器件选择：7490、741
8、53m、DIV8 分频器、小数点控制选择器、7seg 七段显示译码器（这两个器件为自己编写）3.1.4LED 量程亮灯显示电路器件选择：与门、非门。3.1.5 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。3.1.6 数字单稳态触发电路器件选择：用三片 D 触发器构成一个单稳态触发电路，构成产生锁存（LD）和清零（CR）的单稳触发电路。3.1.7 测试可控分频调试电路器件选择：DIV8 分频器、74160、74153m 四选一数据选择器。3.1.8 选择控制端产生
9、测频时基信号设计：数字电子技术课程设计6DIV8 分频器、74153m 四选一数据选择器。3.2 设计及工作原理分析3.2.1 分频器：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。如图所示：实际为 10 进制计数器。单个 7490 芯片构成的 10 倍分频器连接如下图所示：将每一片芯片的输出端接在下一片 7490 芯片的输入端，就构成了下一个10 倍分频器的电路结构，每一片 7490 芯片都可以将通过上一片 7490 输出的信号再 10 分频，以此类推，就可以最终用 8 片 74
10、90 将 10MKHZ 的频率分到最后的0.1HZ。最后将这 8 片 7490 合并成下面一片 DIV8 分频器。3.2.2 选择控制端产生测频时基信号设计：组成选择控制端需要的原件为 DIV8 分频器、74153M 数据选择器。 。数字电子技术课程设计7这个模块比较简单，它主要功能就是选用 DIV8 分频然后通过 74153M 数据选择器，在 KEYA 和 KEYB 两个开关的控制下选择合理的采样时间。最后在输出端将其输出。合并后模块对应器件为：数字电子技术课程设计83.2.3 测试可控分频调试电路器件选择：调试信号由 DIV8 分频器、74160、74153M 四选一数据选择器组成。作为一
11、种一致频率的信号，输入到频率测试器中进行检测。它的大体设计思路如下图所示：在本实验中我将量程化简为两个档位根据如图所示的电路进行连接。同理也是它主要功能就是选用 DIV8 分频然后通过 74153M 数据选择器，在KEYA 和 KEYB 两个开关的控制下选择合适的频率。在这个模块里 74160 虽然是10 进制计数器，但是它起到的是分频的作用。74160 由 KEYC 控制可以让 DCBA置数端为 0110 或 0010 即经过 74160 的输出频率为原频率的四分之一或八分之一。数字电子技术课程设计9合并后器件模块如图：3.2.4 单稳态触发电路的设计：数字单稳态电路的作用是输入选择采样时间
12、的信号，并将其经过波形整形后转化为控制计数器清零的 CR 信号和控制锁存器存取的 LD 信号。如下图所示：数字电子技术课程设计10数字电子技术课程设计11可以看到计数器清零信号是在技术锁存信号在高电平变成的低电平的瞬间完成的，于是我们用三片 D 触发器构成一个单稳态触发电路，构成产生锁存（LD）和清零（CR）的单稳触发电路如下图。如图所示：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 脉冲的 2 倍。仿真图如下：从图中可看到，LD 和 CR 信号紧邻，且时间是 CP 的 2 倍，只要 CP 的频率足够大，那么误差就
13、可以足够小，即让我们实际的采样时间与理论值相差足够小。进行器件合并后得到。3.2.5 计数锁存显示模块：数字电子技术课程设计123.2.5.1 十进制计数器的设计：用一片 74160 将使能端 ENT、ENP 端接高电平无效，将脉冲 CP 端接 CLK 端，将清零（CR）脉冲信号接到 CLRN 端，做清零控制，将置位端 LDN 接高电平使其无效。再将 QD QC QB QA 做 4 位输出，读数 D3 C2 B1 A0 即为 8421BCD 码。进位端 RCO 级联到下一片 74160 的使能端上。图为单片 74160：4 片 74160 串行级联效果图：在这里要注意到在这里 RCO 进位段接
14、到下一片 74160 的时钟信号端时要接一个非门来保证这个进位从第一片 74160 的 9 跳变到 0 时进位为不是从 8 跳变到 9 时就进位。数字电子技术课程设计13合并后的 74160 级联计数器器件如图：数字电子技术课程设计143.2.5.2 锁存器的设计：采用两片 74374 保存我们计数器的测量值。按照课本上 74374 的功能表将其使能端 EN 接地，使其使能有效，CLK 接锁存信号（LD） ，其数据端口与上述计数器的输出端口一一对应相接，如图所示3.2.5.3 四位动态扫描显示电路设计：数字电子技术课程设计15DIV8 分频器、74153M、74161、7490 和自己编写的
15、7seg 小数点选择构成。原理分析：四位动态扫描显示电路采用开关控制数据的选择和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依次显示数值，当扫描频率达到一定值时（实验中选用 1KHz） ，其变化和速度超过人眼的辨别范围，即可以看到数据显示在数码管上了，在这里我用的是二五十计数器 7490 的 QBQC端口。经过连接后的电路如下图：四个 74153M 连接到前面的锁存器的输出端口。再经过自编写模块如图：数字电子技术课程设计16数字电子技术课程设计17连接到数码管上，这样实际上每个显示译码器输出是D3C3B3A3、D2C2B2A2、D1C1B1A1、D0C0B0A0。这四组数中对应的一
16、组。在小数点显示的选择上自己编写了一个模块，这样在开关 A B 选择量程的同时也可以控制小数点的位数。将这一模块合并为数字电子技术课程设计18最后将计数器、锁存器 、示起三部分一起合并成一个大的模块计数锁存显示模块。3.2.5.4LED 显示电路：注意到只有 SWA SWB 两个开关均为 0 时单位为 HZ 其他时间单位均为 KHZ设计 LED 显示的电路如下：总电路如下：数字电子技术课程设计19第四章、电路的组构与调试4.1 遇到的主要问题、现象的记录及原因分析、解决措施及效果（1）一开始在对四位动态扫描电路的设计时，数码管显示异常，完全和我设计的按键不一样，分析后发现其数据端口与锁存器的数
17、据端口连接错误。锁存器和计数器的端口一一对应，而计数器 4 片 74160 的输出我都弄混淆了导致了连接出错。（2）在连接完电路后我遇到的最大的问题同时也是最低级的问题是我的锁存器使用错误，在这个实验里本应该用的是 74374 锁存器，而我一开始以为 74373和 74374 芯片的功能一样的，所以使用的 74373 芯片，将单稳电路输出的信号LD 接到了 74373 的 CP 信号端。而 74373 的 CP 端本应该是接高电平时有效。这就导致了出错，在我的电路连接完后进行功能测试时显示的数字一开始当 SWA SWB SWC 三个开关都是 0 时显示的是 005.0 然后迅速变成了 000.
18、0 后就不听响应了。后来我更换了 74374 芯片后就恢复正常。（3）LED 灯不显示我的 HZ KHZ 的单位变换。 后来发现是 ACOM 端即 Pin98 要接高电平。（4）一开始我的小数点都是颠倒的，我以为是我编写的那个小数点模块的编码有问题，后来发现是因为我的两个开关 SWA SWB 在接入这个模块的时候接反了导致了中间两位小数点的显示颠倒。（5）在测试可控分频调试模块中，一开始我的输出不是接在进位端 RCO 上的而是接在 QA 上，导致这个器件不能输出正确的分频。后来经过询问燕老师解决了这个问题。（6）另外还发现在调试过程中，数码管的显示变化较慢，容易跳动，这可能是所选择的信号频率太
19、低，导致采样时间过长，以至于测量时间长，所以体现在显示器上就是等待时间过长，数码变化慢、稳定的慢。数字电子技术课程设计20数字电子技术课程设计214.2 功能的测试方法、步骤、设备、记录的数据4.2.1 测试方法：通过 SWA SWB SWC 进行控制显示SWA、SWB 为调试信号的选频控制开关：（开关断开为“0” ，闭合为“1” ）开关 SWC 控制调试信号与测量信号的输入选择：（开关断开为“0” ，闭合为“1” ）SWC=“0”，输入调试信号，试验中为 8 分频的输出SWC=“1”，输入测试信号，试验中为 4 分频的输出4.2.2 测试步骤：第一：将所做的电路下载到设备SWB SWA 所选
20、调试信号频率1 1 1MHz1 0 100kHz0 1 10kHz0 0 1kHz数字电子技术课程设计22第二：先接通各个相应的控制开关以及晶体振荡器第三：通过 SWC 开关选择调试或者测量功能第四：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。4.2.3 测试所需设备：此频率计是在实验室完成的，所需要的设备为 LP2900（EP1C3T144C8 型FPGA） 、函数信号发生器（用于产生所需的测试信号） 、PC 机一台（装有Quartus软件） 。数字电子技术课程设计234.2.4 记录的数据：测频时用 1KHZ 分频（SWB、SWA=00） ，预置数 DCBA 0010
21、0110分频数 8 4理论频率 125.0HZ 250.0HZ实测频率 125.0HZ 250.0HZ测频时用 10KHZ 分频（SWB、SWA=01）预置数 DCBA 0010 0110分频数 8 4理论频率 1.250KHZ 2.500KHZ实测频率 1.250KHZ 2.500KHZ测频时用 100KHZ 分频（SWB、SWA=10）预置数 DCBA 0010 0110分频数 8 4理论频率 12.50KHZ 25.00KHZ实测频率 12.50KHZ 25.00KHZ测频时用 1MHZ 分频（SWB、SWA=11）数字电子技术课程设计24预置数 DCBA 0010 0110分频数 8
22、4理论频率 125.0KHZ 250.0KHZ实测频率 125.0KHZ 250.0KHZ数字电子技术课程设计25第五章、结束语5.1 对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向感觉我们这一批的数电设计难度适中，让我们可以通过自己的学习和思考真正做出电路。总得来说老师讲的很细致，按照 PPT 上的步骤来一步一步的做能够做出来。5.2 总结设计的收获与体会设计中，针对出现的现象，我在与同学讨论交流、查阅有关资料，以及燕老师对我问题的解答后，确定了错误原因并进行电路的改进。本次设计课程设计让我们在短时间内体验了从设计到组装到调试的过程。在这个过程中让我们有机会巩固课本上的知识并运用到实际的设计上，通
23、过这次数电频率测试计的课程设计，我学会了很多以前掌握的不好的知识，也同时学习到的新的知识，比如新的芯片的用法。相比模电的课程设计，我觉得数电的课程设计更加注重思维的完整性和电路应有的逻辑性。在设计电路的过程中，在与同学的讨论过程中我也学会了如何多方面的寻找有效信息；最重要的是我学会了要分模块编写电路，这样可以极大减少出错率，同时也有利于自己进行调试与更正；最后的调试过程让我们学会了如何反思和寻找自己的错误；总的来说，这次的数电课设不但让我巩固了差点忘掉的数电知识，熟悉了使用 quartus来设计电路图，并用其仿真检验自己的设计是否有问题；利用 FGPA 实现测试的工作，熟悉了电路中的元器件的应
24、用，使所学的知识融会贯通，学以致用；了解到我们专业的神奇之处，通过设计电路来实现各种控制达到某种要求，方便人们的生活，并且灵活性高，生活中很多地方都可以看到电路控制的影子，交通信号灯的控制，商店广告牌广告内容的更改，还有计算器等等；不仅增强了自己的动手能力，而且还在与同学的讨论中增进了友谊，实在是收获颇丰。在实验过程中总是会遇到各种各样的问题，在一个个排查问题的过程中磨练了我的心性，课设很大程度的锻炼了我们在今后的学习和工作方面需要的能力，也是我对本专业认识更加深刻，对未来的发展更加有信心。相信这次试验中养成的细心的习惯会让我受益终生。希望以后还有机会能够自主独立的做课程设计。数字电子技术课程设计26最后要感谢学校给了我们这个锻炼自己的机会。也很感谢各位老师在课设中的悉心指导和教导。
