数字逻辑

1.实习的目的和任务

1.1数字频率计

1.1.1设计目的：

⑴掌握数字频率计的组成原理。

⑵掌握数字频率计的设计、组装与调试。

⑶学习集成电路合理选择与使用。

1.1.2设计任务：

⑴设计一个具有六位十进制数字显示功能，显示时间可调。

⑵门控时间分1、0.1、0.01秒三档。

1.2彩灯显示电路

1.2.1设计目的：

⑴掌握彩灯的组成原理。

⑵掌握彩灯的设计、组装与调试。

⑶熟悉彩灯的工作原理。

1.2.2设计任务：

每路时间间隔1秒，然后同时依次灭。同时亮，时间间隔1秒，同时灭。重复四遍。或自行根据一定规律设计。

2.实习要求

1）从选择设计方案开始，首先按单元电路进行设计，选择合适的元件，最后画出总原理图。

2）均首先采用Multisim 7或EWB仿真软件进行仿真，后进行电路的实际安装和调试。

3）实习报告要按照格式来做。实习结果要以打印稿上交，同时实习报告的电子版和设计的电路图，运行结果（.msm或ewb檔）也要上交统一制作做。

3.实习地点

设计与仿真：福建农林大学田家炳楼软件实验室513和514；

安装与调试：福建农林大学田家炳楼硬件实验室406和404。

4.主要仪器设备

（1）软件：数字电路仿真软件Multisim7

（2）硬件：硬件：PC机一台

5.实验内容

5.1数字频率计

5.1.1电路原理：

数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种装

置，可以测方波、三角波等，还可以测量其它物理量如机械振荡、

转体转速等。

在模拟和数字电路实验中，经常要用到数字频率计。数字频率

计实际上就是一个脉冲计数器，用来记录 1 秒内通过闸门的脉冲个

数。通常频率计是由输入整形电路、时钟振荡电路、分频器、量程

选择开关、计数器、锁存器和显示器等组成。图1为数字频率计的

原理框图。

在图1中，由于计数脉冲信号必须为方波信号，所以要用施密

特电路对输入波形进行整形，分频器输出的信号必须满足闸门时间

要求。例如闸门时间为 1 秒时，这个秒脉冲加到与门上，就能检测

到待测信号在 1

秒内通过与门的个数。脉冲个数由计数器计数，由

七段显示器显示频率的单位应为 Hz 。又例如闸门时间为 1mS 时，

显示频率的单位应该为 kHz 。

数字频率计各级的波形

图 1 数字频率计的组成框图

图 2 数字频率计的波形

图2所示，设待测信号 A 的周期为Ｔx，闸门时间为Ｔ。当门控信号 B 为高电平时，它和被测信号 A 相与后通过闸门，形成计数脉冲信号 C，直到门控信号结束，闸门关闭，计数停止。单稳 1 的输出信号 D 送到锁存器的使能端，锁存器将计数结果锁存，并送到译码显示电路。计数器停止计数后，在单稳 2 的暂态输出E的作用下将计数器清零。等到当门控信号 B 再次变为高电平时，开始下次计数。若在闸门时间Ｔ内计数器的计数值为Ｎ，则被测频率ｆx 为：

ｆx = Ｎ /Ｔ

为了准确地测量频率，应满足Ｔ>>Ｔx 。

实验电路图如下：

5.1.2总电路设计及说明

（1）测频原理

数字频率计实际上就是一个脉冲计数器，即在单位时间里(如1s)所统计的脉冲个数。图一是数字频率计原理方框图。该系统主要由输入整形电路、晶体振荡器、分频器及量程选择开关、门控电路、逻辑控制电路、闸门、计数译码显示电路等组成。首先，被测信号(以正弦波为例)通过放大、整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后将它加到闸门的一个输入端。闸门的另一个输入信号是门控电路发出的标准脉冲，只有在门控电路输出高电平时，闸门被打开，被测量的

脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。门控电路输出高电平的时间T是非常准确

的，它由一个高稳定的石英振荡器和一个多级分频器及量程选择开关共同决定。逻辑控制电路是控制计数器的工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序进行有条理的工作(例如准备——计数——显示——清零——准备下一次测量)。

若某一信号在T秒时间里重复变化了N 次，则根据频率的定义可知该信号的频率fs 为：fs=N/T 通常测量时间T取1秒或它的十进制时间。频率计方框图如图5－1所示。

图5－1 频率计方框图

(2)基本电路设计

⑴整形电路

整形电路是将待测信号整形变成计数器所要求的脉冲信号。电路形式采用由555定时器所构成的施密特触发器，电路如图XXX所示。若待测信号为三角波，输入整形电路，设置分析为瞬态分析，启动电路，输出为方波，二者频率相同。

⑵时钟产生电路

时钟信号是控制计数器计数的标准时间信号，其精度很大程度上决定了频率计的频率测量精度。当要求频率测量精度较高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。在此频率计中，时钟信号采用555定时器构成的多谐振荡器电路，产生频率为1Kz的信号，然后再进行分频。

⑶分频器电路

采用计数器构成分频电路，对1Kz的时钟脉冲进行分频，取得不同量程所需

要的时间基准信号，实现量程控制。1Kz的时钟脉冲，对其进行3次10分频，每个10分频器的输出信号频率分别为100Hz，10Hz，1Hz三种时间基准信号。对应于以1Kz，100Hz，10Hz，1Hz的信号作为时间基准信号时，相应的量程为×1000，×100，×10，×1。

构成10分频带电路是采用十进制计数器74LS160实现的。具体电路及其输入、输出波形如图XXX所示。

a.T触发器

T触发器电路是用来将分频带器输出阻抗的窄脉冲整形为方波，因为计数器需要用方波来控制其计数/保持状态的切换。整形后方波的频率为频器输出信号频率的一半，则对应于1Kz，100Kz，10Kz，1Hz的信号，T触发器输出信号的高电平持续时间分别为0.001s,0.01s,0.1s,1s。T触发器采用JK触发器7473为实现，其电路连接图及其输入、输出波形如图XXX所示。

b.单稳触发器

单稳触发器用于产生一窄脉冲，以触发锁存器，使计数器在计数完毕后更新锁存器数值。单稳触发器电路采用555定时器实现，为了保证系统正常工作，单稳电路产生的脉冲宽度不能大于该量程分频带器输出信号的周期。例如，计数器的最大量程是×1000，对应分频带器输出的时间基准信号频率为1000Hz，周期是1ms。取单稳电路输出脉冲宽度T W=0.1ms。根据T W=1.1RC，取C=0.01Uf，则R=9.8KΩ，取标称什为10KΩ。单稳触发器输入信号是T触发器输出信号经Rd、Cd组成的微分器将方波变成尖脉冲后加到555定时器的触发器。电路图及输入、输出波形如图XXX所示。

c.延迟反相器

延时反相器的功能是为了得到一个对计数器清零的信号。由于计数器清零是低电平有效，而且计数器清零必须在单稳触发信号之后，故延迟反相器是在上述单稳电路之后，再加一级单稳触发电路，且在其输出端加反相器输出。其输入、输出波形如图XXX所示。

d.计数器

计数器在T触发器输出信号的控制下，对经过整形的待测信号进行脉冲计数，所得结果乘以量程即为待测信号频率。