實驗名稱：計數(shù)與分頻電路；數(shù)字電路常見故障的分析與排除

設計方式：原理圖

難度：???

適用教材：郭宇鋒《電工電子基礎實驗（第2版）》

題目位置：P226 四-2? P220 四-3、4

寄語：計數(shù)器，啟動！?

????????本次實驗涉及示波器的“脈寬觸發(fā)”，設置脈寬觸發(fā)能夠穩(wěn)定波形。如果考試考到序列信號發(fā)生器，設置脈寬觸發(fā)則是必須的。

以下為實驗報告正文：

計數(shù)與分頻電路

一、 實驗目的

????1. 掌握任意進制計數(shù)器的設計方法；

????2. 了解非均勻周期信號波形的測試方法；?

????3. 掌握數(shù)字電路多路輸出波形相位關系的測試方法；?

????4. 掌握數(shù)據(jù)選擇器的應用。

二、 主要儀器設備及軟件

????硬件：DGDZ-5型電工電子實驗箱、電腦

????軟件：ISE 14.7

三、 實驗原理（或設計過程）

????1.利用計數(shù)器實現(xiàn)分頻電路

????????分頻是指將意單一頻率信號的頻率降低為原來的 1/N，就叫 N 分頻。實現(xiàn)分頻的電路或裝置稱為“分頻器”，這里的分頻實際上是針對單頻信號而言的。

????????計數(shù)器實質是對輸入的驅動時鐘進行計數(shù)。所以計數(shù)器在某種意義上講，等同于對時鐘進行分頻。一個最大計數(shù)長度為 N(從 0 計數(shù)到 N-1)的計數(shù)器，其最高位的輸出，是輸入頻率的 N 分頻。

????2.“計數(shù)器+數(shù)據(jù)選擇器”組合實現(xiàn)序列發(fā)生器

????????①分析序列長度，如：序列長度=N；?

????????②根據(jù)序列長度確定計數(shù)器模長=N，設計計數(shù)器；?

????????③數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)序列碼。

四、 實驗電路圖

五、 實驗內容和實驗結果

????1.設計一個分頻比 N=5 的整數(shù)分頻電路，觀察并記錄時鐘脈沖和輸出波形。

????????(1)設計過程：由 N=5，周期與頻率的關系，設時鐘脈沖的周期為，，則分頻后的信號周期。設計一個 N=5 的計數(shù)器，采用置數(shù)法設 計，其狀態(tài)轉移表如下：

????????則將 CB4CLE 的數(shù)據(jù)端 D0~D3 輸入 0000，將 Q2 接入置數(shù)端 L 即可， 最終電路圖如【圖 四-1】所示。

????????(2)仿真及實驗：在 ISE 14.7 中進行仿真，結果如下：

????2.試用數(shù)據(jù)選擇器產(chǎn)生序列信號“1110010”，用示波器雙蹤觀察并記錄時鐘脈沖和序列信號波形。

????????(1)設計過程：由序列“1110010”，可知 N=7，采用 CB4CLE 和 M8_1E 和置數(shù)法進行設計，設其輸出為 F，則有以下真值表：

????????由置數(shù)法，將 Q2Q1 輸入 CB4CLE 的置數(shù)端，數(shù)據(jù)選擇器 M8_1E 的數(shù)據(jù)端 D0~D6 輸入 1110010 即可。最終設計電路圖如【圖 四-2】所示。

????????(2)仿真及實驗：在 ISE 14.7 中進行仿真，結果如下圖所示：

????????將實驗箱上的時鐘信號接入 CP 端和示波器，F(xiàn) 接入示波器，其管腳約束 和實物電路如下圖所示：

????????示波器設置為脈寬觸發(fā)，信源為 CH2（F 端），觸發(fā)電壓設置為 1.5V。 下圖為示波器輸出，上方為 CP 端波形，下方為 F 端波形。

????3.試用數(shù)據(jù)選擇器 M8_1E 產(chǎn)生序列信號“1110010010”，用示波器雙蹤觀察并 記錄時鐘脈沖和序列信號波形。

????????(1)設計過程：由序列“1110010010”，可知 N=10，采用 CB4CLE 和 M8_1E 和置數(shù)法進行設計，設其輸出為 F，則有以下真值表：

????????觀察上表，若將 Q1、Q2、Q3 接入 M8_1E 的地址端 S0、S1、S2，可得出 M8_1E 的數(shù)據(jù)輸入表：

????????最終設計電路圖如【圖 四-3】所示。?

????????(2)仿真及實驗：在 ISE 14.7 中進行仿真，結果如下圖所示：

????????將實驗箱上的時鐘信號 4k 接入 CP 端和示波器，F(xiàn) 接入示波器，其管腳約束和實物電路如下圖所示：

????????示波器設置為脈寬觸發(fā)，信源為 CH2（F 端），脈寬條件設置為“正極性，大于”，脈寬設置 361us，觸發(fā)電壓設置為 1.5V。下圖為示波器輸出，上方為 CP 端波形，下方為 F 端波形。

六、 結果分析

????1.對五-1 的分析：

????????觀察【圖 五-1 仿真結果】，可見每當 CP 經(jīng)過 5 個上邊沿時，輸出 F 出現(xiàn) 1 次低電平，在遇到下一個上邊沿后恢復為高電平。成功實現(xiàn)了 N=5 的整數(shù)分頻電路。

????2.對五-2 的分析：

????????觀察對比【圖 五-2 仿真結果】和【圖 五-5 示波器波形】，發(fā)現(xiàn)其中的 F 端輸出序列相同且與真值表和題設相符，均為“1110010”，可見電路通過了靜態(tài)和動態(tài)測試，設計成功。

????3.對五-3 的分析：

????????觀察對比【圖 五-6 仿真結果】和【圖 五-9 示波器波形】，其輸出序列均為“1110010010”，與真值表對應，完成了題設設計要求。

七、 實驗小結

????????本次實驗我們第一次使用示波器的脈寬觸發(fā)，在做序列信號發(fā)生器時要 記住這些關系：在“正極性，大于”的脈寬條件下，當 CP 為 2kHz 時，脈寬設置為 520us 左右；CP 為 4kHz 時，脈寬設置為 360us 左右。

????????同時 CP 端和 F 端最好約束到 P90~P93 這四個端口中，保證板子接收和輸出良好的波形邊沿，使示波器的波形更穩(wěn)定。

正文完。

????????愿同學們實驗順利，美美下班！