实验题目：浮点频率计的设计

1. 课程简要信息

课程名称，课程学时，适用专业，学生年级

课程名称：电子技术课程设计
课程学时：16学时，其中课内 10 学时，课外6 学时
适用专业：自动化，电气工程及其自动化
学生年级：三年级

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

设计一个浮点频率计，基本要求如下：

1） 测量信号频率最高可达 1MHz；
2） 测量结果以3位 LED 数码管显示，其中两位用以显示有效数字，一位显示 10的幂次数；3） 要求具有启、停控制功能，用于启动和停止信号频率的连续测量和显示；
4） 在连续测量工作状态下，要求每次测量 1s显示 3s左右，并且连续进行直至按动停止按钮。扩展要求如下：
1） 将测量结果进行四舍五入处理；
2） 将标准信号改为 1s和0.1s两种，从而使得测量信号频率上限为1MHz 和 10MHz 两种，可自行选择。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

整个实验过程分为以下 7 个步骤：

1） 课题分析，根据题目要求，进行调查研究，利用文献检索、资料查询及现代信息技术等获取相关信息的基本方法，弄清楚系统所要求的功能和性能指标。
2）方案论证，对各种不同的解决方案进行可行性分析，并综合考虑经济、安全等因素的制约，选择最优设计方案；
3） 方案实现，确定了题目整体方案后，进行具体电路设计。
4） 软件仿真，利用Multisim软件对设计的电路进行功能仿真，验证设计电路的正确性。
5） 硬件安装调试，具备电路安装、调试的基本能力，能够合理地分析实验结果，排除实验故障。
6） 课题验收，演示系统功能并介绍课题的设计思路、关键技术、工作原理、存在的问题等内

容。

7）提交课题研究报告。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本课题来源于工程实际，是一个数字电路理论和实践相结合的综合设计型实验，具有较强的综合性和系统性。它涉及了数字电路中的众多知识点的综合应用，具体包括：组合逻辑电路，触发器，计数器，555 电路，波形产生电路，单稳态触发器等方面的内容。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

通过完成一个结合工程实际的实验项目，使学生掌握数字系统的设计方法和实验方法，同时培养学生与工程实际密切相关的创新意识、自学能力、经济因素、团队合作、总结与表达等非专业因素的综合能力。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

教学设计的理念为以学生为中心，以工程项目为载体，以能力培养为导向。

本实验过程是完成一个比较完整的工程实践项目，需要经历课题分析、方案论证、方案实现、软件仿真、硬件安装调试、课题验收、提交课题研究报告等过程。在实验教学过程中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）首先教师进行课题介绍，让学生了解设计指标，同时要求学生利用文献检索、资料查询及现代信息技术等工程活动中获取相关信息的基本方法，进行充分的调查研究，深入理解课题的设计要求。
2） 方案论证时，要求学生将整个系统划分为若干个功能块，得到系统框图，每个方框即是一个单元电路，先规划出各单元电路所要完成的任务，要求同组学生进行有效的讨论和交流，进行合理决策，确定整体方案。
3） 方案实现时，教师介绍常用数字系统的实现方法，引导学生在方案实现时考虑经济、安全、环境等因素的制约。
4） 软件仿真和硬件安装调试要引导学生按照先局部后整体的原则，根据信号的流向逐块调试，教师介绍常用故障的测试方法。
5）课题验收时要求学生演示系统功能并介绍课题的设计思路、关键技术、工作原理、存在的问题等方面的内容。
6）课题研究报告的撰写要规范。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、

器件。

1） 系统结构框图

浮点频率计在其基准测量信号选通期间，计数器所计的数不管有多大，信号频率测量结果的显示均为三位十进制数，头两位是测量结果保留的有效数字，第三位是 10 的幂次数，即测量结果的表达式为 $\mathrm { m } \times 1 0 ^ { \mathrm { N } }$ 。其中 $\mathbf { m }$ 为两位十进制数，N为一位十进制数。系统结构框图如图 1所示。

图 1 浮点频率计原理框图

2） 实现方案

整个系统分为 4 个单元电路：

$\textcircled{1}$ 石英晶体振荡器、分频器 I、控制器。该部分电路主要用来产生基准测量信号，采用石英晶体振荡器保证基准测量信号的准确性，基准测量信号的脉冲宽度可以是 1s，也可以是 0.1s，根据系统测量频率的范围来确定，可在使用时选择。控制电路要求具有启动和停止信号测量的功能，可以通过“启动”、“停止”两个动作开关和相应电路来实现，在连续测量与显示状态下，要求测量1s，显示约3s，再测量，再显示等功能。

$\textcircled{2} \mathrm { m }$ 计数器与 N 计数器。 $\mathbf { m }$ 计数器为有效数字计数器，它由两位 BCD 计数器组成，N 计数器为幂次计数器，它由一位BCD计数器实现。

$\textcircled{3}$ 分频器II和多路选择器。 $\mathbf { m }$ 计数器的输入分别为被测信号 f及其分频信号f/10，f/100，f/1000，f/10000。分频器II用来实现这些分频，由 4级十分频电路来完成。多路选择器用来实现对上述$\textcircled{4}$ 显示电路。 $\mathbf { m }$ 计数器与 N 计数器的输出经译码驱动芯片直接驱动三位 LED 数码管，显示测量结果。

3） 方案论证

对于具体的单元电路要进行性能比较和可行性分析。例如控制器中实现测量1s，显示约3s功能，可以采用两种方案。

$\textcircled{1}$ 方案一，采用 555 定时器构成的单稳态触发器电路来实现。
$\textcircled{2}$ 方案二，采用移位寄存器 74LS195 构成的电路来实现。
由学生比较两种方案的优缺点，并确定采用的方案。

4） 实验技术

EDA软件仿真，硬件安装调试。

5）推荐元器件

74LS00、74LS04、74LS08、74LS76、74LS153、74LS160、74LS290、CD4013、CD4069、NE555等。

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

实验教学实施过程主要分为课题分析及方案论证、方案实现及功能仿真、硬件安装调试和课题验收及提交课题研究报告四个阶段。在每个阶段的教学要求与培养目标如下：

1）课题分析及方案论证。学生两人一组根据课题的设计要求，对各种不同的解决方案进行讨论交流及可行性分析，并进行成本预算，选择最优设计方案。主要培养学生的团队合作能力、工程系统能力及自主创新能力。
2）方案实现及功能仿真。对所设计的电路进行功能仿真，可以验证设计电路的正确性，减少故障出现的可能性，大大缩短设计周期。主要培养学生的单元电路设计能力、仿真分析能力及系统整体设计能力。
3） 硬件安装调试。主要培养学生的常用仪器仪表的使用能力、电路故障的检查与排除能力，系统的调试能力。
4） 课题验收及提交课题研究报告。由学生演示设计成果，介绍课题的设计思路、关键技术、工作原理、存在的问题等方面的内容。在课题验收后，要提交课题的研究报告。主要培养学生对所学知识的综合运用能力、语言表达能力和写作能力。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告包括以下内容：

1）课题分析。根据课题技术指标的要求，通过调查研究，对课题的可行性做出判断。
2） 方案论证。根据课题要求，阐述所设计系统的原理组成、各单元电路的实现方案，详细的方案比较和论证，以技术上的可行性和较高的性能价格比为依据，选定方案。
3） 方案实现。确定单元电路的具体实现方式，经过理论推导和计算，得到相应的电路参数。
4） 软件仿真结果。电路仿真分析实验设计和实验结果分析。
5） 硬件调试结果。描述硬件安装调试过程，对硬件实验结果进行分析（以图、表等形式），说明指标达到情况，对未完成功能或指标进行分析说明，对电路可改进部分及存在的缺陷进行分析。
6）原理图与印制电路板图的设计。

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）方案设计：认真查阅相关资料，完成方案设计与方案实现，设计过程中体现出创新能力和

团队合作能力，占总成绩的 $1 5 %$ 。2）软件仿真：完成EDA 仿真，能够利用仿真结果验证并修正设计电路，占总成绩的 $2 5 %$ 。3）硬件安装调试：完成系统的硬件安装，调试，能够利用仪器仪表检查与排除故障，占总成绩的 $3 0 %$ 。4）系统验收，能够演示设计成果，介绍课题的设计思路、关键技术、存在的问题等方面的内容，占总成绩的 $1 5 %$ 。5）实验报告：报告格式规范，内容完整，占总成绩的 $1 5 %$ 。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：以学生为中心，以工程项目为载体，以能力培养为导向，通过完成一个结合工程实际的实验项目，使学生掌握数字系统的基础理论知识和具备相应的实践动手能力，同时注重把与工程实际密切相关的创新意识、自学能力、经济因素、团队合作、总结与表达等非专业因素的综合能力的培养与素质教育贯穿于教学活动中。

实验案例信息表