数字频率计的设计

一：摘要

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法。频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。

二：关键词

周期；频率；数码管，锁存器，计数器，中规模电路，定时器

三：概述

EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件语言为系统逻辑描述的主要方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件设计的电子系统到硬件系统的设计，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。其设计的灵活性使得EDA技术得以快速发展和广泛应用。以QUARTUSII软件为设计平台，采用VHDL语言实现数字频率计的整体设计。

伴随着集成电路（IC）技术的发展，电子设计自动化（EDA）逐渐成为重要的设计手段，已经广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。EDA的一个重要特征就是使用硬件描述语言（HDL）来完成的设计文件，VHDL语言是经IEEE确认的标准硬件语言，在电子设计领域受到了广泛的接受。

四：软件介绍

在本设计中使用的软件有Protel99SE、Quartus II 4.0

4.1 .1Protel的简介

Protel99 SE是Protel公司近几年来致力于Windows平台开发的拳头产品。它能实现电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。今天的Protel99 SE软件已不是单纯的PCB（印刷电路板）设计工具，而是一个系统工具。它覆盖了以PCB为核心的全部物理设计。

4.1.2 Protel99 SE的划分

Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。

4.1.3 Protel99 SE的功能

Protel99 SE软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真

革命性的特点：

（1）互动的电路仿真 :用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路 :可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型

4.2.1Quartus II

Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。

功能

Quartus II提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括：可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；

芯片（电路）平面布局连线编辑；

LogicLock增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块；功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用SignalTap II逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析；支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文

件；能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。

五：电路组成

5.1 时基电路

5.2 放大整形电路

为保证测量精度，在整形电路的输入端加一前置放大器。对幅值较低的被测信号经放

大后再送入整形器整形。如图3.2.2为放大整形电路原理图。

此电路采用晶体管3DG100与74LS00等组成，其中3DG100为放大器，可对周期信号进行放大再传入整形器中对信号进行整形。

5.2.1 译码器模块

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity display is

port(data_in:in std_logic_vector(3 downto 0);

data_out:out std_logic_vector(0 to 3));

end entity display;

architecture one of display is

signal indata:std_logic_vector(3 downto 0);

begin

process(data_in)

begin

indata<=data_in;

case indata is

when"0000"=>data_out<="0000";

when"0001"=>data_out<="0001";

when"0010"=>data_out<="0010";

when"0011"=>data_out<="0011";

when"0100"=>data_out<="0100";

when"0101"=>data_out<="0101";

when"0110"=>data_out<="0110";

when"0111"=>data_out<="0111";

when"1000"=>data_out<="1000";

when"1001"=>data_out<="1001";

when others=>data_out<="1111";

end case;

end process; end one;

5.3 逻辑控制电路

逻辑控制电路的作用主要是控制主控门的开启和关闭，同时也控制整机逻辑关系。

本设计采用74LS123组成逻辑控制电路，先启动脉冲置成1，其余触发器置成0，然后时基电路传入脉冲，控制电路开始工作。被测信号通过闸门进入计数电路，于是计数器译码器同时工作，从而记下所测信号频率值。

当控制电路转为其他状态时，闸门关闭，计数器停止工作，数码管继续显示所测频率