频率计数器

一、系统设计

1. 设计的任务与要求

1.1 设计任务：

设计并制作一台闸门时间为1s的数字频率计。

1.2 设计要求

（1）频率和周期的测量：

（a）被测信号为正弦波，频率范围为1Hz到10MHz；（b）给测信号的有效值电压范围为50mV到1V；（c）测量相对误差的绝对值不大于104-。

（2）时间间隔测量功能：

（a）被测信号为方波，频率范围为100Hz到1MHz；（b）给测信号的峰值电压范围为50mV到1V；（c）被测时间间隔的范围为0.1us到100ms；（d）测量相对误差的绝对值不大于102-。

（3）测量数据刷新时间不大于2s，并能自动显示单位。

发挥要求

（1）频率和周期测量的正选信号频率范围为1Hz到100MHz，其他要求同基本要求（1）和（3）。

（2）频率和周期测量时被测正弦信号的最小有效值电压为10mV,其他要求同基本要求（1）和（3）。

（3）增加脉冲信号占空比的测量功能。

2. 总体方案的论证与比较

基于设计数字频率计可以采用三种方法，第一可以通过数字电路实现，由于题目要求精度要到104-，数显的方式无法实现；第二可以通过FPJA可编程器件进行实现，虽然用FPJA设计，比数字电路和stm32更简易，但编程复杂，运算能力欠缺；第三采用stm32开发板进行实现，不管是其精度和运算能力，还运行速度快，选择stm32来设计。制作一台时间为1s的闸门，利用stm32软件编程设计，被测范围为1Hz到10MHz，考虑到精度的要求，低频利用放大电路进行增幅，再通过软件计算输入显示，高频通过分频电路降低测量误差。时间间隔测量通过通道信号的输入给放大整流电路，通过整形后的波形测出Ta-b，被测范围可通过内部时钟频率设定一个时标频率，到时读出。

2.1 放大模电路块

方案一：为了将待测信号整形成能接受的脉冲信号，满足显示，可通过放大器后接一个单门限电压比较器（LM339），这样虽然能完成整形工作，但电路抗干扰能力差,带来数据误差的影响。

方案二：通过AD8009芯片设计的放大电路，在用AD8055把输入为正弦波的信号输出为方波，频率不发生变化。从芯片功能的满足和误差方面考虑，采用方案二。

2.2 频率测试电路模块

方案一：在放大整形电路后，信号频率还存在显示的误差很大，考虑对频率进行晶体振荡器来解决。对于小信号的频率不进行倍频，虽然倍频可以减小测量误差，但对于低频信号误差很小；采用256分频电路通过74HC74把高频信号分频。

方案二：把频率信号经脉冲形成电路后加到闸门电路的输入端，直接通过测试一段时间后，被计数的脉冲的值由十进制计数器进行计数，设计数值为M，则频率 f =M / T。最终选择方案一。

2.3 时间间隔测试电路模块

方案一：利用双通道DDS函数信号发生器，用正常触发方式，把两个信号从两个通道输入，调节合适的触发电平，对提供的两路信号进行测试Ta-b。采用74LS86芯片实现二输入四异或门，对其输出为高电平时对应的时间。

方案二：用单片机实现。把定时器设置为外部引脚输入电平的控制，即用外部中断控制定时器的运行，设置单片机的I/O的中断，在上升延或下降延触发第一次中断时（即第一个脉冲）开始用定时器记时，在第二次中断的时候停止记时，并关闭中断。然后用这个时间减去脉冲的宽度。考虑双通道函数发生器，最终使用的是STM32进行计算显示，故选择方案一。

二、单元硬件电路设计：

系统框图：总流程图：

图 2-1 硬件系统框图图 2-2 设计总流程图

1.放大整形电路

图2-2 放大电路框图

放大部分所用的芯片AD8009，是一款超高速电流反馈型放大器，压摆率达到惊人的5 500 V/μs,上升时间仅为545ps,非常适合用作脉冲放大器，。前级电压增益十倍，后级通过AD8055截止失真得到整形后的方波。

图 2-3 放大整形电路仿真图

2.分频电路

对高频信号进行分频选用的芯片是带置位和复位的上升沿有效双D触发器74HC74，门电路数:2，74HC74是一个高速硅栅CMOS器件，其引脚与低功耗肖特基TTL兼容(输入通道)，该74HC74是双正边沿触发，设定和复位是异步积极投入低并能独立工作的时钟输入。信息输入的数据传送到Q输出的低到高的时钟脉冲过渡，D的投入必须是稳定的一个设定时间之前低到高时钟转换为可预知的操作。通过四片74HC74芯片进行256分频。如下是仿真图。

图 2-4 分频电路仿真图

3.逻辑电路

74ls86是常用的 TTL 2输入端四异或门在数字电路中常用，对应的coms器件是74hc86特点是电源功耗很低。他的电源电压4.75-5.25V，当双通道函数发生器输出信号源时，通过整形电路后给STM32输出时间间隔Ta-b。

图 2-5 时间间隔波形图图 2-6 异或逻辑电路仿真

4.电源电路

电源电路是给放大电路供直流正负5V的电源用的，先通过变压器降压在通过整流，滤波，稳压电路输出。

图 2-7 正负5V 仿真形图图2-8 正负5V电路图

三、软件设计：

设计中proteus ，Multisim，用于还有硬件模块的模拟仿真，STM32用于捕获硬件设备的信号，最终在其显示屏上显示。STM32的程序流程图如下：

四、系统测试与测试结果

1.测试的仪器

函数信号发生器，万用表，STM32M3S开发板，电压表，数字示波器

2.测试结果分析

频率和周期是可以相互转换的，所以测出频率时就可以通过算法转换得到周期。将示波器信号输入信号连接上标准的数字频率计，测出正确的值，在把设计好的数字频率计接上，

进行调试。

调试结果，能测试出1Hz~10MHz的频率信号，测量误差满足要求。

图4-1 调试过程图

表1 频率测量表

表2 时间间隔测量表

五、结论

基于stm32，采用计时器产生四路信号，单通道的参数精度得到保证，软件编程方便计算，方案上在分频部分，采用更高频率的晶体振荡器精度会更高，分频电路也可以采用软件直接读入实现测试。