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。

参考文献：[1] 王秀杰，模拟电路集成运用[M]，西北大学出版社，1994.[2] J.D林肯，电子电路中设计手册[M]，科学普及出版社，1981[3] 杨素行,模拟电子技术基础[M]，高等教育出版社，2005：212-220[4] 王武江，陈树凯，常用电路速查手册[M]，冶金工业出版社，2004 105-110[5] 郭培源，电子电路级及子电器[M]，高等教育出版社，200,4：65-69[6] 潭浩强,《C语言程序设计》[M],清华大学出版社[7] 大学生电子设计网httpz://[8] 中国电子元件查询网httpz://[9] 卢毅，赖杰，数字电路设计[M],北京：科学出版社，2001.[10] 刘凯，基于STM32开发板库函数运用实现软件对频率的捕获和显示灯.[11] 徐自图，电子电路原理分析与仿真[M],西安电子工业出版社.[12] Alan,信号与系统[M]西安:西安交通大学出版社，1997.[13]Jacob Millman and Arvin Grabel .Microelectronics.2ed .NewYork:Mcgraw-Hill book ompany,1987[14]Heider, E.R.& D.C.Oliver.The structure of color spacei n naminga n d memory of t w o languages [J]. Foreign Language Teaching and Research, 1999, (3): 62 67.[15] Allan R.Hambley.Electron.2 ed .Prentice Hall Inc .2000附录：附录1 主要元器件清单附录3 电路原理图及印制板图图3-1 电路原理图图3-1 pcb仿真图附录4 程序清单/******************************信号捕获部分****************************/void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3中断{if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //检查指定的TIM中断发生与否:TIM 中断源{TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); //清除TIMx的中断待处理位:TIM 中断源LED1=!LED1;}}//PWM输出初始化//arr：自动重装值//psc：时钟预分频数/*void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);//使能GPIO外设和AFIO复用功能模块时钟使能GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); //Timer3部分重映射TIM3_CH2->PB5 //用于TIM3的CH2输出的PWM通过该LED显示//设置该引脚为复用输出功能,输出TIM3 CH2的PWM脉冲波形GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7,Bit_SET); // PA7上拉TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 80KTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值不分频TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMxTIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); //使能TIMx在CCR2上的预装载寄存器TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIMx外设}*///定时器5通道1输入捕获配置TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;void TIM5_Cap_Init(u16 arr,u16 psc){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE); //使能TIM5时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能GPIOA时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //PA0 清除之前设置GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //PA0 输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0); //PA0 下拉//初始化定时器5 TIM5TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //预分频器TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位//初始化TIM5输入捕获参数TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01 选择输入端IC1映射到TI1上TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕获TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置输入分频,不分频TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置输入滤波器不滤波TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);//中断分组初始化NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn; //TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级2级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //从优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE);//允许更新中断,允许CC1IE捕获中断TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定时器5}u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值//定时器5中断服务程序void TIM5_IRQHandler(void){if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获{if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET){if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了{if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了{TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;}else TIM5CH1_CAPTURE_STA++;}}if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕获1发生捕获事件{if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) //捕获到一个下降沿{TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获到一次上升沿TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); //CC1P=0 设置为上升沿捕获//j=j+1;}else //还未开始,第一次捕获上升沿{TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //清空TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;TIM_SetCounter(TIM5,0);TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; //标记捕获到了上升沿TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling);//CC1P=1 设置为下降沿捕获}}}TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位}/******************************显示部分********************************/ printf("HIGH:%lf us ",temp2);//打印总的高点平时间printf("HEHIGH:%lf us ",hetemp);printf("W:%d ", w);printf("GAOWEI:%d ", gaowei);printf("REQ:%lf HZ \r\n ",REQ2);printf("KEYO:%d",KEY0);以上部分为电脑窗口调试显示LCD_ShowString(35,50,200,16,16," ELC design contest");sprintf((char*)stm_req,"Frequency:%lf HZ",REQ2);LCD_ShowString(40,200,200,16,16,stm_req);sprintf((char*)stm_temple,"Frequency:%lf us",temp);LCD_ShowString(40,190,200,16,16,stm_temple);以上部分为STM32屏幕显示部分/******************************主函数部分******************************/。