简易数字频率计设计-现代电子设计课程设计报告

河南科技大学

课程设计说明书

课程名称＿＿现代电子系统课程设计＿＿题目＿＿＿简易数字频率计设计＿＿

学院＿＿＿电子信息工程学院＿＿＿班级＿电子信息科学与技术091班＿学生姓名＿＿＿＿＿李可以＿＿＿＿＿＿指导教师＿＿齐晶晶、张雷鸣＿＿＿日期2012.12.21

课程设计任务书

（指导教师填写）

课程设计名称现代电子系统课程设计学生姓名李可以专业班级电信科091 设计题目简易数字频率计设计

一、课程设计目的

掌握高速AD的使用方法；

掌握频率计的工作原理；

掌握GW48_SOPC实验箱的使用方法；

了解基于FPGA的电子系统的设计方法。

二、设计内容、技术条件和要求

设计一个具有如下功能的简易频率计。

（1）基本要求：

a．被测信号的频率范围为1～20kHz，用4位数码管显示数据，十进制数值显示。

b．被测信号为幅值1～3V的方波、脉冲信号。

c．具有超量程警告（可以用LED灯显示，也可以用蜂鸣器报警）。

d．当测量脉冲信号时，能显示其占空比（精度误差不大于1%）。

（2）发挥部分

a．修改设计，实现自动切换量程。

b．扩宽被测信号能测量正弦波、三角波。

c．其它。

三、时间进度安排

布置课题和讲解：1天查阅资料、设计：4天

实验：3天撰写报告：2天

四、主要参考文献

何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社 2008.1

潘松黄继业《EDA技术实用教程》科学出版社 2006.10

齐晶晶《现代电子系统设计》实验指导书电工电子实验教学中心 2009.8

指导教师签字： 2012年 12月3日

摘要

频率计是数字电路中的一个典型应用，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言。将使整个系统大大简化。提高整体的性能和可靠性。

在本文中，我们设计了一个简易数字频率计。主要分为如下几个部分：

A/D模块：用硬件描述语言写一个状态机，控制ADC0809芯片正常工作，使输入的被测模拟信号经过ADC0809芯片处理，转化为数字信号。

比较整形模块：将A/D转换出来的数字信号通过比较，高于阈值的为1低于阈值的为0从而将八位数字信号转换为脉冲便于频率计算。

频率测量模块：常用的频率测量方法有很多。有计数法和计时法，等精度法等，具体的方案论证将在下面进行。

占空比计算模块：计算脉冲波占空比，具体的方案论证将在下面进行。

选择显示模块：由于只有四位数码管显示，所以用一个二选一选择器，通过一个按键控制四位数码管显示的内容是频率还是占空比。

关键词：数字频率计、模块、占空比、数字信号、测量、阈值

目录

一．任务解析 (3)

二．总体方案与比较论证 (4)

2.1方案选择 (5)

2.2频率测量方法方案论症 (5)

三．系统结构 (8)

3.1 A/D模块设计 (9)

3.2比较整形模块设计 (11)

3.3频率测量模块设计 (12)

3.4占空比计算模块设计 (13)

3.5选择显示模块设计 (15)

四．硬件验证 (16)

五．误差分析 (17)

六．心得体会 (18)

七．参考文献 (18)

八．程序附录 (19)

一．任务解析

本次课程设计的我利用verilog语言设计一个简易数字频率计。频率计主要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值及脉冲的占空比。其扩展功能可以实现自动切换量程，使整形时，以实现扩宽被测信号的幅值范围。

数字频率计的整体系统原理框图如图1，被测信号为外部输入信号，送入测量电路经过数字整形、测量计算、数据锁存和送显。就完成了频率计的基本功能，控制选择用来实现频率的计算频率和计算占空比功能的选择。

图1

二．总体方案与比较论证

数字频率计在具体是现实时，可以采用单片机或者FPGA来实现，具体有如下方案：

方案一：

采用FPGA与单片机为核心来实现，可以利用FPGA来实现在单片机系统中的计数部分。这样可以节省单片机的系统资源，考虑到在下面的相移网络设计中也需要利用单片机和FPGA，但单片机的系统资源相对有限，因此我们建议在这里单片机主要用于控制，而FPGA则可以用来进行计数之类的事情。简单原理图如图2

图2

方案二：

全部利用FPGA来实现，即利用FPGA产生时钟。由于FPGA的工作频率比单片机的高很多，因此可以考虑直接利用FPGA产生信号的高频参考频率，FPGA处理速度快，得到的频率，占空比相对稳定，精度高，容易实现高频测

量。缺点是编程较为复杂，实现控制相对复杂。简单原理图如图3

图3

2.1方案选择：

方案一虽然可行，但是由于在实验室现有的FPGA实验板上无法将单片机运用在系统中，因此不能用。方案二不仅符合此次课程设计的要求，且在实验室的条件下均能实现，所以我们选择方案二作为本次课程设计的方案。

2.2频率测量方法方案论证

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间(秒)内变化的次数。若在一定的时间间隔T内计数，计得某周期性信号的重复变化次数为N，则该信号的频率可表达为：

f = N / T

所以测量频率就要分别知道N和T的值，由此，测量频率的方法一般有三种：测频方法、测周方法和等精度测量。

2.2.1测频方法

这种方法即已知时基信号（频率或周期确定）做门控信号，T为已知量，