简易数字频率计设计 完整版

河南科技大学

课程设计说明书

课程名称现代电子系统设计题目简易数字频率计设计

学院＿＿电信学院＿＿＿＿＿班级＿＿＿＿＿＿＿

学生姓名____________________

指导教师＿＿＿＿＿＿＿＿＿

日期＿＿2010-01-10＿＿＿＿＿＿

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刘轮辉专业班级电信科071 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。

b．测量结果直接用十进制数值显示。

c．被测信号可以是正弦波、三角波、方波，幅值1～3V不等。

d．具有超量程警告（可以用LED灯显示，也可以用蜂鸣器报警）。

e．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．构思方案，使整形时，以实现扩宽被测信号的幅值范围。

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

指导教师签字：2009年12月14日

目录

一、摘要 (4)

二、系统方案论证 (4)

2.1频率测量方案 (5)

三、数字频率频率计的基本原理 (6)

四、各个模块设计 (7)

4、1 A/D模数转换模块 (8)

4、2 比较模块 (9)

4、3 频率和占空比测量模块 (10)

五、各个模块仿真波形 (12)

六、心得体会 (14)

七、参考文献 (15)

附录一 (16)

附录二 (22)

一.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。设计所要达到的效果，同时此设计具有抗干扰性强、易于传输 ,较高的测量精度等特点。数字频率计是一种基础测量仪器，在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计,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，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量,测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。

关键词：频率计、仪器、频率、精度、脉冲个数

二.系统方案论证

由于本课程设计是基于特定的硬件平台，在GW48-SOPC实验开发系统上进行实现对被测信号通过AD进行转换，把转换的结果和给定的阈值进行比较，产生相应的脉冲信号。得到脉冲信号之后，先进行频率测量，给定1S的基准信号，在1S信号内对脉冲信号进行计数，计数的方式采用BCD码，然后把计数结果直接送数码管显示，对应的就是十进制的数值。为了实现占空比精度的要求，在适当的范围内竟可能提高基准信号的频率。通过一个led灯来表示相应的单位。然后对脉冲信号进行占空比测量，给定一个高频的基准信号，在脉冲信号的高电平期间对脉冲信号进行计数，把计数结果进行相应的运算，运算结果直接送数码管显示，对应的也是十进制显示。对于报警信号，我设计的方案是接数码管显示，频率超过3khz时就会发出警告，数码管指示灯全部变为0。

下面是简单的系统原理框图：

系统原理框图

2.1频率的测量

对于频率的测量没有现成的硬件模块，因此对于频率的测量需要我们用VHDL 语言进行实现。对于频率的测量主要考虑有两种实现方案。

方案一：

直接测频法

测频法就是在确定的闸门时间Tw 内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）Nx ，则被测信号的频率为：fx=Nx/Tw 。

TW

NX

闸门信号

被测信号

测量的过程如图所示，在TW 时间内通过计数器记录被测信号脉冲的个数，然后把记录结果锁存，经过运算后，送数码管显示，即为所测频率。， 方案二： 测周期法

测周期法需要有标准信号的频率fs ，这个标准信号应该取一个频率适中的高频信号，在待测信号的一个周期Tx 内，记录标准频率的周期数Ns ，则被测信号的频率为：fx=fs/Ns 。

被测信号

标准信号

TX

NS

测量测周期法的过程如上图所示，在待测信号的一个周期Tx 内，记录标准信号周期的个数，然后把记录结果锁存，经过运算后，送数码管显示，即为所测频率。，

比较一二两种方案：

这两种测频率的原理基本一样，都是通过在给定的时间内记录脉冲的个数，经过一定的运算处理，得出结果显示出来。并且这两种方案的计数值都会产生误差，都与计数器中记录的数值Nx 或Ns 有关。但是考虑到用VHDL 语言编写乘除的算法比较困难，并且经过乘除运算后所得结果的误差较大，因此选用方案一。

方案一得好处是闸门信号直接可以选择1S 的时钟信号，在这1S 时间内记录的被测信号脉冲的个数，正好就是被测信号的频率，不再需要进行运算处理。不但减少编程的难度，而且也减小了实验的误差。因为侧周期法的标准信号是一个高频信号，在不同的被测信号的脉冲下所造成的误差有很大的不同。而在1S 闸门信号下，记录的脉冲个数，对于所有被测信号的产生的误差基本是一样。考虑到以上的各因素，我认为方案一是比较理想的选择。

三.数字频率频率计的基本原理

（1） 数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电