数字频率计2015.
数字频率计(单片机)
.1 前言随着电子技术的不断发展，各种电子产品也层出不穷，种类繁多。
但是每一种产品开发时都应该少不了对信号的检测，而检测信号的频率也是其中重要指标之一。
本设计设计的目的就是要设计出一种高效，高精度，价格便宜符合广大群众要求的数字频率计。
本设计主要由波形整形电路，单片机电路，量程指示及数字显示电路三大部分组成。
测量对象可以是方波，正弦波，三角波。
本设计以单片机位核心，单片机可以快速，精确地测出信号的频率，并且可以用直观的数字显示出来。
用单片机制作的数字频率计所需要的硬件要求比较简单，维修方便。
利用单片机的软件部分可以实现测量不同频率范围，本设计的测量范围为1HZ-10KHZ，10KHZ-100KHZ,100KHZ-1MHZ三个量程。
该电路还可以通过编程达到自动调节测量信号的量程，该电路软家调试简单，实用性高，价格低廉！本设计使用了美国ATMEL公司生产的AT89S51，AT89S51是低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。
2 总体方案设计2.1方案比较方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。
其原理框图如图2.1所示：图2.1 方案一原理框图方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。
其原理框图如图2.2所示：图2.2 方案二原理框图逻辑控制电路时基电路放大整形电路闸门电路计数器锁存器译码显示器信号放大电路信号整形单片机AT89S51 电路数字显示 电路2.2 方案论证方案一：本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。
第7章数字频率计课件PPT
由于门控信号是由晶振分频得到的，与晶 振的频率稳定度直接相关。考虑到门控信 号宽度 T=kfTs，Ts=1/f，则上式可改写为
f x 1 f s 1 f s fx N fs Tf x fs
通常，要求标准频率的准确度比量化误差 的影响小一个数量级。因此，晶振频率准 确度的影响可以忽略掉，即
输入特性
输入耦合方式 有AC和DC两种方式，在低频和 脉冲信号计数时宜采用DC耦合方式。 输入灵敏度 指在仪器正常工作时输入的最小 电压，如通用电子计数器，A输入通道的灵敏 度一般为10～100mV。 最高输入电压 指仪器所能允许输入的最大电 压。超过最高输入电压后仪器不能正常工作， 甚至会损坏。 输入阻抗 包括输入电阻和输入电容。A输入通 道分为高阻(1MΩ／25pF)和低阻(50Ω)两种。
输出 仪器可输出的时标信号种类、输出数码的编 码方式及输出电平。
时基信号产生与变换单元
晶体振荡器产生 1 MHz的时间基 准信号，经分频、 倍频，形成从10 MHz到0.1 Hz以 10为系列递降的 一系列不同频率 的机内标准时间 信号。
时基电路示意图
7.3 电子计数器的测量原理
电子计数器测量原理图示
N N fx T k f Ts
T是门控时间（闸门时间），门控信号由晶振分频而来 Kf是分频器的分频系数； fs、Ts分别为晶振的频率和周期。
7.3.2 量化误差
将模拟量转换为数字量（量化） 时所产生的误差叫量化误差， 也叫1误差或1个字误差。它是 数字化仪器所特有的误差。电 子计数器测频率或时间，实质 上是一个量化过程。量化误差 是由于门控信号起始时间与被 测脉冲列之间相位关系的随机 性而引起的。量化的最小单位 是数码的一个字，即量化的结 果只能取整数，其尾数或者被 抹去，或者凑整为1，因此计数 值也必然是整数。
2015全国大学生电子设计大赛F题一等奖--数字频率计
2.
2.1.
本设计的宽带通道放大器如图2所示，是一个自动增益控制模块。 压控放大器VCA810依靠反馈得到的控制电压控制放大倍数；高速比较器
AD8561比较的是VCA810输出信号和预设电压，使用二极管和RC对比较器的 输出信号进行检波；TL082将检波得到的电压转换至VCA810的控制电压范围内，使得VCA810能够正常工作；OPA690起着二级放大与级联缓冲的作用。具 体电路连接如图3所示。
0.03
726
29.97
34
0.088
667
49.98
902
0.02
196
70.00
331
0.004
731
89.9
987
0.001
444
5MH
z
10.00
41
0.04
1
30.02
6
0.086
667
50.08
29
0.16
58
70.23
478
0.335
404
90.0
235
0.026
111
4.3.
1、频率测量时，在1Hz-100MHz时，最低测量有效值Vrms可降低为5mV；
（2）测量结果
表4占空比测量数据表
设
定 占 空 比
10%
30%
50%
70%
90%
频 率
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
2015年全国大学生电子设计竞数字频率计(F题)张佳鹏 宋岩 谭贻凯
2015年全国大学生电子设计竞赛数字频率计（F题）2015年8月15日数字频率计（F题）大连东软信息学院参赛队员：张佳鹏宋岩谭贻凯摘要：本频率计由OPA656和LM319运放芯片搭建放大和比较器电路，使50mV-1V的正弦波信号放大整形成单片机能够识别的TTL电平信号，并由STM32F407MCU为主控芯片，通过捕获信号的上升沿来对信号进行频率统计，并通过中断计数的方式对两路经放大后的方波的时间间隔进行测量，统计结果通过OLED液晶屏进行显示，并能通过I/O口电平的输入选择频率测量和时间间隔的测量。
关键词:频率时间间隔信号放大宽频运算放大器高速比较器。
目录数字频率计（F题） (I)大连东软信息学院参赛队员：张佳鹏宋岩谭贻凯 (I)摘要： (I)关键词: (I)1系统方案 (3)1.1 运算放大器的论证与选择 (3)1.2 正弦波测量方法的论证与选择 (3)1.3 提高仪器灵敏度的论证与选择 (4)2 系统原理分析 (4)2.1 OPA656 运算放大器原理 (4)2.2 LM319 比较器原理 (5)3电路与程序设计 (5)3.1 电路设计 (5)3.1.1 系统设计 (6)3.2 程序设计 (6)4 测试方案和测试结果 (7)4.1测试方法 (7)4.2 测试结果 (8)4.3 结果分析 (9)参考文献 (9)附录 (9)数字频率计（F题）【本科组】1系统方案本系统主要由电源模块、运算放大模块、比较器模块、控制显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 运算放大器的论证与选择方案一：LM358LM358是双运算放大器。
内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358最小识别电压变化为2mV，运放宽度为1Hz~1.1MHz，与本题的50mV~1V 的1Hz~10MHz的信号不符，故不可用。
2015年全国大学生电子设计竞赛-F题(数字频率计)-全国一等奖-电子科技大学
| N s | 。题目中极限情况下要 Ns
-3-
求在 5MHz 、10%占空比时 达到 0.01。因此，由
| N s | 0.01 ，可求得 Ns
Ns 100 。为在 20ns 时间内计数值大于 100，时基脉冲频率需大于 5GHz。可通
图 1 系统框图
单片 机
人机 界面
二、理论分析与计算
2.1 宽带通道放大器设计 按题目的要求， 被测正弦波信号有效值范围需要为 10mVrms 至 1Vrms,频率范 围为 1Hz 到 100MHz。一般考虑用放大器进行放大，再使用门电路整形。假设门 电路输入电压超过 2V 就被识别逻辑 1 电平，则对于小信号，要使放大后能够触 发逻辑门或者缓冲器进行缓冲整形，所需放大器增益为：
dt 100% 。
| D0 D | 100% 。 D0
4.2.4 数据刷新时间测量 在本系统中单片机提供预设的闸门时间为 1.2s，实际的闸门时间约为 1.4s， 数据在单片机中处理并送去显示所需要的时间约为几 ms,总刷新时间不会超过
-6-
1.5s。 理论上 1Hz 的信号所需要的刷新时间是最多的，故在 1Hz 频率的情况下，通 过秒表测量信号的刷新时间。 4.3 测试结果及分析 4.3.1 频率和周期测量 测量数据如下表 2 所示：
图 6 系统流程图
图 7 FPGA 和单片机连接框图
-5-
四、测试方案与测试结果
4.1 测试仪器 根据题目要求，所需要的测试仪器如下表 1：
表 1 测量仪器表
序号 1 4.2 测试方案
仪器名称 双通道函数信号发生器
型号 DG4162
指标 0～160MHz
数字频率计,频谱测量
研究背景：毕业设计题目《频率域的仿真测量仪器设计》，要实现的功能包括频率测量和数字频率计。
数字频率计：数字频率计即DFM-Dijital Frequency Meter,也称为数字频率表或电子计数器，它不仅是电子测量和仪器仪表专业领域中测量频率与周期，测量频率比和进行计算的重要仪器，而且要比示波器测量频率更加方便和经济，特别是现在电子计数器产品也组件和具有多种测量功能的数字式频率计，已近广泛应用于计算机系统，通讯广播设备，生产过程自动化测控装置，带有LED,LCD数字显示单元的多种仪器仪表以及诸多的科学技术领域。
随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，EDA技术是现代电子设计技术的核心，它应用工具软件上完成逻辑编译，逻辑化简。
逻辑优化，以及仿真测试等设计，以实现既定的硬件系统功能，EDA技术使设计者的产品开发周期大大缩短，产品的性价比提高，从而在电子设计领域越来越广泛的应用。
在电子信息技术的今天，对电信号的测量精度要求越来越高，大部分频率计采用普通门电路或者可编程逻辑器件作为信号处理系统的控制核心，存在结构复杂，稳定性差，精度不高的弊端，在大量的产品开发，研制和电子仪表生产与试验工作中，多是需要自行设计测频与计数电路的组件单元，有时不必购置上述贵重的专用测频计数仪器。
数字频率计时一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史，早期，设计师们追求的目标主要是扩张测量范围，再加上提高测量精度，稳定度等，这些也是人们衡量数字频率的技术水平，决定数字频率计价格的高低的主要依据，目前这些基本技术日趋完善，成熟，应用现代技术可以轻松的将数字频率计的测量上限扩展到微波频段。
随着科学技术的发展，用户对数字频率计也提出了新的要求。
对于低档产品要求使用操作方便，量程足够宽，可靠性高，价格低，面对与中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率，除通常通用频率计所使用的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能，这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到了尽头。
数字频率计
一、总体设计思想1.基本原理数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，是测量周期信号的频率的。
我们这里要求的是对峰峰值3～5V的方波进行测频。
说到原理，我们应该从什么是频率说起。
所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1秒) 内变化的次数。
但是我们既然用到数字测频器，并且用LED显示出来，最好是起到简便的作用，因此如果我们能在给定的单位时间（例如1秒）或其他时间内对信号波形计数，并将计数结果用LED显示出来，就能知道被测信号的频率。
因此，可以将时钟信号先经过分频器把信号的时间脉冲调整成单位时间脉冲，也就是标准秒信号。
这样方便与下面的控制与测频。
然后把被测信号以及刚刚获得的标准秒信号都经过控制电路，设置控制电路的目的是检测是否这两个脉冲信号能否成功送入计数器计数。
而计数器的作用是对输入脉冲计数。
这样我们就有时间脉冲的记录，然后在经过数据锁存器，设置数据锁存器的目的是为了锁定刚刚计数器所记录下来的结果，这样才会有稳定的输出，否则将会造成计数器的结果丢失。
紧接着连接一个显示译码器主要是把信号通过译码器转换成为显示器能够识别的码制，最后则是通过LED显示我们的最终结果。
2.设计框图根据这次课程设计的要求：设计一个数字频率计，测量频率范围：1～100kHz。
频率的LED数字显示。
测量信号方波峰峰值3～5V。
我设计了如下的总体设计框图。
主要是针对我的设计的基本原理也就是先将时钟信号先经过分频器，再把被测信号以及刚刚获得的标准秒信号都经过控制电路，接着是计数器，然后是数据锁存器，数据译码器，最后是LED 显示器。
二、设计步骤和调试过程 1、总体设计电路这次课程设计的要求是设计一个数字频率计，测量频率范围：1～100kHz 。
频率的LED 数字显示。
测量信号方波峰峰值3～5V 。
所以我先将时钟信号先经过分频器把信号的时间脉冲调整成单位时间脉冲，也就是标准秒信号。
这样方便与下面的控制与测频。
然后把被测信号以及刚刚获得的标准秒信号都经过控制电路，设置控制电路的目的是被测信号计数检测是否这两个脉冲信号能否成功送入计数器计数。
数字频率计
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，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。
本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简单的数字频率计的过程。
关键词：频率，信号，单片机AbstractIn electronic technology,the frequency is the most basic one of the parameters,andwith a number of electrical parameters of the measurement program,measurement more important,There are several ways of mesuring frequency,in which electronic counter the frequency with high precision,easy to use ,quick measurements,and is easy to realize the advatages of automaion of measurement process is an important means of frequency measurement.Electronic Counter Frequency Measurement There are two ways:First,the directfrequency measurement method,thatis,the gate in a certain period of time measured the number of measured signal pulse;2is indirect frequency measurement method,such as cycle frequency measurement method.Direct frequency measurement method for high-frequency signals offrequency measurement,indirect frequency measurement method for low-frequency signald of frequency measurement.In this paper,based on a commom integrated circuit design of a simple digital frequency meter process.Key words:frequency,signal,period目录一、引言 (4)1.1数字频率计概述 (4)1.2问题提出 (4)二、设计思想及要求 (4)2.1 设计思想 (4)2.2 设计要求 (4)三、硬件设计 (5)3.1 整形电路 (5)3.2 计数显示电路 (8)3.3 总体方案图 (9)四章、算法设计 (10)4.1 设计原理 (10)4.2系统流程图 (10)结束语 (11)个人心得 (12)参考文献 (13)元件清单 (15)系统的设计程序 (16)系统仿真图 (18)一、引言1.1数字频率计概述数字频率计是计算机，通讯设备，音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
数字频率计
摘要在电子技术中, 频率是最基本的参数之一, 在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。
在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。
在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，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，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, 频率是反映信号特性的基本参量之一,频率测量在应用电子技术领域有着重要的地位。
测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。
本文数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。
如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。
因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。
数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。
本次设计选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易七位数显频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、放大、整形、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。
放大整型电路：对被测信号进行预处理；闸门电路：读取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，记录单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数码管上显示出来。
文中首先对七位数显频率计的整体设计方案进行了分析和论证，并对用Protel99se软件画原理图及PCB图的制作了具体介绍。
关键词：频率，集成电路，Protel99se软件IAbstractIn electronic technology, the frequency is one of the most basic parameters, in digital circuits, digital frequency meter are sequential circuit, it has a memory function by the composition of the flip-flop. In the computer and various digital instruments, they are widely used. CMOS products in the circuit, the digital frequency meter is the amount of the largest varieties of many products, computers, communications equipment, audio, video and other essential areas of research and production of measuring instruments, and with a number of electrical parameters of the measurement program, the measurement results are very closely related to the frequency characteristics of reflected signals, one of the basic parameters, This article is a digital frequency meter with digital display of the equipment under test signal frequency, the measured signal can be sine wave, square wave or other periodic signal change. Such as with the appropriate sensors, can test a wide range of physical quantities, such as the frequency of mechanical vibration, speed, sound frequency, as well as piece-rate products and so on.The design of the main choice of integrated chips as the core devices, we designed a simple digital frequency meter 7 to flip-flop and counters at the core, by the signal input, amplification, shaping, counting, data processing and data display function module group into. Cosmetic surgery to enlarge the circuit: The pre-processing of measured signals; gate circuit: read per unit time the number of pulses into the counter; time base signal: 1 seconds generated signal; Counter Decoder: Decoding count on a single chip integrated , recording the number of pulses per unit time,Count the results of the decimal counter to BCD code; show: the BCD code decoding in the digital tube display. Protel99se use of schematic and PCB drawing maps for the details.Keywords: Frequency, Intergrated circuit, software Protel99II目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第一章引言 (1)1.1课题的目的及意义 (1)1.2国内外发展现状及研究概况 (1)1.3设计的主要技术指标与参数 (2)1.4设计的主要内容 (2)第二章方案的比较与论证 (3)2.1测量方法分析 (3)2.2误差分析 (4)2.3方案的选择与确立 (5)第三章总体电路设计 (6)3.1电路的组成及工作原理 (6)3.1.1电路的组成 (6)3.1.2频率计的工作原理 (6)3.2原理方框图 (8)3.3电路工作各部分原理 (9)3.3.1计数显示电路 (9)3.3.2放大分频整形电路 (10)3.3.3秒脉冲发生电路和控制电路 (11)3.3.4 测晶振电路 (13)3.3.5电源供电电路 (14)3.4整体电路原理图 (15)第四章各部分芯片介绍 (16)4.1MC14543的介绍 (16)4.2 MC14553的介绍 (18)III4.3 HCF4033的介绍 (20)4.4 CD4060的介绍 (21)4.5 CD4017的介绍 (22)4.6 AD829的介绍 (24)第五章Protel99SE的介绍 (26)5.1 Prote l的发展 (26)5.2 Protel99SE的简介 (26)5.3原理图设计步骤 (27)5.4 PCB板图的设计 (28)5.5 PCB版图 (31)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)附录原件明细表 (35)IV第一章引言1.1课题的目的及意义数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，是一些科研生产领域不可缺少的测量仪器，被测信号可以是正弦波，方波，三角波或其它周期性变化的信号。
什么是数字频率计它在测量仪器中的应用有哪些
什么是数字频率计它在测量仪器中的应用有哪些数字频率计是一种用于测量信号频率的仪器，它可以精确地测量各种周期性信号的频率，并且在不同领域有广泛的应用。
本文将介绍数字频率计的原理和测量方法，并探讨它在不同测量仪器中的应用。
一、数字频率计的原理数字频率计是基于现代计算机和数字信号处理技术的一种测量仪器。
它通过对输入信号进行数字化处理，获得信号的周期或脉冲宽度，并由此计算出信号的频率。
数字频率计的工作原理可以简化为以下几个步骤：首先，将输入信号通过模数转换器（ADC）转换成数字信号；然后，通过计数器对数字信号进行计数，以获得信号的周期或脉冲宽度；最后，根据信号的周期或脉冲宽度计算出信号的频率，并显示在数字频率计的显示屏上。
二、数字频率计的测量方法数字频率计可以使用不同的测量方法获得准确的频率值，其中常见的方法包括时间测量法、周期测量法和脉冲宽度测量法。
1. 时间测量法时间测量法是最常用的数字频率计测量方法之一。
它通过测量信号周期内的时间来计算频率。
该方法适用于周期性信号，如正弦波、方波等。
时间测量法的基本原理是：首先，将输入信号信号与参考时间间隔进行比较，以判断信号周期的整数倍；然后，使用高精度时钟计数器测量信号周期内的时间，最后根据测得的时间计算出信号的频率。
2. 周期测量法周期测量法适用于脉冲信号或周期性信号。
它通过测量脉冲宽度或信号的占空比来计算频率。
周期测量法的基本原理是：首先，测量脉冲信号或周期性信号的周期或脉冲宽度；然后，根据测得的周期或脉冲宽度计算信号的频率。
3. 脉冲宽度测量法脉冲宽度测量法适用于脉冲信号。
它通过测量脉冲信号的宽度来计算频率。
脉冲宽度测量的基本原理是：首先，检测脉冲信号的上升沿和下降沿；然后，测量脉冲信号上升沿和下降沿之间的时间差，即脉冲信号的宽度；最后，根据脉冲信号的宽度计算信号的频率。
三、数字频率计在测量仪器中的应用数字频率计在各个领域的测量仪器中有广泛的应用，下面将介绍几个主要的应用领域。
2015年全国大学生电子设计竞赛题目数字频率计(F题)
2015年全国大学生电子设计竞赛试题参赛注意事项（1）8月12日8:00竞赛正式开始。
本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。
（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。
（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。
（4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。
（5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。
数字频率计（F题）【本科组】一、任务设计并制作一台闸门时间为1s的数字频率计。
二、要求1．基本要求(1) 频率和周期测量功能a．被测信号为正弦波，频率范围为1Hz～10MHz；b．被测信号有效值电压范围为50mV～1V；c．测量相对误差的绝对值不大于10-4。
(2) 时间间隔测量功能a．被测信号为方波，频率范围为100Hz～1MHz；b．被测信号峰峰值电压范围为50mV～1V；c．被测时间间隔的范围为0.1μs～100ms；d．测量相对误差的绝对值不大于10-2。
(3) 测量数据刷新时间不大于2s，测量结果稳定，并能自动显示单位。
2．发挥部分(1) 频率和周期测量的正弦信号频率范围为1Hz～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，要求：a．被测信号为矩形波，频率范围为1Hz～5MHz；b．被测信号峰峰值电压范围为50mV～1V；c．被测脉冲信号占空比的范围为10%～90%；d．显示的分辨率为0.1%，测量相对误差的绝对值不大于10-2。
(4) 其他（例如，进一步降低被测信号电压的幅度等）。
数字频率计
数字频率计(51单片机)(总21页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--自动化与电子工程学院单片机课程设计报告课程名称：单片机原理与应用学院：自动化与电子工程院专业班级：学生姓名：完成时间：报告成绩：评阅意见：评阅教师日期目录第1章数字频率计概述 (1)数字频率计概述 0数字频率计的基本原理 0单脉冲测量原理 (1)第2章课程设计方案设计 (1)系统方案的总体论述 (1)系统硬件的总体设计 (2)处理方法 (2)第3章硬件设计 (3)单片机最小系统 (3)第4章软件设计 (4)系统的软件流程图 (4)程序清单 (6)第5章课程设计总结 (6)参考文献 (7)附录Ⅰ仿真截图 (8)附录Ⅱ程序清单 (14)第1章数字频率计概述数字频率计概述数字频率计又称为数字频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，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。
它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。
它的基本功能是测量方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用6个数码管显示6位十进制数。
测量范围从10Hz—，精度为1%，用单片机实现自动测量功能。
基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。
它以测量频率的方法对方波的频率进行自动的测量。
数字频率计的基本原理数字频率计最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N 时，则被测信号的频率f=N/T（如图所示）。
图频率测量原理频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值就是信号频率。
用单片机设计频率计通常采用的办法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数；好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。
缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的AT89C51单片机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。
数字频率计讲解
2015年全国大学生电子设计竞赛数字频率计（F题）2015年8月15日摘要本题设计并制作一台闸门时间为 1s 的数字频率计，以ST公司的STM32F407芯片为核心，外加放大整形电路、有效值测量电路和显示模块。
对被测信号进行放大和整形后输入到主控芯片中，与传统单片机相比，STM32F407的主频和定时器的频率可以通过PLL倍频到高达72MHZ，因此可实现对被测信号频率、周期等的精确测量。
STM32F407触发捕捉实现高速高精度测频，实现频率范围为1Hz100MHz的测量，通过整流、有效值测量芯片，实现50mV1V有效值电压的测量。
对输入信号测量的结果用显示模块显示。
经测试，该系统整体性能良好，实现了本题的基本要求。
关键词：频率计；STM32F407；比较/捕获；有效值测量目录一、系统方案 (1)1、测频方法的论证与选择 (1)2、时间间隔测量方法的论证与选择 (1)3、控制系统的论证与选择 (1)二、系统理论分析与计算 (2)1 、频率测量原理分析 (2)2、时间间隔测量原理分析 (3)3 、宽带通道放大器原理分析 (3)4、正弦波有效值测量原理 (3)5、脉冲信号占空比测量方法分析 (4)6、提高仪器灵敏度的措施 (5)三、电路与程序设计 (5)1、电路的设计 (5)（1）放大整形电路设计 (5)（2）STM32F407最小系统电路设计 (6)2、程序的设计 (6)（1）程序功能描述与设计思路 (6)（2）程序流程图 (6)四、测试方案与测试结果 (7)1、测试方案 (7)2、测试条件与仪器 (8)3、测试结果及分析 (8)（1）测试结果(数据) (8)（2）测试分析与结论 (8)五、总结 (8)六、参考文献 (9)附录1： (10)附录2：部分源程序 (12)数字频率计（F题）【本科组】一、系统方案本系统主要由信号放大整形电路、有效值测量电路和STM32F407主控模块、显示模块等组成。
1、测频方法的论证与选择方案一：直接测频法。
2015全国点赛 F题数字频率计 NJ206
法具有以上 种方法的优点，当它通过测量被测信号整数个周期的计数次数，然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频，提高了测量精度。
闸门时间为 秒，同时被测信号作为时钟通过触发器，生成的新闸门时间通过计数器产生 。另一方面， 固定时钟经过多次锁相延时和计数器取平均值产生 。
频率的计算公式为
其中F为经过一次锁相环的 时钟。同时，因为
,所以只要在后期运算时将 乘以 便可以实现将周期在单片机上的液晶屏上以 显示。
4.单片机
程序功能描述：根据题目要求软件部分主要实现按键选择功能和测量数据并显示。
此外还加入了高频计数模块，来对高频 波形进行计数。
2.FPGA模块方案论证与选择
数字频率测量方法有 法， 法和 法。
法是在给定的闸门时间内，测量被测信号的脉冲个数再进行换算得出被测信号的频率，其测量精度取决于闸门时问的准确度和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。由于本题要求了闸门时间为 ，所以这种方法显然不合适。
Designa high precision digital frequency meter.Forsine wave frequency and period measurement, rangefrom1Hz to100MHz,precision ;Forsquare wavetime intervalmeasurement, frequencyrangefrom1Hz to100MHz,precision ;Forduty cyclemeasurement,precision .Allinput signals’ Vpp are5mV to 1V.
数字频率计
1前言随着科学技术与计算机应用的不断发展，以单片机作为核心的测量控制系统层出不穷。
在被测信号中，较多的是以模拟和数字开关信号。
此外还经常遇到以频率为参数的测量信号。
例如流量，转速晶体压力传感以及参变量－频率转换后的信号等等。
对于这些以频率为参数的被测信号通常采用测频法，测频率的测量在生产和科研部门中经常使用，也是一些大型系统实时检测的重要组成部分。
数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。
它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。
经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。
因此数字频率计在测量物理量方面应用广泛。
数字式频率计基于时间或频率的A/D转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种新型的数字测量仪器。
由于数字电路的飞速发展，所以，数字频率计的发展也很快。
通常能对频率和时间两种以上的功能数字化测量仪器，称为数字式频率计(通用计数器或数字式技术器)。
本设计以ICM7216D大规模集成电路为核心，将被测频率信号送入设计电路，利用它内部的各种功能完成频率的测量。
并采用动态扫描的方法通过6位数码管显示出相应的频率数值。
大规模集成电路测量的频率精度高，速度快，并且设计简单方便，较一般逻辑电路所构成的数字频率计要精简的多，同时还具有时间显示功能，为各种生活工作提供了方便。
2总体方案设计方案一：采用了八块CD4000系列CMOS数字集成电路块。
整机主要由输入电路，秒基准电路，锁存信号及清零脉冲发生电路、计数及显示电路以及电源部分等组成。
输入电路应该根据被测脉冲的具体条件来决定。
被测脉冲可以有很多类型。
常见的有三角波、正弦波、矩形波等等。
每种渡又都可有正向型、交流型、及负向型之分。
图2.2 方案一的方框图方案二：用ICM7216D大规模集成电路，它把计数，锁存，译码，位和段驱动，量程及小数点选择等电路集中起来。
数字频率计
数字频率计数字频率计是采纳数字电路制做成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。
频率计重要用于测量正弦波、矩形波、三角波和尖脉冲等周期信号的频率值。
其扩展功能可以测量信号的周期和脉冲宽度。
通常说的，数字频率计是指电子计数式频率计。
目录优点用途重要构成基本原理优点用途在电子技术领域，频率是一个最基本的参数。
数字频率计作为一种最基本的测量仪器以其测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点被广泛应用。
很多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度等通过传感器转换成信号频率，可用数字频率计来测量。
尤其是将数字频率计与微处理器相结合，可实现测量仪器的多功能化、程控化和智能化.随着现代科技的进展，基于数字式频率计构成的各种测量仪器、掌控设备、实时监测系统已应用到国际民生的各个方面。
重要构成频率计重要由四个部分构成：输入电路、时基（T）电路、计数显示电路以及掌控电路。
输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。
当输入信号电压幅度较小时，若前级输入衰减为零时不能驱动后面的整形电路，则调整输入放大的增益，被测信号得以放大。
时基和闸门电路：闸门电路是掌控计数器计数的标按时间信号，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器的个数就是由闸门信号决议的，闸门信号的精度很大程度上决议了频率计的频率测测量精度。
当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。
时基信号可由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基按时间。
被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号。
计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。
数字频率计
二 、数字频率计的设计实例（一）、.频率计测量的工作原理数字频率计是用于测量信号频率的电路。
测量信号的频率参数是最常用的测量方法之一。
实现频率测量的方法较多，在此我们主要介绍三种常用的方法：时间门限测量法、标准频率比较测量法、等精度测量法。
（1） 时间门限测量法在一定的时间门限T 内，如果测得输入信号的脉冲数为N,设待测信号的频率为f x ，则该信号的频率为 TNf x =改变时间T ，则可改变测量频率范围。
此方法的原理框图如图2-1所示，时序波形图如图2-2所示。
用时间门限测量方法测量时，电路实现起来较容易，但对产生的时间门限要求精度较高，测量的时间误差最大是正负一个待测信号周期，即x f /1t ±=∆。
图2-1 测频原理图图2-2 测频时序波形图（2）标准频率比较测量法用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测得待测信号的脉冲个数为N 1、已知的标准频率信号的脉冲个数为N 2，设待测信号的频率为f x ，已知的标准频率信号的频率为f 0；由于测量时间相同，则可得到如下等式：21N f N f x = 从上式可得出待测信号的频率公式为： 021f N N f x =标准频率比较测量法对测量产生的时间门限的精度要求不高，对标准频率信号的频率准确度和稳定度要求较高，标准信号的频率越高，测量的精度就越高。
该方法的测量时间误差与时间门限测量法的相同，可能的最大误差为正负一个待测信号周期，即x f /1t ±=∆。
测量时可能产生的误差时序波形如图2-3所示。
（3）等精度测量法以上介绍的两种测量频率的方法实现电路容易，但是，测量的精度与待测信号的频率有关，待测信号频率越高，测量的精度就越高，反之，测量精度越低。
为了提高测量低频时的精度，使得测量的高、低频率精度都一样，一般采用等精度测量法。
上面介绍的两种方法都是在闸门门限的控制下来实现计数器的计数开始和结束的。
当闸门门限的上升沿到来时，计数器计数开始，当闸门门限的下降沿到来时，计数器计数结束。
数字频率计开题报告
参考文献
[1] 阎石主编.数字电子技术基础.第四版.高等教育出版社出版社.2006 [2] 康光华主编.电子技术基础.数字部分.第四版.高等教育出版社
.2000
[3] 董诗白主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2006 [4] 路勇主编.电子电路实验及仿真.清华大学出版社.2004 [5] 杨宝清，宋文贵.实用电路手册.第一版.机械工业出版.2002 [6] 李哲英，《电子技术及其应用基础》（数字部分）.高等教育出版
于中高档产品，要求要有高的分辨率、精度、稳定度、测量速率；除了
通用计数器具有的功能外，要有数据处理功能和时域分析功能等，或包 含电压测量等功能。这些要求有的已实现或者已部分实现，但要真正完 美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有很多工作需要做，而非表 面看到的似乎发展到头了。 现今，数字频率计不仅是测量信号频率的装置，经改装，还可以用 它测量方波的脉宽、测量电容等等。在生活中频率计也发挥了越来越重
论文框架结构（续）
6.仿真及调试 7.电路焊接与实物制作
8.作品实物与作品性能
9.系统测试 10.实验结果及分析
11.结论
12.结束语 13.参考文献
工作进度
2015年12月：选题。 2015年12月~2016年1月：与指导教师联系确定毕业论文工作的相关 事宜 2016年1月~2016年3月：查资料，准备论文内容 2016年3月2日：开题报告 2016年3月3日~2016年4月26日：设计电路，计算元件参数，选购 器件，进行论文撰写并实物操作的前期工作。 2016年4月27日：指导教师的中期检查。 2016年4月28日~2015年5月29日：论文撰写并实物操作的后期工作 2016年5月30日：论文答辩。
要的作用，比如用数字频率计监控生产过程，这样就能及时发现系统运
数字频率计的原理
process(clk0)
begin
if (clk0 'event and clk0='1')then
if a=9999999 then
a<=0;
else a<=a+1;
end if;
case a is when 0 to 4999999=>cp<='1';
if a=49 then
a<=0;
else a<=a+1;
end if;
case a is when 0 to 24=>cp<='1';
when 25 to 49=>cp<='0';
end case;
end if;
数字频率计原理
clr<='1' ;
when 0=>en<='1';
load<='0';
clr<='0';
end case;
end if;
end latch;
architecture Behavioral of latch is
signal q_tmp: std_logic_vector (23 downto 0);
begin
process (oe,g)
begin
if oe='0' then
if g'event and g='1' then
else q_tmp<=q_tmp+1;
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例，GLB——LATTICE通用逻辑阵列块
数字频率计
• 18个输入的与陈列 • 20个与项 • 4个输出可配置的宏单元
例，XC4000E可配置逻辑块CLB
数字频率计
C4..C1 CO Cindown
G4
G3 G2
G1
快速进位
逻辑函数
G'
发生器G
逻辑电路
F4 F3
F2
F1
CLK
Cinup CO
逻辑函数
功能： • 将BLB的输入/输出连接至具体的I/O单元 • 将各BLB局部逻辑功能互连构成复杂数字系统
指标： • 各BLB之间的连通性 • 连线延时尽量短
数字频率计
例，LATTICE输出互连资源
≥1
1 12
9
1
1
11
• 与项最多包含24个变量，共64与项
• 8个输出由8个8输入或项组成
例2：时序型PLD器件PAL16R8的结构
数字频率计
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
1
9
1
& ≥1 1
Q 1D
Q C1
& ≥1 1
Q 1D
Q C1
& ≥1 1
Q 1D
Q C1
1 19 1 18 1 17
&
≥1 1
数字频率计
输入电路：缓冲和反相器
输出电路：
• 三态输出 • 寄存器输出 • 宏模块输出
例1：组合型PLD器件PAL10H的结构
数字频率计
1
&
≥1
1
19
2
1
1
&
≥1
1 18
3
1
1
&
≥1
1 17
4
1
1
&
≥1
1 16
5
1
1
&
≥1
1 15
6
1
1
7 1
&
≥1
1 14
1
&
≥1
1 13
8
1
1
&
• 16个输入（8个反馈）组成与陈列
• 17个输入（8个反馈）的与陈列 • 与项最多包含25个变量，共64与项 • 8个输出由8个8输入宏模块组成
数字频率计
3 高密度可编程逻辑器件
3.1 高密度可编程逻辑器件的框架
输入输出单元 基本逻辑功能块 互连资源 其它资源
• 边界扫描电路 • PLL锁相环电路 • 硬件乘法器 • ………….
数字频率计
3.2 高密度PLD器件的基本逻辑单元BLB
BLB器件内部实现逻辑功能最小单位 • GLB——LATTICE通用逻辑阵列块 • LE ——ALTERA逻辑元素 • CLB ——XILINX可配置逻辑块
BLB规模或粒度粗细 • 规模大，设计方便，器件资源利用率不易控制 • 规模小，设计灵活资源利用率高，单元间互连复杂
• CPLD和FPGA器件结构比较
数字频率计
BLB
BLB
连
BLB
线
BLB
资
···
源
···
BLB ····
··· BLB
BLB ···
BLB
BLB
BLB ····
BLB
BLB
BLB
CPLD基本逻辑块规模比较大 FPGA内部包含触发器远多于CPLD，FPGA更适合设计时序电路 FPGA常采用SRAM工艺，CPLD采用E2PROM工艺
F'
发生器F
H1
H2/DIN H0/SR
EC
SHale Waihona Puke RDINF'
G' H'
D SD Q
逻辑函数
G' H'
H'
发生器H
DIN F' G' H'
H' F'
EC RD 1
S/R D SD Q
EC RD 1
• 2组4*1的LUT
YQ
• 2个输出
Y
• 输出宏单元可配置
XQ
• 辅助输入、输出
X
数字频率计
3.3 高密度PLD器件的互连资源PI
I/O单元的各种配置
数字频率计
Pin
(a)输入缓冲单元
Pin
DQ
LE I/O时钟
(d)锁存输入单元
Pin
DQ
I/O时钟
(f)寄存器输入单元
Pin (b)输出缓冲单元
Pin
I/O (c)双向I/O单元
(e)输出反向缓冲单元
I/O
Pin
DQ
I/O时钟
(g)带三态使能的输出缓冲单元
(h)带寄存器输入的双向I/O单元
数字频率计
1.1 逻辑函数Z的门电路综合
例1：已知一位半加器的输出为
Si AiBi Ai Bi，Ci AiBi
• 实现方法1：用二输入端异或门和二输入端与门
• 实现方法2：用二输入端与非门 Si Ai AiBi Bi AiBi，Ci AiBi • 实现方法3：用二输入端或非门 Si Ai Bi Ai Bi，Ci Ai Bi
Q 1D
Q C1
1 16
& ≥1 1
Q 1D
Q C1
1 15
&
≥1 1 & ≥1 1
Q 1D
Q C1
Q 1D
Q C1
1 14 1 13
&
≥1 1
Q 1D
Q C1
1 12 1 11
• 17个输入（8个反馈）的与陈列 • 与项最多包含25个变量，共64与项 • 8个输出由8个8输入或项组成
数字频率计
例3：混合型PLD器件GAL16V8的结构 逻辑宏单元OLMC
例:用SRAM将4位二进制码转换为格雷码
• Z的4位二进制码当作SRAM的低4位地址输入 • Z的4位格雷码输出对应SRAM的4位数据输出 • Z的真值表存储在SRAM中
B3 B2
A3 4X4 D3
A2
D2
Z3 Z2
B1
A1 SRAM D1
Z1
B0
A0
D0
Z0
1.4 PLD编程工艺
（反）熔丝型工艺（OTP）
数字频率计
数字频率计的PLD设计
PLD 设计基础 频率计方案设计
• PLD 设计基础
可编程逻辑器件 PLD——Programmable Logic Device
数字频率计
PART I 可编程逻辑器件的电路结构 PART II 可编程逻辑器件的开发 PART III VHDL硬件描述语言
1 可编程与阵列与或阵列
例，ispLSI1016在PLD器件的结构
数字频率计
例，XILINX FPGA框架结构
数字频率计
数字频率计
3.2 高密度PLD器件的 I/O单元
IO引脚数：44~560 绝大多数引脚可编程成输入或输出 IO单元包含输入寄存器或输出寄存器 专用输入引脚--电源，编程引脚，时钟和专用信号 三态门，多路选择器，
1.2可编程与或阵列
例1：Z1 A C A B C, Z2 A B C
总共2个与项 P1 AC, P2 A B C • 需设计2个与门
总共2个输出 Z1 P1 P2, Z2 P2 • 需设计2个或门
数字频率计
数字频率计
1.3逻辑函数Z的LUT（Look Up Table）实现
• 一次可编程OTP
E2PROM或FrAsh 工艺
• 编程次数有限
SRAM工艺（掉电数据丢失）
• 编程次数不限(LUT)
例，4变量输入1个输出用4*1容量SRAM实现
16*1 SRAM (LUT)
数字频率计
2 低密度PLD器件
2.1低密度PLD器件的结构
**低密度PLD一般指20个以内IO脚的PLD器件**