设计三 数字频率计的设计

3数字频率计的设计

设计要求

1．设计一个能测量方波信号频率的频率计，测量结果用十进制数显示。

2. 测量的频率范围是1~10KHz，分成两个频段，即1~999Hz，1KHz~10KHz，用三位数码管显示测量频率，用LED显示表示单位，如亮绿灯表示Hz，亮红灯表示KHz。

3. 具有自动校验和测量两种功能，即能用标准时钟校验测量精度。

4. 具有超量程报警功能，在超出目前量程档的测量范围时，发出灯光和音响信号。

设计提示

●脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，f

为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。所以，在1秒时间内计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。

●测量/校验选择模块*

●计数器模块

●送存选择报警模块

●锁存模块

●扫描显示模块

●测量/校验选择模块*

输入信号：选择信号selet被测信号meas测试信号test

输出信号:CP1

当selet=0时，为测量状态，CP1=meas；

当selet=1时，为校验状态，CP1=test。

校验与测量共用一个电路，只是被测信号CP1不同而已。

●设置1秒定时信号（周期为2秒），在1秒定时时间内的所有被测信号送计数

器输入端。

●计数器对CP1信号进行计数，在1秒定时结束后，将计数器结果送锁存器锁

存，同时将计数器清零，为下一次采样测量做好准备。

●设置量程档控制开关K，单位显示信号Y，当K=0时，为1~999Hz量程档，

数码管显示的数值为被测信号频率值，Y显示绿色，即单位为Hz；当K=1时，为1KHz~10KHz量程档，被测信号频率值为数码管显示的数值乘1000，Y显示红色，即单位为KHz。

●设置超出量程档测量范围示警信号alert。计数器由四级十进制计数构成（带

进位C）。若被测信号频率小于1KHz（K=0），则计数器只进行三级十进制计数，最大显示值为999.Hz，如果被测信号频率超过此范围，示警信号驱动灯光、扬声器报警；若被测信号为1KHz~10KHz（K=1），计数器进行四位十进制计数，取高三位显示，最大显示值为9.99KHz，如果被测信号频率超过此范围，报警。

设计文档

一、原理

测频的原理归结成一句话，即在单位时间内对被测信号进行计数。下图说明了测频的原理及误差产生的原因。

图1 测频的原理

在上图中，假设时基信号为1khz，则用此法测得待测信号为1khz*7=70khz。但

从图中可以看出，待测信号应该在77khz，误差约为7/77~9.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在1

±间。假设所测得脉冲个数为n，则所测频率的最大误差为1/（n-1）*100%。显然，减小误差的方法就是增大n。本频率计的要求测量结果以3位数表示，则测频误差应为1%~0.1%，则n的取值范围为：

100≤n<100

即时基信号的频率为量程中最低频率的1/100（同时约为最高频率的1/1000）。通过计算得出下表中的数据。

待测信号与时基信号的关系

二、系统框图

图2 数字频率计系统框图

根据题意，各个模块的作用简述如下：

1、分频器：由于测频时不同量程需要不同的时基信号，分频模块是必不可少的。

系统通过分频模块从晶振时钟（20MHz）分出系统所需要的几个时基信号，其中包括状态机所需时钟。

2、计数器：从原理中可以看出，测频的本质上是计数，所以计数器也是系统中不可或缺的模块。为实现量程的自动转换，本计数器需输出指示超量程和欠量程状态的信号。

3、状态机：题目要求本系统可以自动转换量程，如果把每个量程看成一个状态，那么量程的切换实际上就是状态的转换。显然，用状态机来实现是最方便的。

4、其他：如锁存器（用来使显示数字稳定）、同步整形电路（用来处理超量程和欠量程信号，避免状态机多次转移）和七段数码管译码电路等。

三、各功能模块的实现

1 状态机的设计

系统的状态机是用来自动切换量程的。根据前面的分析，我们可以设立4个状态，状态名及其对应的量程如下表所列

假设计数器的超量程信号为over，欠量程信号为low，那么可以画出如下图所示的状态转移图。

图3 状态转移图

根据此状态转移图，很容易就可以写出对应的状态机程序。状态机见附录1

图4 状态机的仿真波形

2 计数器的设计

计数器的原理很简单，计数值大于999，就将超量程信号Over置1；若计数值小于100，则将欠量程信号Low置1。

本计数器在待计数信号的两个周期内完成计数与控制信号（Over 与Low）的传输，在量程合适的情况下，将计数值输出。在这两个时钟周期内，第1个时钟周期完成计数，第2个时钟周期完成控制信号的传输与计数值输出。这样做的好处是稳定，将计数与控制信号传输分开进行，避免了时钟的跳变。

计数器的程序见附录2。

图5 计数器仿真波形

3 同步整形电路的设计

在实际应用中，外部输入的异步信号常常需要进行同步化（与系统时钟同步）和整形（将输入信号整形为一个时钟周期长的信号脉冲），其波形图见图6。其程序见附录3。

图6 同步整形电路仿真波形

4 分频器的设计

要得到状态机及各个功能模块所需的各种频率，就必须通过分频器从已知的频率中得到，我们先实现了200分频和10分频，然后通过如下电路得到了所需的频率：

图7 分频器总图

10分频、200分频和分频模块的波形仿真如下：

图8 十分频器仿真波形