《数字频率计设计》word版

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1、数字频率计设计一、设计任务与要求1、设计任务设计并实现一个数字频率计。2、基本要求：（1）测频率范围：10Hz~10KHz。为保证测量精度分为三个频段：10Hz~100Hz100Hz~1KHz1KHz~10KHz当信号频率超过规定的频段上限时，设有超量程指示。三个频段之间用手动切换。（2）输入波形：低频函数信号发生器输出的方波，幅度为5V。（3）测量误差：σ≤±1%。（4）显示和响应时间：测量结果用三位半导体数码管显示，要求显示数码稳定清晰。三个频段的最大显示数分别为99.9Hz，999.Hz，9.99KHz，为此需要控制小数

2、点位置，并用两个发光二极管分别显示频率单位：Hz或KHz，详见表2.2。表2.2.1频率范围小数点位置单位响应时间10Hz≤f<100Hz××.×Hz≤12秒100Hz≤f<1KHz×××.Hz≤2秒1KHz≤f<10KHz×.××KHz≤2秒3、扩展要求实现量程的自动转换。二、基本工作原理频率测量的方法常用的有测频法和测周法两种。（1）测频法测频法的基本思想是让计数器在闸门信号的控制下计数1秒时间，计数结果是1秒内被测信号的周期数，即被测信号的频率。若被测信号不是矩形脉冲，则应先变换成同频率的矩形脉冲。测频法的原理框图如图2

3、-2-1所示。图中，秒脉冲作为闸门信号，当其为高电平时，计数器计数；低电平时，计数器停止计数。显然，在同样的闸门信号作用下，被测信号的频率越高，测量误差越小。当被测频率一定时，闸门信号高电平的时间越长，测量误差越小。但是闸门信号周期越长，测量的响应时间也越长。例如，闸门信号高电平时间为1秒，被测信号频率的真值为2Hz，如图2-2-2所示。由24图可知，无论被测信号的频率是多少，测量时可能产生的最大绝对误差均为±1Hz，即f测-f真=±1Hz所以，最大相对误差为σmax=（f测-f真）/f真=±1/f真由上式可知，在闸门信号相同

4、时，测频法的相对误差与被测信号的频率成反比。因此测频法适合于测量频率较高的信号。（1）测周法当被测信号频率较低时，为保证测量精度，常采用测周法。即先测出被测信号的周期，再换算成频率。测周法的实质是把被测信号作为闸门信号，在它的高电平的时间内，用一个标准频率的信号源作为计数器的时钟脉冲。若计数结果为N，标准信号频率为f1，则被测信号的周期为T=T1·N被测信号的频率为f=1/T1·N=f1/N利用测周法所产生的最大绝对误差，显然也等于±1个标准信号周期。如果被测信号周期的真值为T真=T1·N，则T测=T1·（N±1）σmax=（

5、f测-f真）/f真=T真/T测–1=±1/（N±1）由上式可知，对于一定的被测信号，标准信号的频率越高，则N的值越大，因而相对误差越小。（2）低频段的测量24鉴于上述困难，对于低频信号，为了达到规定的精度，要采取一些比较特殊的方法。例如，可考虑将被测信号倍频后再用测频法测量。或将闸门信号展宽。由于倍频电路比较复杂，所以一般采用后一种方法，实际上闸门信号展宽与被测信号倍频在效果上是相同的。闸门信号展宽比较容易做到，例如采用分频电路就可以实现。若闸门信号高电平时间从1秒展宽到10秒，则相对误差可以按比例下降，但响应时间也增大相同的

6、比例。（1）测频法的参考框图图2-2-3是测频法的参考框图。被测信号为矩形波时，整形电路可省略。对信号的低频段采用闸门信号展宽的方法，因此分别采用1秒和10秒两个闸门信号，频段控制可以采用三位（K2、K1、K0）或二位控制信号。在测量过程中，由于计数器的输出总是不断变化的，如果这时译码器实时地将计数值译码，显示器就会不断地跳动，无法读数；或者跳动太快，由于人地视觉残留，看起来显示器总是显示8。为了在测量过程中能稳定清晰地显示数码，译码器必须具有锁存功能。三、单元电路设计参考1、锁存/译码/驱动器为了能稳定清晰地显示频率，只有在

7、一次测量结束后再将结果通过锁存器传输给译码器，并且这个结果由锁存器锁存。下一次测量过程中，由于锁存器地锁存作用，计数器输出的变化不会影响显示的内容，显示器仍然显示原来锁存的内容。在下一次测量结束才更新锁存器、译码器和显示器的内容。因此，所选用的译码器必须兼有锁存功能，同时译码器还应具有足够地驱动能力，以便直接驱动数码管。2、BCD码计数器计数器输出给译码器地信号应为BCD码，因此采用十进制集成计数器较为方便。为了满足测量误差的要求，在10Hz≤f<100Hz段，将闸门信号展宽为10秒。在显示时加上小数点和单位后，显示的最大值为

8、99.9Hz。因此，在这一频段，需要三个十进制的计数器级联构成一个一千进制计数器。在100Hz≤f<1KHz段，闸门信号为1秒，显示的最大值为999.Hz。也是三个十进制的计数器级联。在1KHz≤f<10KHz，闸门信号为1秒，最大计数值为9999Hz，需要四个十进制的计数器