数字频率计综合设计 陈学英 1

功能指标 1、被测输入信号：方波 2、测试频率范围为：10Hz～100MHz 3、量程分为三档：第一档：闸门时间为1S时，最大读数为999.999KHz 第二档：闸门时间为0.1S时，最大读数为9999.99KHz 第三档：闸门时间为0.01S时，最大读数为99999.9KHz 4、显示工作方式：a、用六位BCD七段数码管显示读数。 b、采用记忆显示方法 c、实现对高位无意义零的消隐。

设计分析 频率的概念 频率测量方法 设计方框图 模块设计 3

频率的概念 所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间(1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 T t 4

频率测量方法 直接测量法 闸门 计数器 放大整形 时基信号发生器 门控电路 被测信号输入 ② ① ③ ④ ⑤ ① ② ③ ④ ⑤ T 闸门开通的时间称为闸门时间，其长度等于门控信号作用时间T。比如，时间基准信号的重复周期为1S，加到闸门的门控信号作用时间T亦准确地等于1S，即闸门的开通时间——“闸门时间”为1S。在这一段时间内，若计数器计得N=100000个数，根据公式f = N / T，那么被测频率就是100000Hz。如果计数式频率计的显示器单位为“KHz”，则显示100.000KHz，即小数点定位在第三位。不难设想，若将闸门时间设为T=0.1S，则计数值为10000，这时，显示器的小数点只要根据闸门时间T的改变也随之自动往右移动一位(自动定位)，那么，显示的结果为100.00Khz。在计数式数字频率计中，通过选择不同的闸门时间，可以改变频率计的测量范围和测量精度。 5

直接测量法误差 其中 称为±1误差 称为标准频率误差 6

频率测量方法 周期测量法 TC 7

周期测量法误差 其中 称为±1误差 称为标准频率误差 8

设计方框图 被测信号输入 闸门 计数器 放大整形 门控电路 石英 振荡器 锁存器 分频器 选择 扫描显示 控制子系统 (显示译码 扫描控制) 闸门选择开关 Gate Over 被测 频率 显示 GATE CLEAR LATCH 放大整形电路： 放大被测信号并将其整形为方波脉冲，该方波脉冲经过闸门后送计数器计数。 石英振荡器： 产生一个频率(250kHz)高度稳定的信号送分频器分频。 分频器： 对石英振荡器产生的信号进行分频，得到100Hz、10Hz和1Hz三个基准频率；同时产 一个1000Hz的信号作为扫描显示译码模块的时钟，以产生扫描选择信号。 门控电路： 门控电路在时间基准信号的控制下产生门控信号GATE，门控信号有效时，闸门开通，计数器计数。当门控信号停止作用时，闸门关断。此时，为了使计数结果能够在显示器上稳定的显示，门控电路要产生一个锁存命令Latch使锁存器锁存计数结果。在计数结果锁存以后，下一次计数开始以前，门控电路还要产生一个清零信号CLEAR将计数器清零，以便重新计数。 9

测频时序关系 FIN GATE LATCH CLEAR 1秒 10

模块设计 分频器 分频器的功能是产生所需闸门控制信号及扫描时钟信号 提供的标准信号是48MHz 输出四个信号1Hz，10Hz， 100Hz，1KHz 11

模块设计 闸门选择器 主要语句示例： if se1 = '1' and se10 = ‘0’ and se100= ‘0’ then fref <= f1hz; dp1<= '0'; dp2<= ‘1'; dp1<= ‘1'; 模块设计 闸门选择器 实现对输入的几个闸门信号的手动选择 输出被选中的闸门信号以及小数点的控制信号DP1，DP2，DP3 12

模块设计 测频控制器 主要语句示例： if rising_edge(Bsignal) then G1<=not G1; end if; if falling_edge(bsignal) then G2<=not G1; gate<=G1; latch<=G2; 测频控制器 控制整个频率计各模块的工作时序 产生闸门信号Gate，锁存信号Latch以及清零信号Reset 13

模块设计 频率计数器 单级计数器（十进制） 计数器级联后 14

同步级联原理图： 级联方式：同步级联和异步级联 15

异步级联原理图： 16

模块设计 锁存器 实现了对六位计数结果和溢出信号over的锁存功能 17

设计方框图 被测信号输入 放大整形 闸门 计数器 锁存器 Over Gate 门控电路 闸门选择开关 显示 控制 (包括显示译码 CLEAR LATCH Gate 门控电路 dp1 闸门选择开关 显示 控制 (包括显示译码 和扫描控制) 被测 频率 显示 闸门 选择 放大整形电路： 放大被测信号并将其整形为方波脉冲，该方波脉冲经过闸门后送计数器计数。 石英振荡器： 产生一个频率(250kHz)高度稳定的信号送分频器分频。 分频器： 对石英振荡器产生的信号进行分频，得到100Hz、10Hz和1Hz三个基准频率；同时产 一个1000Hz的信号作为扫描显示译码模块的时钟，以产生扫描选择信号。 门控电路： 门控电路在时间基准信号的控制下产生门控信号GATE，门控信号有效时，闸门开通，计数器计数。当门控信号停止作用时，闸门关断。此时，为了使计数结果能够在显示器上稳定的显示，门控电路要产生一个锁存命令Latch使锁存器锁存计数结果。在计数结果锁存以后，下一次计数开始以前，门控电路还要产生一个清零信号CLEAR将计数器清零，以便重新计数。 dp2 石英 振荡器 分频器 18

模块设计 显示控制 用频率1KHz的信号实现对六位已经锁存的计数结果的扫描输出 19

se1 显示控制电路组成： 小数点 控制 se10 se100 Sel(2:0) led(6:0) Clk_1khz dp 计数器 消隐 Freq_value5(3:0) 消隐 Freq_value4(3:0) Freq_value3(3:0) Freq_value2(3:0) Freq_value1(3:0) Freq_value0(3:0) Freq_value0(3:0) Freq_value1(3:0) Freq_value2(3:0) Freq_value3(3:0) Freq_value4(3:0) Freq_value5(3:0) 数据 选择 七段 译码 led(6:0) hide 20