低頻數(shù)字頻率計

1、低頻數(shù)字頻率計第1頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日設(shè) 計 任 務(wù)1. 測頻范圍10.0Hz9.99KHz；2. 測量誤差小于等于1%；3. 響應(yīng)時間不大于12秒；4. 具有超量程顯示功能；5. 頻率計分成三個頻段進行設(shè)計。一、設(shè)計內(nèi)容：用PLD器件EPM7128SLC84-15設(shè)計一個低頻數(shù)字頻率計。二、性能與技術(shù)指標第2頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日為了保證信號頻率的測量精度，要求把頻率測量范圍分成三個頻段，其最大顯示數(shù)分別為：99.9 Hz、999. Hz和9.99 kHz。為此，需要控制頻率顯示的小數(shù)點位置，及頻率顯示單位Hz或kHz

2、，具體要求如表所示。當信號頻率超過規(guī)定頻段的上限頻率時，希望具有超量程指示。序號頻率范圍顯示110.0Hz99.9Hz2100Hz999Hz31.00KHz9.99kHz第3頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日總體方案討論數(shù)字頻率計的原理框圖測量電路顯示電路共陰數(shù)碼管1 Hz、8 Hz1 kHz時鐘溢出指示LEDfx被測信號控制電路整形待設(shè)計電路第4頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日通常取T=1s，則fx=N1。1. 測頻法（M法）一、測頻原理 頻率是單位時間內(nèi)信號周期的變化次數(shù)。如果用一個標準的定時時間TG控制一個閘門電路，在時間TG內(nèi)閘門打開，

3、讓被測信號通過，記下被測信號的變化周期（用計數(shù)器）數(shù)，該數(shù)與計數(shù)時間TG的比值就是被測信號的頻率，則： 第5頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日顯然，計數(shù)器的最大誤差是相差1個脈沖，因此M法的最大相對誤差為因此，M法的相對誤差與被測信號頻率成反比(若頻率越高，則N越大)。M法適合于高頻信號的測量。第6頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日與門計數(shù)器控制電路清零信號閘門信號鎖存器鎖存信號M法的原理框圖如下：圖中鎖存器的作用是為了防止在閘門高電平期間，頻率計的顯示隨著計數(shù)值的增加不斷變化造成閃爍，使人眼難以分辨。當計數(shù)器停止計數(shù)后（閘門信號由高變低后），才

4、將計數(shù)值鎖存并送給譯碼顯示電路。為了防止顯示閃爍，鎖存信號的周期必須大于人的視覺滯留時間（約0.1秒左右）。第7頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日2. 測周法（T法）首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間或低電平時間都是一個信號周期T的方波信號；然后用一個已知頻率fOSC的高頻方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期T的時間內(nèi)對 信號進行計數(shù)，若在T時間內(nèi)的計數(shù)值為N2，則第8頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日計數(shù)器的最大誤差是相差1個脈沖，因此T法的最大相對誤差為當fx頻率越高，T越小，N越小。所以T法的相對誤差與被測信號頻率成正比。 T法適

5、合于低頻信號的測量。第9頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日T法的原理框圖如下：與門計數(shù)器控制電路清零信號高頻信號fOSC鎖存器鎖存信號2分頻第10頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日3. T/M法T/M法測量是采用兩個計數(shù)器，分別對被測信號 和高頻標準計數(shù)信號進行計數(shù)。若在確定的檢測時間內(nèi)，對被測信號fx的計數(shù)值為N1，而對高頻信號fOSC的計數(shù)值為N2，則第11頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日4. 測頻方案的選擇由上述討論可知，測周法適合于對低頻信號的測量，而測頻法則適合于對較高頻率信號的測量。但由于用測周法所獲得的信號

6、周期數(shù)據(jù)，還需要求倒數(shù)運算才能得到信號頻率，而二進制數(shù)據(jù)的求倒數(shù)運算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路又較難實現(xiàn)。用測頻法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時間為1秒時，不需要進行任何換算，計數(shù)器所計數(shù)據(jù)就是信號頻率。因此，測周法不適合本實驗要求，本實驗采用測頻法。第12頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日測頻法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差越大。在信號頻率較低時，如10 Hz 100 Hz，要求測量誤差小于等于1%，可以通過增大閘門時間（TG10 s）來提高測量精度。此時，誤差達到要求；響應(yīng)時間可以達到12 s（10 s 的閘門時間，及2 s 的鎖存延遲時間），也達到要求

7、。 還有一個問題是擴大量程。要求顯示3位有效數(shù)字，對此我們采用1000 進制計數(shù)器。但當信號頻率為1 10 kHz時，已超過了計數(shù)范圍。為此，可以先對信號進行10分頻，再進行計數(shù)。只要顯示時設(shè)置合適的小數(shù)點和單位即可。第13頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日得到分頻段測量方案： 2 sx.xx kHz1 10 kHz12 sxx.x Hz10 100 Hz2 sxxx Hz100 1000 Hz響應(yīng)時間小數(shù)點和單位閘門頻段1s10 s1 sfx分頻10分頻無無精度111分頻段測量原理框圖： 101010計數(shù)器控制電路清零信號閘門信號(1 s or 10 s)鎖存器鎖存信

8、號10分頻頻段選擇信號1 Hz8 Hz第14頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日1. 靜態(tài)顯示二、顯示原理 每個十進制數(shù)通過一個譯碼器后送數(shù)碼管顯示。當顯示位數(shù)較多時，靜態(tài)顯示所需的顯示譯碼器也較多，導(dǎo)致連線較多，功耗也較大，但顯示效果較好。 1000計數(shù)器4位鎖存器44顯示譯碼84位鎖存器44顯示譯碼84位鎖存器44顯示譯碼8第15頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日2. 動態(tài)顯示 動態(tài)顯示是利用人的視覺滯留效應(yīng)，依次輪流點亮顯示數(shù)碼管。與靜態(tài)顯示相比，需增加掃描選擇電路。1000計數(shù)器4位鎖存器44掃描選擇1 kHz4位鎖存器44顯示譯碼84位鎖

9、存器44選擇器(顯示 控制)444單位顯示4第16頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日動態(tài)顯示方式只需要一個顯示譯碼器，連線較少，在數(shù)碼管較多時能顯示其優(yōu)越性。該方式由于任何時候都只有一只數(shù)碼管點亮，故功耗較小，但需合理設(shè)計掃描電路，不然顯示將產(chǎn)生閃爍感。本次實驗采用動態(tài)顯示方式。在設(shè)計顯示模塊（選擇器）時還需考慮小數(shù)點和顯示單位的實現(xiàn)。 第17頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日單元電路設(shè)計0. 總體框圖在PLD設(shè)計數(shù)字頻率計時，整機電路位于最上層，通常應(yīng)在單元電路設(shè)計并測試通過后再實現(xiàn)。在此，為了便于理解，先給出整機電路。單元電路設(shè)計包括： （1

10、）testin：被測信號預(yù)處理電路（2）gatesig：閘門信號控制電路（3）cnt1k：1000進制計數(shù)器（4）lock：鎖存單元（5）display：動態(tài)顯示電路（6）trans：顯示譯碼器（7）decsend：動態(tài)顯示掃描信號分配（8）auto：自能動量程轉(zhuǎn)換控制電路第18頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日動態(tài)顯示鎖存器動態(tài)顯示選通計數(shù)器自動量程轉(zhuǎn)換譯碼器控制電路預(yù)處理1kHz輸入信號1Hz顯示小數(shù)點溢出指示整機電路：選通第19頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日1. 輸入預(yù)處理（testin） 這一部分在整機電路中的位置：第20頁，共52頁

11、，2022年，5月20日，22點45分，星期日輸入： TEST : 待測信號； S2 : 頻段控制信號。1代表高頻段，0代表中低頻段。輸出： 輸出 CP : 1000進制計數(shù)器的計數(shù)脈沖。邏輯關(guān)系： 當分頻控制S2 0 (fx為10-1000 Hz)時，CP TEST(fx)；當分頻控制S2 =1 (fx為1-10 kHz)時，CP TEST(fx)的十分頻。 第21頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日分頻控制電路的測試結(jié)果第22頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日2. 閘門信號控制電路（gatesig） 這一部分在整機電路中的位置：第23頁，共52

12、頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日 數(shù)字頻率計的設(shè)計關(guān)鍵是控制電路的設(shè)計，控制電路產(chǎn)生頻率測量所需的閘門、清零和鎖存信號。這些信號具有一定的時序關(guān)系。 為了保證測量的精確性，在每次閘門信號變?yōu)楦咝盘柷埃仨毥o計數(shù)器提供一個清零信號。當閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)；當閘門信號為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)。 如果計數(shù)器的輸出直接譯碼顯示，則在閘門信號高電平期間，頻率計的顯示隨著計數(shù)值的變化而不斷閃爍，人眼難以分辨。因此，需要鎖存信號。第24頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日閘門、清零和鎖存信號的關(guān)系： 該部分用于為計數(shù)器提供一個受頻段控制的計數(shù)時間，即合適

13、寬度的閘門信號。當待測信號位于中高頻段（S1=0）時，閘門信號寬度為1秒，1秒內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果即為待測信號的頻率。 當待測信號位于低頻段（S1=1）時，為了提高測量精度，將閘門信號展寬為10秒，此時只需將計數(shù)結(jié)果的小數(shù)點位置左移一位即可還原真實頻率。 此外，為了將計數(shù)結(jié)果可靠顯示以及預(yù)備好下一次測量，閘門信號結(jié)束的同時將產(chǎn)生一個鎖存信號用于鎖存計數(shù)結(jié)果，鎖存結(jié)束，下一次計數(shù)開始前，需要有一個清零信號將前一次計數(shù)的結(jié)果清零。 第25頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日閘門信號清零信號鎖存信號CP脈沖 時序關(guān)系： 第26頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星

14、期日輸入： SEC : 標準秒脈沖信號； S2,S1: 頻段控制信號。輸出： GOUT : 閘門信號輸出； LOCK : 鎖存信號，低電平有效； CLEAR: 清零信號，低電平有效。第27頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日閘門信號控制電路的測試結(jié)果第28頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日3. 1000計數(shù)器（cnt1k） 這一部分在整機電路中的位置：第29頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日該部分為具有使能和清零功能的三位10進制計數(shù)器通過同步級聯(lián)而成，計數(shù)使能信號由閘門信號產(chǎn)生電路提供，清零信號來自閘門信號產(chǎn)生電路，計數(shù)脈

15、沖來自被測信號預(yù)處理電路的輸出，計數(shù)結(jié)果將被送往顯示單元，計數(shù)器溢出時產(chǎn)生溢出信號。第30頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日端口說明：輸入 ENABLE : 計數(shù)使能信號，決定一次計數(shù)的時間； CLEAR: 計數(shù)器清零信號；CLK: 計數(shù)脈沖信號； 輸出 Q13Q10, Q23Q20, Q33Q30 : 分別為三位十進制計數(shù)器的低、中、高位輸出；FLOW: 計數(shù)器溢出指示，溢出時置高電平，由清零脈沖復(fù)位；第31頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日4. 鎖存單元（lock） 這一部分（3個4位鎖存）在整機電路中的位置：第32頁，共52頁，2022年，

16、5月20日，22點45分，星期日原理： 如果計數(shù)器的輸出直接譯碼顯示，則在閘門信號高電平期間，頻率計的顯示隨著計數(shù)值的增加不斷變化、不斷閃爍、人眼難以分辨。 鎖存單元為一個12位的鎖存器，由Lock信號控制，將計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果鎖存起來。當計數(shù)結(jié)果高位為0時，產(chǎn)生“高位零”指示，用于控制頻段的自動切換。第33頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日 輸入信號： LOCK：鎖存信號 D11D0 ：輸入信號，來自1000進制計數(shù)器輸出信號： Q11Q0 ：輸出信號 HZERO: 計數(shù)器高位零指示，Q11Q8為0時置高電平；第34頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星

17、期日鎖存單元的測試結(jié)果第35頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日5. 動態(tài)顯示電路（display） 這一部分在整機電路中的位置：第36頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日 原理： 該部分功能是：在動態(tài)顯示選通信號的控制下，從4路輸入數(shù)據(jù)（個、十、百、單位）中選擇一路，送至顯示譯碼電路。另外，還需根據(jù)輸入頻段信息所得到的頻率單位，小數(shù)點位置等信息。 S2S1=01低頻段：量程Hz，十位小數(shù)點亮。 S2S1=00中頻段：量程Hz，無小數(shù)點。 S2S1=10高頻段：量程KHz，百位小數(shù)點亮。 S2S1=11無關(guān)項，可將它作為中頻段 。第37頁，共52頁，

18、2022年，5月20日，22點45分，星期日 輸入信號： T3T0選通信號 S2, S1頻段選擇 A3A0個位數(shù) B3B0十位數(shù) C3C0百位數(shù)輸出信號： D、C、B、A： 動態(tài)四位二進制數(shù) DOT小數(shù)點顯示第38頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日動態(tài)顯示電路的測試結(jié)果該圖表示當T0T3依次為高電平時，輸出端口依次輸出低、中、高位計數(shù)結(jié)果，并且當頻段控制S2S1=“00”時，頻率單位為Hz，由T3=1時刻控制，DCBA = ”1010”，小數(shù)點DOT位置在第二位，和T1高電平時間一致。第39頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日 該圖表示當S2S1=

19、”01”時，頻率單位為Hz，T3=”1”時刻DCBA=”1010”，小數(shù)點DOT位置為最低位，和T2高電平時間一致；當S2S1=”10”（或者”11”）時，頻率單位為kHz，T3=”1”時刻DCBA=”1011”，小數(shù)點DOT位置為最高位，和T0高電平時間一致。第40頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日6. 顯示譯碼電路（trans） 這一部分在整機電路中的位置：第41頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日 輸入信號： Q3Q0四位二進制信號 輸出信號： a、b、c、d、e、f、g 對應(yīng)七段數(shù)碼管信號邏輯功能： Q3Q0 =10顯示 H。 Q3Q0 =

20、11顯示 。第42頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日7. 動態(tài)顯示選通電路(decsend) 這一部分在整機電路中的位置：第43頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日設(shè)計要點： 該部分用于為動態(tài)顯示單元產(chǎn)生動態(tài)掃描信號，送至動態(tài)顯示電路和LED選通。 當T0=0，選通H或K單位數(shù)碼管; 當T1=0，選通個位數(shù)碼管； 當T2=0，選通十位數(shù)碼管； 當T3=0，選通百位數(shù)碼管。輸入信號： FLASH 動態(tài)顯示時鐘， 來自實驗箱上的1kHz時鐘脈沖輸出信號： T0、T1、T2、T3 選通信號第44頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日8

21、. 自動量程轉(zhuǎn)換電路（AUTO） 這一部分在整機電路中的位置：第45頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日 不同輸入頻段在三個地方用到： 預(yù)處理：送入計數(shù)器前是否經(jīng)過10分頻； 閘門產(chǎn)生電路：閘門時間是1s還是10s； LED：小數(shù)點及單位顯示與頻段有關(guān)。2 sx.xx kHz1 10 kHz12 sxx.x Hz10 100 Hz2 sxxx Hz100 1000 Hz響應(yīng)時間小數(shù)點和單位閘門頻段1s10 s1 sfx分頻10分頻無無精度111第46頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日S2S1=00 中頻段(100Hz999Hz) 1秒閘門-不分頻。

22、無小數(shù)點，量程顯示Hz。S2S1=01 低頻段(10.0Hz99.9Hz) 10秒閘門-不分頻。個位前小數(shù)點亮，量程顯示Hz。S2S1=10 高頻段(1.00KHz9.99KHz) 1秒閘門-10分頻。十位前小數(shù)點亮，量程KHz。S2S1=11 無關(guān)項 定義為10秒閘門-10分頻。無小數(shù)點。量程顯示Hz。 設(shè)置頻段選擇標志SS=S2,S1 ：第47頁，共52頁，2022年，5月20日，22點45分，星期日進位信號(FLOW) 來自1000進制計數(shù)器。若1000進制計數(shù)器計數(shù)超過999，則產(chǎn)生進位信號（FLOW 1），否則FLOW0。若產(chǎn)生進位信號，說明量程太低，則提升量程。即低頻段轉(zhuǎn)為中頻段(SS=0100)，中頻段轉(zhuǎn)為高頻段(SS=0010)，若已經(jīng)是高頻段，則點亮溢出指標燈(OVER=1)。高位標志(HZERO) 來自鎖存單元。若1000進制計數(shù)器有百位數(shù)，則HZE