测量频率及占空比的频率计设计.doc

简易数字频率计设计 一、设计任务与要求： 设计一个具有如下功能的简易频率计。 （1）基本要求： a．被测信号的频率范围为1～20kHz，用4位数码管显示数据。 b．测量结果直接用十进制数值显示。 c．被测信号可以是正弦波、三角波、方波，幅值1～3V不等。 d．具有超量程警告（可以用LED灯显示，也可以用蜂鸣器报警）。 e．当测量脉冲信号时，能显示其占空比（精度误差不大于1%）。 （2）发挥部分： a．修改设计，实现自动切换量程。 b．构思方案，使整形时，跳变阈值自动进行调节，以实现扩宽被测信号的幅值范围。 二、方案设计与论证： （1）数字频率计概述： 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。 (2) 数字频率计方案选择： 本设计要求的测频范围是1~20KHZ，可分1~9999HZ和10.00~20.00KHZ两个量程，有两种不同的方案实现量程的划分： 方案1：将1HZ CLK信号二分频，取分频后信号的高电平作为测频的1S闸门信号，测量结果有5位，当结果小于9999HZ时选择低四位由数码管显示输出，大于9999HZ且小于20KHZ时，选择高四位输出，大于20KHZ时，超量程指示灯亮。 通过选择高四位或低四位来实现量程的自动转换。此方案的特点是实现方法简单，适合小范围的频率测量，但测频范围较大时，实现起来，测量速度较慢，还会造成所用元器件的浪费。 方案2：由分频来实现量程的划分，将基准信号经分频得1HZ和10HZ的分频信号，设置一信号量SEL，初值为1HZ，将SEL信号二分频取分频后信号的高电平作为测频的闸门信号。测频的量程为1~9999HZ时， SEL为1HZ，测频的闸门信号为1S；量程为10.00~20.00KHZ时，将SEL为10HZ，同时表示小数点的指示灯亮，测频的闸门信号为0.1S；当测量结果小于9999HZ时，SEL赋值为10HZ，测量结果大于9999HZ且小于20KHZ时，SEL赋值为10HZ，测量结果大于20KHZ时，超量程指示灯亮从而实现量程的自动转换。此方案的特点是测频范围较小时，分频略显麻烦。但总体实现起来较为可行。 比较两方案可知：对于本设计，方案1较方案2简单，方案1结果有5位，按情况选择4位输出显示即可实现频率的测量和量程的自动转换；而方案2要经过分频略显麻烦。但是，在本设计中，频率测量范围较小，量程划分也简单， 所以，我选方案1进行设计。 方案一原理图： 方案二原理图： （3）实验相关电路原理： （1）设计原理： a 测频率： 数字频率计的核心是电子计数器。电子计数器可以对脉冲数目进行累加运算，能把任意一段时间内的脉冲总数计算出并由数码管显示出来。如某个时间间隔t内对周期性信号的累加计数值为N，则信号频率f为f＝N/t?。 ? 因此，首先应将被测信号变成周期性的脉冲，脉冲形成电路就是起这个作用，其脉冲的重复频率等于被测信号频率。脉冲形成后将它加到闸门电路的一个输入端A，闸门电路就是用来控制开和关的一种电路，当具有标准时间的闸门脉冲到达时，闸门便开启，允许由A进入的脉冲通过；闸门脉冲结束后，闸门便关闭，信号就不能通过。闸门开启时通过的脉冲送到电子计数器进行计数，由装在面板上的数码管显示出来。例如，时基信号的作用时间为1秒，闸门电路将打开1秒，若在这段时间内通过闸门电路的脉冲数目为1000个，则被测信号的频率就是1000Hz。 b 测占空比： 测占空比有很多种方法，本设计采用多周期测量法其测量原理是：预置的时间和被测信号同时输入到同步电路，在同步电路输出端得到一个与被测信号同步的闸门信号。基准信号同时控制两个闸门的开启和关闭。在相同的闸门开启时间内，两个计数器分别对被测信号的通过的高电平和低电平个数进行计数，对得出的结果做运算，得到的结果即为被测信号的占空比。 （2）超高速A/D、D/A板GW_ADDA说明： GW_ADDA板含两片10位超高速DAC（转换速率最高150MHz）和一片8位ADC（转换速率最高50MHz），另2片3dB带宽大于260MHz的高速运放组成变换电路。 GW_ADDA板上所有的A/D和D/A全部处于使能状态，除了数据线外，任一器件的控制信号线只有时钟线，这有利于高速控制和直接利用MATLAB/DSP Builder工具的设计。GW_ADDA板上工作时钟必须由FPGA的I/O口提供，且DAC和ADC的工作时钟是分开的。无法直接利用MAT