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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~100Hz

100Hz~1KHz

1KHz~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

小数点位

频率范围单位响应时间

置

10Hz≤f100Hz××.×Hz≤12秒

100Hz≤f1KHz×××.Hz≤2秒

1KHz≤f10KHz×.××KHz≤2秒

3、扩展要求

实现量程的自动转换。

二、方案设计与论证

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2-2-1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

译码显示

f

f脉冲放大

Vi门电路计数

与整形

1s

秒脉冲

发生器

图2-2-1频率测量原理框图

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，在闸门信号相同时，测频法的相对误差与被测信号的频率成反

闸门信号

1s

f=2

真