低頻數(shù)字頻率計

低頻數(shù)字頻率計第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日設計任務1.測頻范圍10.0Hz～9.99KHz；2.測量誤差小于等于1%；3.響應時間不大于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計。一、設計內(nèi)容：用PLD器件EPM7128SLC84-15設計一個低頻數(shù)字頻率計。二、性能與技術指標第二頁，共五十二頁，2022年，8月28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：99.9Hz、999.Hz和9.99kHz。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，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110.0Hz～99.9Hz2100Hz～999Hz31.00KHz～9.99kHz第三頁，共五十二頁，2022年，8月28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1Hz、8Hz1kHz時鐘溢出指示LEDfx被測信號控制電路整形待設計電路第四頁，共五十二頁，2022年，8月28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，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：第五頁，共五十二頁，2022年，8月28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。第六頁，共五十二頁，2022年，8月28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）。第七頁，共五十二頁，2022年，8月28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，則第八頁，共五十二頁，2022年，8月28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法適合于低頻信號的測量。第九頁，共五十二頁，2022年，8月28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分頻第十頁，共五十二頁，2022年，8月28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，則第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28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。第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28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10Hz~100Hz，要求測量誤差小于等于1%，可以通過增大閘門時間（TG＝10s）來提高測量精度。此時，誤差達到要求；響應時間可以達到12s（10s的閘門時間，及2s的鎖存延遲時間），也達到要求。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1~10kHz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)。只要顯示時設置合適的小數(shù)點和單位即可。第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日得到分頻段測量方案：≤2sx.xxkHz1～10kHz≤12sxx.xHz10～100Hz≤2sxxxHz100～1000Hz響應時間小數(shù)點和單位閘門頻段1s10s1sfx分頻10分頻無無精度≤1％≤1％≤1％分頻段測量原理框圖：＆10×10×10計數(shù)器控制電路清零信號閘門信號(1sor10s)鎖存器鎖存信號10分頻頻段選擇信號1Hz8Hz第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28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第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日2.動態(tài)顯示動態(tài)顯示是利用人的視覺滯留效應，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1kHz4位鎖存器44顯示譯碼84位鎖存器44選擇器(顯示控制)444單位顯示4第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28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)。第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日單元電路設計0.總體框圖在PLD設計數(shù)字頻率計時，整機電路位于最上層，通常應在單元電路設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。單元電路設計包括：（1）testin：被測信號預處理電路（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)換控制電路第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28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：選通第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日1.輸入預處理（testin）這一部分在整機電路中的位置：第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日輸入：

TEST:待測信號；S2:頻段控制信號?！?’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。邏輯關系：當分頻控制S2

＝0(fx為10-1000Hz)時，CP＝TEST(fx)；當分頻控制S2

=1(fx為1-10kHz)時，CP＝TEST(fx)的十分頻。第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日分頻控制電路的測試結(jié)果第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日2.閘門信號控制電路（gatesig）這一部分在整機電路中的位置：第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日數(shù)字頻率計的設計關鍵是控制電路的設計，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。第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日閘門、清零和鎖存信號的關系：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。第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日閘門信號清零信號鎖存信號CP脈沖時序關系：第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28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。第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日閘門信號控制電路的測試結(jié)果第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日3.1000計數(shù)器（cnt1k）這一部分在整機電路中的位置：第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28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)脈沖來自被測信號預處理電路的輸出，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。第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28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Q13－Q10,Q23－Q20,Q33－Q30: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，由清零脈沖復位；第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28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：第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28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。第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日輸入信號：LOCK：鎖存信號D11～D0：輸入信號，來自1000進制計數(shù)器輸出信號：Q11～Q0：輸出信號HZERO:計數(shù)器高位零指示，Q11－Q8為0時置高電平；第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日鎖存單元的測試結(jié)果第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日5.動態(tài)顯示電路（display）這一部分在整機電路中的位置：第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28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－無關項，可將它作為中頻段。第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日輸入信號：T3～T0－選通信號S2,S1－頻段選擇A3～A0－個位數(shù)B3～B0－十位數(shù)C3～C0－百位數(shù)輸出信號：D、C、B、A：動態(tài)四位二進制數(shù)DOT－小數(shù)點顯示第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日動態(tài)顯示電路的測試結(jié)果該圖表示當T0－T3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。第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日該圖表示當S2S1=”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。第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日6.顯示譯碼電路（trans）這一部分在整機電路中的位置：第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日輸入信號：Q3～Q0－四位二進制信號輸出信號：a、b、c、d、e、f、g－對應七段數(shù)碼管信號邏輯功能：Q3～Q0

=10－顯示H。Q3～Q0

=11－顯示├。第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28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：第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日設計要點：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——選通信號第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日8.自動量程轉(zhuǎn)換電路（AUTO）這一部分在整機電路中的位置：第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日不同輸入頻段在三個地方用到：預處理：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?！?sx.xxkHz1～10kHz≤12sxx.xHz10～100Hz≤2sxxxHz100～1000Hz響應時間小數(shù)點和單位閘門頻段1s10s1sfx分頻10分頻無無精度≤1％≤1％≤1％第四十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日S2S1=00––中頻段(100Hz~999Hz)1秒閘門-不分頻。無小數(shù)點，量程顯示Hz。S2S1=01––低頻段(10.0Hz~99.9Hz)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(1.00KHz~9.99KHz)1秒閘門-10分頻。十位前小數(shù)點亮，量程KHz。S2S1=11––無關項定義為10秒閘門-10分頻。無小數(shù)點。量程顯示Hz。設置頻段選擇標志SS=[S2,S1]：第四十七頁，共五十二頁，2022年，8月28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FLOW＝0。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