1、（一）（一）任务任务 设计并制作一台数字显示的简易频率计设计并制作一台数字显示的简易频率计。（二）（二）要求要求1.基本要求基本要求 (1)(1)频率测量频率测量 a.测量范围测量范围 信号：方波、正弦波 幅度：0.5V5V注 频率：1Hz1MHz b.测试误差测试误差0.1%(2)(2)周期测量周期测量 a.a.测量范围测量范围 信号：方波、正弦波 幅度：0.5V5V注 频率：1Hz1MHz b.测试误差测试误差0.1%（3）脉冲宽度测量脉冲宽度测量 a.a.测量范围测量范围 信号：脉冲波 幅度：0.5V5V注 脉冲宽度100s b.b.测试误差测试误差0.1%（4）显示器显示器 十进制数字
2、显示，显示刷新时间110秒 连续可调，对上述三种测量功能分别采用不同颜色的 发光二极管指示。（5）具有自校功能，时标信号频率为具有自校功能，时标信号频率为1MHz。（6）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。2.2.发挥部分发挥部分（1 1）扩展频率测量范围为）扩展频率测量范围为0.1Hz0.1Hz10MHz(10MHz(信号幅信号幅度：度：0.5V0.5V5V5V 注注)，测试误差降低为，测试误差降低为0.01%0.01%（最大（最大闸门时间闸门时间10s10s）。）。（2 2）测量并显示周期脉冲信号（幅度）测量并显示周期脉冲信号（幅度0.5V
3、0.5V5V5V 注注、频率、频率1Hz1Hz1KHz1KHz）的占空比，占空比变化）的占空比，占空比变化范围为范围为10%10%90%90%，测试误差，测试误差1%1%。（3 3）在）在1Hz1Hz1MHz1MHz范围内及测试误差范围内及测试误差0.1%0.1%的条的条 件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干 扰的措施。扰的措施。题题 解解 部部 分分1.1题目分析题目分析1.1.1设计者特定背景知识的自查与准备设计者特定背景知识的自查与准备 1.1.2顶层要求的确认顶层要求的确认要实现的测量功能要实现的测量功能以及测量精度。以及测量精度。即即明
4、确明确“做什么做什么”以及“做到做到何种程度何种程度”即质量的要求：测量功能：测量功能：测频、测周期、测脉冲宽度以及测脉冲的占空比（占空比（发挥部分发挥部分）。测频、测周期、测脉冲宽度的误差测频、测周期、测脉冲宽度的误差：0.1%；测占空比的误差：测占空比的误差：1%1%。(发挥部分）发挥部分）(10-3)其次，在顶层设计中应当明确的主要技术指标：其次，在顶层设计中应当明确的主要技术指标：被测信号的频率范：被测信号的频率范：1Hz1MHz;误差0.1%(基本基本要求要求);0.1Hz10MHz,误差误差0.01%（发挥要求发挥要求）被测脉冲信号的宽度被测脉冲信号的宽度：100s 最大闸门时间：
5、最大闸门时间：10s；显示刷新时间在1s10s之间连续可调还有一些设计要求与技术指标将在设计由顶层向底层过渡之中逐步予以关注和考虑。至此，对该题至此，对该题“做什么做什么”以及以及“做到何种程做到何种程度度”即质量的要求即质量的要求也就明确了。也就明确了。下一步工作就转向分析实现该频率计的各项要求下一步工作就转向分析实现该频率计的各项要求所应当采用的所应当采用的测量方法。测量方法。对各种数字化测频、测周法的对各种数字化测频、测周法的1误差进行比较误差进行比较:1.1.直接测量法直接测量法 被测的 fx 越 低,测频1误差越大;被测的 fx 越高,测周1误差越大;2.2.直接与间接测量相结合的方
6、法直接与间接测量相结合的方法 中界频率:fm =（1.7)p.68 当 fx fm时,直接测频,间接测周;当 fx fm时,直接测周,间接测频.3.3.多周期同步测量法多周期同步测量法(倒数计数器法倒数计数器法)从根本上从根本上消除了消除了1 1误差误差,实现了等精度测量实现了等精度测量1.1.3 测量方法的分析与比较测量方法的分析与比较0TTkS101kSTT 1.1.4 尚未涉及的其它问题尚未涉及的其它问题1 1）脉宽测试误差的分析）脉宽测试误差的分析被测被测脉宽脉宽100s，测试误差测试误差0.1%，可以达到可以达到。2 2）脉冲占空比测试误差的分析）脉冲占空比测试误差的分析被测脉冲频率
7、被测脉冲频率1Hz1KHz，占空比占空比10%90%，幅度幅度0.5V5V；要求误差要求误差1%，可以达到可以达到。3 3）被测信号幅度、频率范围及输入通道放大器）被测信号幅度、频率范围及输入通道放大器自认0.02V，频率0.1Hz10MHz,输入电阻1M4 4）稳压电源的设计）稳压电源的设计估计数字电源5V,1A;模拟电源5V;615V,均为200mA 1.2 设设 计计 方方 案案 讨讨 论论 1.2.1 方 案 的 选 择1.1.测量方法的选择测量方法的选择 选用多周期同步测量法选用多周期同步测量法2.2.实现技术的选择实现技术的选择 纯 硬 件 实 现 法 纯 硬 件 实 现 法（可
8、选 的 器 件 有 通 用 的（可 选 的 器 件 有 通 用 的SSI/MSI/LSISSI/MSI/LSI集成电路、专用集成电路、可编集成电路、专用集成电路、可编程逻辑器件程逻辑器件如如isPLDisPLD器件等）；器件等）；纯软件实现法纯软件实现法（可选的平台有可选的平台有PCPC机、单片机、机、单片机、DSPDSP器件等）；器件等）；软硬件相结合的实现法软硬件相结合的实现法（由、中选择与组（由、中选择与组合）。合）。1.3.1 1.3.1 系系 统统 级级 框框 图图频频 率率 计计 的的 面面 板板 布布 置置 图图1.3.2 1)频率计子系统的划分频率计子系统的划分 测量控制及测量
9、控制及功能切换逻辑功能切换逻辑2)2)各个子系统的主要技术指标及其组成各个子系统的主要技术指标及其组成(1)(1)输入通道输入通道 （考虑发挥部分要求时）（考虑发挥部分要求时）带宽:010MHz;输入电阻:1M;增益:2/0.02=100(用TTL整形级时)(2)(2)多周期同步等精度测量控制及功能切换逻辑多周期同步等精度测量控制及功能切换逻辑 计数器容量:107108;工作频率:10MHz(3)(3)单片机子系统单片机子系统(根据下列要求选用根据下列要求选用AT89C51)由由+5V电源电源供电，供电，I/O口与口与TTLTTL电平兼容，并有足够数目的电平兼容，并有足够数目的I/O口；要有丰
10、富的四则算术运算和逻辑运算指令，指令执行速口；要有丰富的四则算术运算和逻辑运算指令，指令执行速度要快；片内除度要快；片内除RAM外还要有外还要有EPROM；至少有两个；至少有两个16位位的定时器的定时器/计数器；有外部中断输入引脚；具有串行通信计数器；有外部中断输入引脚；具有串行通信口；价格要低廉。口；价格要低廉。多多 周周 期期 同同 步步 等等 精精 度度 测测 量量 控控 制制 及及 切切 换换 逻逻 辑辑图图1.3.5图图1.3.6单片机与外围部件的互连方案单片机与外围部件的互连方案1.4 设计的进一步细化设计的进一步细化 1.4.11.4.1输入通道的详细设计输入通道的详细设计 1）
11、输入通道中的模拟部分的详细设计 2）输入通道中的数字部分的详细设计 1.4.2 1.4.2 综合数字模块子系统综合数字模块子系统 测量控制及测量控制及 功能切换逻辑功能切换逻辑 +其它辅助数字部件的详细设计其它辅助数字部件的详细设计 1)核心电路-图1.3.5;2)辅助数字部件共10个 1.4.3 1.4.3 单片机子系统软件的设计单片机子系统软件的设计 1)主程序;2)子程序主要有4个(键盘中断服务子程序;软件计数器子程序;数据处理子程序;测量结果刷新显示子程序)图图1.4.1图图1.4.2被测信号边沿选择电路被测信号边沿选择电路图图1.4.3被测信号边沿选择电路的工作波形图被测信号边沿选择
12、电路的工作波形图图图 1.4.4 由由ispPLD实现的（虚线框内）综合数字模块子系统的总图实现的（虚线框内）综合数字模块子系统的总图用ispLSI 1032来实现辅辅 助助 数数 字字 部部 件件 共共 10 10 个个 脉冲边沿选择电路；预置闸门时间选择计数器和指示驱动电路；通道条件码输入接口；闸门灯驱动器；按键接口电路；单/双通道选择信号产生逻辑；低12bit时间计数器、28bit事件计数器；前述两个计数器与单片机的接口逻辑（可寻址的8bit的6选1多路选择器）；驱动LED数码显示器的98位移位寄存器及缓冲器（包含单位符号指示灯驱动电路在内）；1MHz时标信号及1Hz脉冲发生器电路。用i
13、spLSI 1032来实现图图 1.4.5 频频 率率 计计 的的 测测 量量 流流 程程主主 程程 序序 流流 程程 图图1234P1.6=0P1.7=1(续前）主续前）主 程程 序序 流流 程程 图图56781.5 测试方案测试方案1.5.11.5.1测试步骤与方法概述测试步骤与方法概述先对三个子系统分别进行测试先对三个子系统分别进行测试,最后将三个子系最后将三个子系统互连起来，进行整个系统的总体测试。统互连起来，进行整个系统的总体测试。1.5.21.5.2频率计子系统的测试步骤与方法频率计子系统的测试步骤与方法1.输入通道模拟电路部分测试步骤与方法输入通道模拟电路部分测试步骤与方法2.综
14、合数字功能模块的测试步骤与方法综合数字功能模块的测试步骤与方法应充分运用应充分运用EDAEDA工具的功能模拟和定时模拟能力，去替工具的功能模拟和定时模拟能力，去替代使用测试仪器去完成大量而复杂的测试工作。代使用测试仪器去完成大量而复杂的测试工作。3.单片机子系统的测试步骤与方法单片机子系统的测试步骤与方法先测试硬件，再测试软件，最后软硬件联合测试。先测试硬件，再测试软件，最后软硬件联合测试。测试主要用仿真器仿真器，也要用到示波器、电压表等仪器。（续前）对单片机子系统的硬件的测试，就是（续前）对单片机子系统的硬件的测试，就是测试与它相连的做在测试与它相连的做在isPLD器件内的外围部件器件内的外
15、围部件的工作是否正常。方法是针对要测的硬件编写的工作是否正常。方法是针对要测的硬件编写一个、一个的读写小程序，输入到仿真器中去，一个、一个的读写小程序，输入到仿真器中去，分别对每个外围部件的读分别对每个外围部件的读/写功能进行测试。写功能进行测试。软件测试的主要工具仍然是仿真器。应当先软件测试的主要工具仍然是仿真器。应当先测试子程序，后测试主程序。测试子程序，后测试主程序。测试中要灵活运用插入暂停、局部循环指令以测试中要灵活运用插入暂停、局部循环指令以及仿真器的单步调试功能。并用直流电压表或及仿真器的单步调试功能。并用直流电压表或示波器去测量硬件上的有关电平或波形。示波器去测量硬件上的有关电平
16、或波形。4.总总 体体 测测 试试 所有子系统均测试通过后所有子系统均测试通过后,才能将它们全部互才能将它们全部互连起来进行总体测试。这时所用的仪器主要是：连起来进行总体测试。这时所用的仪器主要是：函数发生器；通用计数器（可测量频率、周期、函数发生器；通用计数器（可测量频率、周期、时间等）；交流电压表；示波器。它们的工作频时间等）；交流电压表；示波器。它们的工作频率应覆盖率应覆盖0 020MHz20MHz。电源接通后，检查频率计默认测频工作状态以电源接通后，检查频率计默认测频工作状态以及自检功能是否正常，然后用函数发生器作为测及自检功能是否正常，然后用函数发生器作为测试信号源，同时接到所制作的
17、频率计和通用计数试信号源，同时接到所制作的频率计和通用计数器的输入端，按设计任务书要求的测量项目逐个器的输入端，按设计任务书要求的测量项目逐个进行测试，将频率计和通用计数器的读数分别记进行测试，将频率计和通用计数器的读数分别记录下来。计算各个测量项目的测量误差，并与任录下来。计算各个测量项目的测量误差，并与任务书要求进行比较。务书要求进行比较。同步化闸门启动定时器同步化闸门启动定时器T0键盘中断与显示时间调节键盘中断与显示时间调节AT89C51C51单片机定时器的结构与方式字单片机定时器的结构与方式字 T0=1sf0=12MHz图图1.6.1 计数式测频的原理方框图计数式测频的原理方框图 fX
18、=N/TS 闸门时间闸门时间图图 1.6.3 计数式测周期的原理框图计数式测周期的原理框图 TX=N T0/k 时标时标图图1.6.5测量时间间隔的原理方框图测量时间间隔的原理方框图 TX=N T0 图图1.6.7 脉冲宽度和上升时间的测量脉冲宽度和上升时间的测量(a)测量脉冲宽度；测量脉冲宽度；(b)测脉冲上升时间测脉冲上升时间1s1s闸门闸门1s1s时标时标图1.21 直接测频和直接测周期的量化误差 图图1.6.9 倒数计数器（多周期同步测量）倒数计数器（多周期同步测量）原原 理理 方方 框框 图图CBAfNNfx=fx=NA/TNB=fCT T 图图1.6.9 倒数计数器（多周期同步测量
19、）倒数计数器（多周期同步测量）时时 间间 波波 形形 图图 P1.610s、1s、0.1s、10ms、1ms图图1.6.10等精度测时间间隔的原理框图等精度测时间间隔的原理框图图图1.6.11 等精度测量时间间隔的工作波形图等精度测量时间间隔的工作波形图NB=NAfC TXCABXfNNT电压比较器电压比较器 MAX902 MAX902 要求输入信号的最小要求输入信号的最小过零压摆率：过零压摆率：(P.52(P.52 P.53)P.53)SR=0.5V/s SR=2 f X Um Um=0.5/2 0.1 0.8V最小输入信号的峰值最小输入信号的峰值:Uimin=0.02 V要求放大级的增益：要求放大级的增益：GA Um/Uimin 302
