測(cè)量頻率及占空比的頻率計(jì)設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——測(cè)量頻率及占空比的頻率計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：

設(shè)計(jì)一個(gè)具有如下功能的簡(jiǎn)易頻率計(jì)。

（1）基本要求：

a．被測(cè)信號(hào)的頻率范圍為1～20kHz，用4位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。b．測(cè)量結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)值顯示。

c．被測(cè)信號(hào)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燈顯示，也可以用蜂鳴器報(bào)警）。e．當(dāng)測(cè)量脈沖信號(hào)時(shí)，能顯示其占空比（精度誤差不大于1%）。

（2）發(fā)揮部分：

a．修改設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換量程。

b．構(gòu)思方案，使整形時(shí)，跳變閾值自動(dòng)進(jìn)行調(diào)理，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)寬被測(cè)信號(hào)的幅值范圍。

二、方案設(shè)計(jì)與論證：

（1）數(shù)字頻率計(jì)概述：

數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波、尖脈沖信號(hào)和其他具有周期特性的信號(hào)的頻率，而且還可以測(cè)量它們的周期。經(jīng)過(guò)改裝，可以測(cè)量脈沖寬度，做成數(shù)字式脈寬測(cè)量?jī)x；可以測(cè)量電容做成數(shù)字式電容測(cè)量?jī)x；在電路中增加傳感器，還可以做成數(shù)字脈搏儀、計(jì)價(jià)器等。因此數(shù)字頻率計(jì)在測(cè)量物理量方面應(yīng)用廣泛。

(2)數(shù)字頻率計(jì)方案選擇：

本設(shè)計(jì)要求的測(cè)頻范圍是1~20KHZ，可分1~9999HZ和10.00~20.00KHZ兩個(gè)量程，有兩種不同的方案實(shí)現(xiàn)量程的劃分：

方案1：將1HZCLK信號(hào)二分頻，取分頻后信號(hào)的高電平作為測(cè)頻的1S閘門(mén)信號(hào)，測(cè)量結(jié)果有5位，當(dāng)結(jié)果小于9999HZ時(shí)選擇低四位由數(shù)碼

管顯示輸出，大于9999HZ且小于20KHZ時(shí)，選擇高四位輸出，大于20KHZ時(shí)，超量程指示燈亮。

通過(guò)選擇高四位或低四位來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。此方案的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，適合小范圍的頻率測(cè)量，但測(cè)頻范圍較大時(shí)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)，測(cè)量速度較慢，還會(huì)造成所用元器件的浪費(fèi)。

方案2：由分頻來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的劃分，將基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)分頻得1HZ和10HZ的分頻信號(hào)，設(shè)置一信號(hào)量SEL，初值為1HZ，將SEL信號(hào)二分頻取分頻后信號(hào)的高電平作為測(cè)頻的閘門(mén)信號(hào)。測(cè)頻的量程為1~9999HZ時(shí)，SEL為1HZ，測(cè)頻的閘門(mén)信號(hào)為1S；量程為10.00~20.00KHZ時(shí)，將SEL為10HZ，同時(shí)表示小數(shù)點(diǎn)的指示燈亮，測(cè)頻的閘門(mén)信號(hào)為0.1S；當(dāng)測(cè)量結(jié)果小于9999HZ時(shí)，SEL賦值為10HZ，測(cè)量結(jié)果大于9999HZ且小于20KHZ時(shí)，SEL賦值為10HZ，測(cè)量結(jié)果大于20KHZ時(shí)，超量程指示燈亮從而實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。此方案的特點(diǎn)是測(cè)頻范圍較小時(shí)，分頻略顯麻煩。但總體實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為可行。

比較兩方案可知：對(duì)于本設(shè)計(jì)，方案1較方案2簡(jiǎn)單，方案1結(jié)果有5位，按狀況選擇4位輸出顯示即可實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量和量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；而方案2要經(jīng)過(guò)分頻略顯麻煩。但是，在本設(shè)計(jì)中，頻率測(cè)量范圍較小，量程劃分也簡(jiǎn)單，所以，我選方案1進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案一原理圖：

方案二原理圖：

（3）試驗(yàn)相關(guān)電路原理：（1）設(shè)計(jì)原理：a測(cè)頻率：

數(shù)字頻率計(jì)的核心是電子計(jì)數(shù)器。電子計(jì)數(shù)器可以對(duì)脈沖數(shù)目進(jìn)

行累加運(yùn)算，能把任意一段時(shí)間內(nèi)的脈沖總數(shù)計(jì)算出并由數(shù)碼管顯示出來(lái)。如某個(gè)時(shí)間間隔t內(nèi)對(duì)周期性信號(hào)的累加計(jì)數(shù)值為N，則信號(hào)頻率f為f＝N/t。

因此，首先應(yīng)將被測(cè)信號(hào)變成周期性的脈沖，脈沖形成電路就是起這個(gè)作用，其脈沖的重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)頻率。脈沖形成后將它加到閘門(mén)電路的一個(gè)輸入端A，閘門(mén)電路就是用來(lái)控制開(kāi)和關(guān)的一種電路，當(dāng)具有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的閘門(mén)脈沖到達(dá)時(shí)，閘門(mén)便開(kāi)啟，允許由A進(jìn)入的脈沖通過(guò)；閘門(mén)脈沖終止后，閘門(mén)便關(guān)閉，信號(hào)就不能通過(guò)。閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)通過(guò)的脈沖送到電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，由裝在面板上的數(shù)碼管顯示出來(lái)。例如，時(shí)基信號(hào)的作用時(shí)間為1秒，閘門(mén)電路將開(kāi)啟1秒，若在這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)閘門(mén)電路的脈沖數(shù)目為1000個(gè)，則被測(cè)信號(hào)的頻率就是1000Hz。

b測(cè)占空比：

測(cè)占空比有好多種方法，本設(shè)計(jì)采用多周期測(cè)量法其測(cè)量原理是：預(yù)置的時(shí)間和被測(cè)信號(hào)同時(shí)輸入到同步電路，在同步電路輸出端得到一個(gè)

與被測(cè)信號(hào)同步的閘門(mén)信號(hào)?；鶞?zhǔn)信號(hào)同時(shí)控制兩個(gè)閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。在一致的閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)的通過(guò)的高電平和低電平個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)得出的結(jié)果做運(yùn)算，得到的結(jié)果即為被測(cè)信號(hào)的占空比。

（2）超高速A/D、D/A板GW_ADDA說(shuō)明：

GW_ADDA板含兩片10位超高速DAC（轉(zhuǎn)換速率最高150MHz）和一片8位ADC（轉(zhuǎn)換速率最高50MHz），另2片3dB帶寬大于260MHz的高速運(yùn)放組成變換電路。

GW_ADDA板上所有的A/D和D/A全部處于使能狀態(tài)，除了數(shù)據(jù)線外，任一器件的控制信號(hào)線只有時(shí)鐘線，這有利于高速控制和直接利用MATLAB/DSPBuilder工具的設(shè)計(jì)。GW_ADDA板上工作時(shí)鐘必需由FPGA的I/O口提供，且DAC和ADC的工作時(shí)鐘是分開(kāi)的。無(wú)法直接利用MATLAB和DSPBuilder進(jìn)行自動(dòng)流程的設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是時(shí)鐘頻率簡(jiǎn)單變化，且可通過(guò)Cyclone中的PLL的到幾乎任何時(shí)鐘頻率。由此即可測(cè)試ADC和DAC的最高轉(zhuǎn)換頻率。

兩個(gè)電位器可分別調(diào)協(xié)兩個(gè)D/A輸出的幅度（輸出幅度峰峰值不可大于5V，否則波形失真）；模擬信號(hào)從接插口的2針“AIN〞輸入，J1和J2分別是模擬信號(hào)輸出的PA、PB口，也可在兩掛鉤處輸出，分別是兩個(gè)10位DA5651輸出口。

注意，使用A/D，D/A板必需開(kāi)啟GW48-PK2主系統(tǒng)板上的+/-12V電源，用后關(guān)閉！

5510/5540數(shù)據(jù)輸出D7D6D5D4D3D2D1D0Pin213Pin214Pin193Pin227Pin194Pin228Pin207Pin208D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)據(jù)輸入Pin141(PIO36)Pin158(PIO37)Pin159(PIO38)Pin160(PIO39)Pin161(PIO40)Pin162(PIO41)Pin163(PIO42)Pin164(PIO43)Pi