数字频率计设计与仿真

河北联合大学2011级本科课程设计简易数字频率计的设计姓名: 张如林学号: 201114050113班级: 11电气1班2013年12月18摘要 (1)一，概述 (2)二，方案设计 (2)1.设计题目 (2)2.设计任务和要求 (2)3.程序设计思路 (2)三，单元电路设计与Multisim仿真分析 (3)1.1Hz时基电路 (4)2.六进制计数器门控电路 (4)3.NE555施密特整形电路 (7)4.计数、锁存、驱动、显示电路 (7)5.整体仿真电路 (7)四，总原理图及元器件清单 (8)1.总原理图 (8)2.元器件清单 (9)五．结论 (10)六．心得体会 (10)七．参考文献 (11)八．附录 (12)在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。

测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。

常用的频率测量方法有测频法、测周法、测周期/频率法、F/V与A/D法。

1一、概述频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。

输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，方波。

而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。

在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。

所以在通过整形之前通过放大衰减处理。

当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。

当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益时，被测信号得以放大。

一、实验名称数字频率计的设计二、实验地点211楼303三、实验目的和任务(1) 了解数字电路设计的基本特点(2) 了解数字频率计电路的基本原理(3) 基本掌握ISE 软件的使用（设计输入、仿真、实现）(4) 了解可编程逻辑器件（FPGA ）的一般情况(5) 基本掌握HDL 的使用四、实验内容(1) 设计出符合设计要求的解决方案(2) 设计出单元电路(3) 利用EDA 软件对各单元电路及整体电路进行仿真(4)利用EDA 软件在ELB 电子课程设计实验板实现设计(5) 观察实验结果五、项目需用仪器设备名称以及所需主要元器件PC 机、EDA教学实验系统一台,带有（SPARTAN -3A XC3S200A芯片,LED 管, 七段数码管等）的实验板一块, 跳线、下载电缆一根,函数发生器。

六、实验任务与要求频率测量范围为10Hz～10MHz，用6只数码管以kHz为单位显示测量结果；有三个带锁按键开关(任何时候都只会有一个被按下)用来选择1S、0.1S和0.01S三个闸门时间中的一个；有一个按钮开关用来使频率计复位；有两只LED，一只用来显示闸门的开与闭，另一只当计数器溢出时做溢出指示。

数字频率计的相关技术指标如下：1、位数:测量频率通过LED数码管为六位十进制数显示。

2、测试频率范围为：10HZ-10MHZ。

3、计数器溢出时要有溢出标志over。

4、需要有闸门标志gate。

5、显示工作方式：a、用BCD七段共阳极数码管显示读数，只有在读数不发生跳变时才是正确的结果。

b、采用记忆显示方法，即在一次测试结束时，显示测试结果，此显示值一直保留到下次测量显示数到来，才将上次显示更新。

用第二次测试结果，更新显示值。

6、要求被测输入信号应是符合数字电路要求的脉冲波。

七、verilog设计环境介绍VerilogVerilog HDL是目前应用最为广泛的硬件描述语言．Verilog HDL可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。

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上海电力学院课题名称数字频率计课题代码 201 院(系）电力与自动化工程学院专业电气工程及其自动化班级学号及姓名时间指导教师签名：教研室主任（系主任)签名:任务书一、目的1、了解并掌握电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力.2、通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；进一步掌握电子仪器的正确使用方法。

3、学会使用EDA软件Multisim对电子电路进行仿真设计.4、初步掌握普通电子电路的安装、布线、调试等基本技能.5、提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写课程设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

二、设计内容、要求及设计方案1、任务设计并制作1个数字式频率计。

2、基本要求1）被测信号为TTL脉冲信号。

2）显示的频率范围为00～99Hz。

3)测量精度为±1 Hz.4）用LED数码管显示频率数值.3、扩展部分1）输入信号为正弦信号、三角波，幅值为l0mV。

2）显示的频率范围为0000～9999Hz.3）提高测量的精度至0.1Hz.4、设计方案频率是指单位时间（1s）内信号振动的次数。

从测量的角度看，即单位时间测得的被测信号的脉冲数。

电路的方框图如图1所示。

被测信号送入通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲,这些脉冲加到主门的A输入端,门控双稳输出的门控信号加到主门的B输入端。

基于Proteus的数字频率计设计与仿真摘要：本文主要论述了利用单片机AT89C51进行频率、周期、时间间隔、占空比测量的设计过程。

该频率计采用测量N个信号波形周期的算法，充分利用单片机AT89C51中三个可编程定时/计数器，结合部分中规模数字电路，克服了基于传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的下降而降低的缺点，实现了频率、周期、时间差、占空比的高精度测量，结果的显示。

该数字频率计的硬件系统电路由前置整形电路、分频电路、基准信号源、单片机电路和数字显示电路构成。

其中单片机电路又由单片机、数据选择器、键盘、状态指示电路构成。

软件系统由主程序、键盘子程序、显示子程序、测量子程序、脉冲高、低电平宽度测量子程序构成，由汇编语言编写。

通过硬件系统和软件系统的相互配合，成功的实现了频率、周期、时间差、占空比的高精度测量，系统的自校和测量结果的显示。

关键词：数字频率计；周期；单片机Digital Frequency Measure Design and Simulation Based on ProteusAbstract:This article mainly discusses the design process of us ing single-chip AT89C51to measure frequency, cycle, time interval and duty cycle. U s ing the algorithm of measur ing N signal cycle, mak ing full use of the three programmable timer / counter of single-chip AT89C51, combined with some digital circuits, t he frequency meter overcome s the shortcomings of the measurement accuracy reduces with the reduction of the frequency of the measured signal by t he frequency meter based on the principle of traditional measurement of frequency , achieves high-precision measurements of the frequency, cycle, time difference and duty cycle, displays the results. The hardware system circuit s of the digital frequency meter is made up of the pre-shaping circuit, sub-frequency circuit, reference signal source, single-chip circuit, digital display circuit and DC power supply regulator circuit. Of it, the s ingle-chip circuit consists of single-chip, data selector and keyboards. The s oftware system is made up of main program, keyboard s ubroutine, display subroutine, measurement subroutine, pulse high and low level width measurement subroutine, prepared by the assembly language. T hrough the cooperat ion with each other of the h ardware system and software system,t he frequency meter successfully achieves high-precision measurements of frequency,cycle, time difference, and duty cycle, finishes s ystem calibration and the display of measurement results.Keywords：d igital frequency meter;cycle; single-chip1绪论·1.1课题研究的意义随着科学技术的发展，尤其是单片机技术和半导体技术的高速发展，频率计的研究及应用越来越受到重视，这样对频率测量设备的要求也越来越高。

基于Proteus的数字频率计设计与仿真摘要：本文主要论述了利用单片机AT89C51进行频率、周期、时间间隔、占空比测量的设计过程。

该频率计采用测量N个信号波形周期的算法，充分利用单片机AT89C51中三个可编程定时/计数器，结合部分中规模数字电路，克服了基于传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的下降而降低的缺点，实现了频率、周期、时间差、占空比的高精度测量，结果的显示。

该数字频率计的硬件系统电路由前置整形电路、分频电路、基准信号源、单片机电路和数字显示电路构成。

其中单片机电路又由单片机、数据选择器、键盘、状态指示电路构成。

软件系统由主程序、键盘子程序、显示子程序、测量子程序、脉冲高、低电平宽度测量子程序构成，由汇编语言编写。

通过硬件系统和软件系统的相互配合，成功的实现了频率、周期、时间差、占空比的高精度测量，系统的自校和测量结果的显示。

关键词：数字频率计；周期；单片机Digital Frequency Measure Design and Simulation Based on ProteusAbstract:This article mainly discusses the design process of us ing single-chip AT89C51to measure frequency, cycle, time interval and duty cycle. U s ing the algorithm of measur ing N signal cycle, mak ing full use of the three programmable timer / counter of single-chip AT89C51, combined with some digital circuits, t he frequency meter overcome s the shortcomings of the measurement accuracy reduces with the reduction of the frequency of the measured signal by t he frequency meter based on the principle of traditional measurement of frequency , achieves high-precision measurements of the frequency, cycle, time difference and duty cycle, displays the results. The hardware system circuit s of the digital frequency meter is made up of the pre-shaping circuit, sub-frequency circuit, reference signal source, single-chip circuit, digital display circuit and DC power supply regulator circuit. Of it, the s ingle-chip circuit consists of single-chip, data selector and keyboards. The s oftware system is made up of main program, keyboard s ubroutine, display subroutine, measurement subroutine, pulse high and low level width measurement subroutine, prepared by the assembly language. T hrough the cooperat ion with each other of the h ardware system and software system,t he frequency meter successfully achieves high-precision measurements of frequency,cycle, time difference, and duty cycle, finishes s ystem calibration and the display of measurement results.Keywords：d igital frequency meter;cycle; single-chip1绪论·1.1课题研究的意义随着科学技术的发展，尤其是单片机技术和半导体技术的高速发展，频率计的研究及应用越来越受到重视，这样对频率测量设备的要求也越来越高。

目录1. 引言 (1)2．设计任务书 (2)3. 数字频率计基本原理 (3)3.1 设计思路 (3)3.2 原理框图 (3)4. 设计步骤及实现方法 (4)4.1 信号拾取与整形 (4)4.2 计数电路 (5)4.3锁存电路 (6)4.4 译码显示电路 (7)4.5 时钟电路及波形设计 (9)5 总体电路图及工作原理 (13)6 元器件的检测与电路调试缺点分析 (14)7 心得体会 (15)参考文献 (16)1. 引言数字频率计是一种基础测量仪器，在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。

本设计项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计与调试的方法和步骤。

2．设计任务书1、设计题目：数字频率计2、设计出一个数字频率计，其技术指标如下：（ 1 ）频率测量范围： 10 ～ 9999Hz 。

（ 2 ）输入电压幅度 >300mV 。

（ 3 ）输入信号波形：任意周期信号。

（ 4 ）显示方式：4位十进制数显示。

（ 5 ）电源： 220V 、 50Hz 。

3、给定仪器设备及元器件示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。

4．电路原理要求简单，便于制作调试，元件成本低廉易购。

3. 数字频率计基本原理3.1 设计思路（1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一圆盘，在圆盘上挖一小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈既光电管导通一次，利用此信号做为脉冲计数所需。

（2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。

（3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。

摘要本论文主要介绍应用Multisim2001软件进行数字频率计的设计与仿真。

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，广泛应用于机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。

Multisim操作简单方便，易于学习和掌握。

应用Multisim2001软件可以进行电子电路的设计与仿真。

本论文通过数字频率计的设计与仿真反映了应用Multisim2001软件进行电子电路的设计与仿真提高了电子电路设计的效率，节省了设计者的时间、设备。

关键词：数字频率计 Multisim 设计与仿真目录前言第一章 Multisim2001软件简单介绍1.1 Multisim2001简介1.2 Multisim2001的用户界面1.2.1 菜单栏1.2.2 工具栏1.2.3 Multisim2001对元器件的管理1.3 在Multisim2001软件上绘制仿真电路1.3.1 绘制仿真电路的过程1.3.2 在Multisim2001软件上创建电路图第二章课题设计2.1 主要技术要求2.2 设计方案图2.3 电路简述2.4单元电路的设计与仿真致谢参考文献附件：附录图1 在Mutilsim中设计的总电路图附录图2 被侧信号100Hz时的仿真结果图附录图3 被侧信号45Hz时的仿真结果图前言数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号。

如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。

电子计算机的飞速发展有效地解决了这个问题。

Multisim软件的良好信誉以及Multisim的卓越表现使之很快成为众多EDA用户的首选软件。

Multisim操作简单方便，易于学习和掌握。

并且能弥补设备种类和数量不足，充分扩展学生的思维空间，给他们更大的自由发挥的天地。

使学生可以根据不同需要无限制地进行各种电路分析实验，验证实验，常规实验，设计实验。

数字频率计设计一、实验目的1、了解等精度测频的方法和原理。

2、掌握如何在FPGA 内部设计多种功能模块。

3、掌握VHDL 在测量模块设计方面的技巧。

二、实验原理所谓频率就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。

若在一定时间间隔T（也称闸门时间）内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f＝N/T由上面的表示式可以看到，若时间间隔T 取1s，则f＝N。

由于闸门的起始和结束的时刻对于信号来说是随机的，将会有一个脉冲周期的量化误差。

进一步分析测量准确度：设待测信号脉冲周期为Tx，频率为Fx，当测量时间为T=1s时，测量准确度为δ=Tx/T=1/Fx。

由此可知这种直接测频法的测量准确度与被测信号的频率有关，当待测信号频率较高时，测量准确度也较高，反之测量准确度较低。

因此，这种直接测频法只适合测量频率较高的信号，不能满足在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求。

若要得到在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求，应该考虑待精度频率测量等其它方法。

等精度频率测频的实现方法，可以用图23-1 所示的框图来实现。

三、实验内容本实验要完成的任务就是设计一个频率计，系统时钟选择核心板上的20M 的时钟，闸门时间为1s（通过对系统时钟进行分频得到），在闸门为高电平期间，对输入的频率进行计数，当闸门变低的时候，记录当前的频率值，并将频率计数器清零，频率的显示每过2 秒刷新一次。

被测频率通过一个拨动开关来选择是使用系统中的数字时钟源模块的时钟信号还是从外部通过系统的输入输出模块的输入端输入一个数字信号进行频率测量。

当拨动开关为高电平时，测量从外部输入的数字信号，否则测量系统数字时钟信号模块的数字信号。

其实现框图如下图在本实验中，用到的模块有数字信号源模块、拨动开关模块、20M 系统时钟源模块、数码管显示模块等。

其中数码管、数字信号源、拨动开关与FPGA的连接电路和管脚连接在以前的实验中都做了详细说明，这里不在赘述。

《电子仿真技术》实训报告题目简易数字频率计的设计、仿真所在学院电子信息工程学院专业班级***学生姓名 *** 学号***指导教师 ***完成日期 * 年* 月* 日一．设计思路（1）电路简述所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s) 内变化的次数．若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为fx=N/T 。

因此，可以将信号放大整形后由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码、显示输出测量结果，这是所谓的测频法。

可见数字频率计主要由闸门电路、计数器电路、锁存器、时基电路、逻辑控制、译码显示电路几部分组成。

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。

频率是单位时间（1S ）内信号发生周期变化的次数。

如果我们能在给定的1S 时间内对信号波形计数，数值保持及自动清零，并将计数结果在显示器上显示出来，就能读取被测信号的频率。

数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。

这就是数字频率计的基本原理。

被测信号Vx经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号Ⅰ，其频率与被测信号的频率fx相同。

时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，具有固定宽度T的方波时基信号II作为闸门的一个输入端，控制闸门的开放时间，被测信号I从闸门另一端输入，被测信号频率为fx,闸门宽度T，若在闸门时间内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率fx=N/THz。

可见，闸门时间T决定量程,通过闸门时基选择开关选择,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.在整个电路中,时基电路是关键。

（2）任务目标利用multisim9.0软件设计一个简易数字频率计，其基本要求是：1. 被测信号的频率范围1KHZ～100MHZ（理想频率范围）；2. 被测信号可以为正弦波、三角波或方波信号；3. 四位数码管显示所测频率，并用发光二极管表示单位。

简易数字频率计仿真设计报告班级学号姓名平时成绩答辩成绩报告成绩总分122039304 杨现涛30122039310 郭慧泽30目录一、设计要求 (2)二、设计过程 (2)三、元器件清单 (3)四、电路连线图 (4)放大整形电路图 (4)单脉冲发生器电路图 (4)闸门电路电路图 (5)计数部分电路图 (5)译码显示电路图 (6)整体电路图 (7)五、实验（仿真结果） (8)六、出现的问题及解决方法 (8)一）设计要求1）设计一个单脉冲发生器，其脉冲宽度t 与手动按钮时间长短无关，与两次按钮的时间间隔无关，仅与时钟脉冲频率有关，且有下列关系：t=1/f12）设计一个四位十进制计数器，实现0000-9999计数。

3）将上述两种电路图组成一个简易数字式频率计。

实现如图效果： F2 F1 0-1 1清零信号1清11111清零清零信号二、设计过程根据实验要求，要完成数字式频率计的设计任务就要了解其中包含的电路以及用到的知识及元器件。

首先经过查阅资料了解数字是频率计的原理和工作过程，下面简单介绍一下数字是频率计。

数字式频率计是一种用数字显示的频率测量仪表，它不仅可以测量正弦信号、方波信号和尖脉冲信号的频率，而且还能对其他多种物频率进行测 量，诸如机械振动次数，物体转动速度，明暗变化的闪光次数，单位时间里经 过传送带的产品数量等等，这些物理量的变化情况可以有关传感器先转变成周 期变化的信号，然后用数字频率计测量单位时间内变化次数，再用数码显示出 来。

闸门电路译码显示电路闸门控制信号产生的电路（t ）计数电路其次是了解本次试验设计的频率计的工作原理和具体工作过程，本次的频率计基本上与以往的频率计大同小异，首先要设计的是一个放大整形电路，通过采用555多谐振荡器件把输入到频率计的各种波形整形成标准的方波以便进行取样计数。

然后设计的是一个闸门控制信号产生电路，使其输入1hz基准频率能够产生一个脉冲宽度为1s的单脉冲，同时该电路接上一个0-1手动按钮，按下按钮该电路能够发出两种信号，一种为宽度为1s的单脉冲控制闸门的开启，开启时间为1s，另一种为清零信号，输入到计数器中，使计数器清零。

数字频率计设计报告一内容提要:数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器.它的基本功能是测量正弦信号.方波信号,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量.本文粗略讲述了我在本次实习中的整个设计过程及收获。

二设计内容及要求:要求设计一个简易的数字频率计，其信号是给定的脉冲信号，是比较稳定的。

1.测量信号:方波；2.测量频率范围: 1Hz~999Hz ;3.显示方式: 3位十进制数显示;4.时基电路由 555 定时器产生；三设计思路及原理:数字频率计由四部分组成：时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。

由555 定时器,分级分频系统及门控制电路得到具有固定宽度T的方波脉冲做门控制信号,时间基准T称为闸门时间.宽度为T的方波脉冲控制闸门的一个输入端B.被测信号频率为fx,周期Tx.到闸门另一输入端A.当门控制电路的信号到来后,闸门开启,周期为Tx的信号脉冲和周期为T的门控制信号结束时过闸门,于输出端 C 产生脉冲信号到计数器,计数器开始工作,直到门控信号结束,闸门关闭.单稳1的暂态送入锁存器的使能端,锁存器将计数结果锁存,计数器停止计数并被单稳2暂态清零. (简单地说就是:在时基电路脉冲的上升沿到来时闸门开启,计数器开始计数,在同一脉冲的下降沿到来时,闸门关闭,计数器停止计数.同时,锁存器产生一个锁存信号输送到锁存器的使能端将结果锁存,并把锁存结果输送到译码器来控制七段显示器,这样就可以得到被测信号的数字显示的频率.而在锁存信号的下降沿到来时逻辑控制电路产生一个清零信号将计数器清零,为下一次测量做准备,实现了可重复使用,避免两次测量结果相加使结果产生错误.) 若T=1s,计数器显示fx=N(T时间内的通过闸门信号脉冲个数) 若T=0.1s,通过闸门脉冲个数位N时,fx=10N,(闸门时间为0.1s时通过闸门的脉冲个数).也就是说,被测信号的频率计算公式是fx=N/T.由此可见,闸门时间决定量程,可以通过闸门时基选择开关,选择T大一些,测量准确度就高一些,T小一些,则测量准确度就低.根据被测频率选择闸门时间来控制量程.被测信号频率通过计数锁存可直接从计数显示器上读出.在整个电路中,时基电路是关键,闸门信号脉冲宽度是否精确直接决定了测量结果是否精确.因此,可得出数字频率计的原理框图如下:四:设计分析1.时基电路其基本电路图如左:I555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生1S高电平的脉冲.振荡器的频率计算公式为:T1=（R30+R31）*C*ln2,因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R30取30k欧姆,R31取10k欧姆,电容取47uF.这样我们得到了比较稳定的一秒时基信号。

数字频率计的设计和仿真石岩蟒摘要：以单片机为核心器件,实现了数字频率计的设计,并在Proteus软件仿真环境下搭建仿真电路,采用Kell软件进行软硬联调,成功地实现了数字频率计的仿真。

在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此,频率的测量就显得更为重要。

测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。

电子计数测频有两种方式,一是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;二是间接测频法,即周期测频法。

直接测频法适用于高频信号的频率测量,间接测频法适用于低频信号的频率测量[1]。

本次设计的频率测量系统以单片机AT89C52为核心,采用汇编语言和直接测量方法,成功地实现了宽领域,高精度的数字频率计的设计和仿真。

关键词：数字频率计单片机Proteus仿真Kell仿真一、设计思路该频率计首先以信号放大整形后的方波脉冲作为控制闸门信号,然后采用计数器和锁存器对不同频率范围的信号直接进行计数来完成分频功能,分频后的信号由接口电路送给单片机,由单片机的计数器对其进行计数,最后将计数结果通过运算转变为原信号的频率数值,最后通过动态显示电路显示数值。

由于单片机内部振荡频率很高,所以一个机器周期的量化误差相当小,可以有效的提高低频信号的测量准确性。

本设计以单片机AT89C52为核心,通过译码、分频、计数等电路,以及软件程序的编写,实现脉冲频率的显示。

整体设计思路可用框图1表示。

框图中,各部分的作用及所采用的器件说明如下。

二、计数测量部分包括计数器电路和数据锁存器电路计数器电路采用了74LS590芯片完成计数功能。

对于频率较小的输入脉冲可以只让一个74LS590芯片发挥作用,即计数的个数小于256时则只有一74LS590芯片进行计数,对于频率较大的输入脉冲需要让两个74LS590芯片发挥作用,即计数个数大于256小于65535时两个74LS590芯片分别进行高八位、低八位计数。

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目: 简易频率计的设计仿真及制作初始条件：本设计既可以使用集成脉冲发生器、计数器、译码器、单稳态触发器、锁存器、放大器、整形电路和必要的门电路等，也可以使用单片机系统设计。

用数码管显示频率计数值。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周内完成对简易频率计的设计、仿真、装配及调试。

2、技术要求：①设计一个频率计。

要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz。

②测量频率范围：10~9999Hz。

③测量信号类型：正弦波、方波和三角波。

④测量信号幅值：0.5~5V。

⑤设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。

⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：1） 2010 年 6 月 26~27 日，查阅相关资料，学习设计原理。

2） 2010 年 6 月 28~30 日，方案选择和电路设计仿真。

3） 2010 年 7 月 1~3 日，电路调试和设计说明书撰写。

4） 2010 年 7 月 4 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日简易频率计的设计仿真及制作目录1 Protues软件介绍 (3)2 设计要求......... (4)2.1整体功能要求 (4)2.2系统结构要求 (4)2.3测试指标 (4)3单元电路设计及分析 (5)3.1 数字频率计的基本原理 (5)3.2 数字频率的设计 (6)3.2.1 放大整形电路 (6)3.2.2 时基电路 (6)3.2.3 逻辑控制电路 (7)3.2.4 输出实现电路 (8)4整体电路的设计仿真及调试 (10)4.1整机电路图 (10)4.2 元件清单 (12)5课程设计心得 (14)6参考文献 (15)7成绩评定表 (16)1 Protues 软件介绍Proteus 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外围电路(如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI 器件，部分IIC 器件...)。

数字频率计ＶＨDL程序与仿真一、功能：频率计。

具有4位显示,能自动根据7位十进制计数旳成果,自动选择有效数据旳高4位进行动态显示。

小数点表达是千位,即KHｚ。

二、源程序及各模块和重要语句旳功能libｒａrｙieee;use ieeｅ．ｓtd_logiｃ_１164.alｌ;uｓｅiｅee.std_lｏgｉc_unｓignｅd.all;eｎtity plj ispｏrｔ（start:iｎstd_loｇic；--复位信号clk ：ｉn ｓtｄ_logic; --系统时钟clk1：in ｓｔｄ_logiｃ; -－被测信号yy１:oｕt std_ｌoｇic_vectｏｒ(7 doｗｎｔo 0)；--八段码w1 :out std＿logic_vecｔor（3 ｄｏwnto 0)）；--数码管位选信号enｄplj；ａｒｃｈiｔecturｅbehａｖoｆＰLj issignａｌb1,ｂ2,ｂ3,b4,b５，b6，b7:ｓtd_logic_vecｔor(3 dｏwntｏ0)；--十进制计数器siｇnaｌbcｄ:std_logｉc＿vectｏr(3 doｗnto0); -－BCＤ码寄存器signal ｑ：iｎteｇer range ０to 49９9999９；－-秒分频系数signal qq : inｔｅger ｒangｅ0 tｏ499９9９; --动态扫描分频系数sigｎａl ｅn，ｂclk:std_logｉｃ; --使能信号,有效被测信号signal ssｓ：ｓtd＿lｏgic_vｅcｔｏr(３ｄowｎto 0); －-小数点siｇnal bcd0,bｃd1,bcd2，bcd3 ：stｄ＿logｉｃ_vecｔoｒ(3 dowｎtｏ0);--寄存7位十位计数器中有效旳高4位数据begｉnsｅｃｏnd:procｅsｓ(clｋ) --此进程产生一种持续时间为一秒旳旳闸门信号ｂeｇｉnｉf stａrｔ='1' thｅn q<=0;ｅlsif clk'eｖent and clk='1' ｔhenif ｑ<49９９９９99 then ｑ<＝q+１;else q＜=4９9999９９；end ｉf;eｎd ｉｆ;iｆｑ<49999９99 ａnd stａｒｔ='0' ｔhen ｅｎ<='1';else eｎ<＝＇０＇;end iｆ；end pｒoｃｅｓs;aｎd２:proｃｅss(eｎ，cｌk1) --此进程得到7位十进制计数器旳计数脉冲ｂegｉnbclk＜=clk1 anｄen；ｅnｄｐｒｏｃeｓｓ;ｃoｍ:process(ｓtart，ｂｃlk) --此进程完毕对被测信号计脉冲数ｂeｇiniｆstarｔ='1' ｔｈeｎ－-复位ｂ1<="0000";ｂ2<="０00０"；b3<="0000";b4<="0000"；ｂ5<=＂0000";ｂ6<＝"0000";b７＜=＂0０00";eｌsif ｂcｌｋ'ｅvent ａｎｄbclk='1' theniｆb1＝"1001＂then b1<="0000"; --此IＦ语句完毕个位十进制计数ｉｆｂ2="１０01＂ｔhen b２<＝"０000"; --此IＦ语句完毕百位十进制计数if ｂ3＝"１０01" tｈeｎｂ3<="０000＂; --此ＩF语句完毕千位十进制计数iｆb4＝"10０1" thｅn b４<＝"０000"；-－此IF语句完毕万位十进制计数if ｂ5="1001" ＴHEＮb5<="0０00＂; －-此IＦ语句完毕十万位十进制计数if b6＝"１００1" ｔheｎb6<=＂0000"; --此IF语句完毕百万位十进制计数if ｂ7="1001" then b７<＝"0000"; -－此ＩF语句完毕千万位十进制计数elsｅb7<＝b7+１;ｅnｄif；else b６<＝b６+１;end if;ｅｌse ｂ5<=b5+1;enｄif；ｅｌse b４＜＝b4＋1;end if；eｌｓe b3<=b３+1；ｅnd ｉf;elｓｅb2＜=b2+1;eｎｄif;else b１<=b1＋1;ｅnd if;enｄif;end prｏcess;ｐrｏcess(ｃlk) -－此进程把7位十进制计数器有效旳高4位数据送入bcｄ０~3；并得到小数点信息begiｎif ｒiｓｉng＿ｅdge(ｃｌk）theｎｉf en='0' tｈeｎif b7>"00００" tｈｅn ｂｃｄ3<=ｂ7；bｃd2＜=b ６; ｂcd１＜=ｂ5；bcd0<=b4; ｓｓs<=＂1110＂;ｅlsｉf ｂ6>"0000" ｔheｎbcd3<=b６; ｂcd2<=b５;bcd1＜＝ｂ4；bcｄ０<=ｂ3; sss＜=＂1１01"；elｓiｆb５>"０000＂theｎbｃd3<＝ｂ５；bcｄ２<=b4; bcｄ１<＝ｂ３；bcｄ０<=b２；sss<=＂1011";ﻩeｌse bｃｄ3<=b４; bcｄ2<=b3; bcd1<=b２; ｂcd0<=b１; sss＜＝"1１11";end if;ｅnd ｉf;eｎd iｆ;end ｐｒoｃess;weｉxｕaｎ:ｐroｃeｓs（ｃlk) --此进程完毕数据旳动态显示begiｎif cｌk'event ａnd clk='１' ｔheｎif ｑq< 9９９99 tｈen qq<＝qq＋1;ｂcd<=bｃd3; ｗ1＜＝"0１11＂；ﻩif sｓs=＂01１1" tｈeｎyy1(0)<='0';ﻩeｌsｅｙy１(0)＜=＇1'；ﻩﻩend ｉf;elsif ｑq<１99999 ｔhｅn qq<=qq＋１;bcd<=bcｄ2; w1<="１０１1";ﻩｉf sｓs＝"10１1" then yy1(0)<=＇０';ﻩeｌsｅｙy1（0)＜＝'1';ﻩend iｆ;ｅｌsiｆqq<29９９9９then qｑ<=qq+１;bcｄ<＝bcd１; w1＜="11０1";ﻩif sss＝"１10１＂then yy1（0)＜＝'0';ﻩelｓe yy1(0）<='1';ｅnd iｆ;ｅｌsif qq<399９９9 ｔｈeｎqq<=qq+1；bcｄ＜=b ｃd０; w1＜="１1１0";iｆsss＝"11１0" ｔhｅｎyｙ1(０）＜=＇０';else yy1(０)<＝'1'；eｎd if;ｅｌse qq＜＝0；end iｆ；ｅnd iｆ;end proceｓs；ｍ０：procesｓ（bcd) --译码bｅginｃasｅbcd iswheｎ＂０0００"=>ｙy1（7 doｗntｏ1）<="000０0０１";ｗｈen "0001＂=>ｙy1(7 ｄowｎｔｏ1）<=＂1０0111１＂;ｗｈeｎ"0010"＝>ｙｙ1(7 downｔｏ1)＜=＂00１0０１０";whｅn ＂0011"=＞ｙy1(7 ｄｏwnto 1)<="000０11０＂;wｈen ＂０100"=>yy1(7 ｄowｎto 1)<＝"1001100"；ｗhｅn "0101"=>yy1(７downtｏ1)＜＝＂01０0100";when ＂0110"＝>yy1（7 ｄoｗnｔo 1）<=＂１100000";when "０１11＂=>ｙｙ1(7 downtｏ1）<="0001111＂;wheｎ"1000＂=>yｙ1(７dowｎto １)<＝＂00０００00";when "1001"＝>yy1（7 downto １)＜=＂００011０0";wｈen ｏthers=＞yy1(7 ｄownｔｏ1)<="1111１１1";ｅｎd case;enｄprocess；end bｅｈav;三、程序仿真图注：仿真中秒分频为50000,动态显示旳分频系数也相应调小。

简易频率计的设计与仿真目录：一、简易频率计的设计要求及任务分析1、设计要求2、任务分析二、简易频率计的设计1、整形电路的设计和仿真2、时基控制电路的设计和仿真3、计数器、锁存器、显示器的设计和仿真三、总结四、心得体会五、参考文献简易频率计的设计与仿真一、简易频率计的设计要求及任务分析1、设计要求（1）设计原理和原理图分析计算（2）仿真过程说明（3）误差分析（4）总结（5）频率范围为1—9999Hz2、任务分析所谓频率就是指周期信号在单位时间内变化的次数。

若在一定时间间隔T内测得周期性信号的重复变化次数为N，则频率可表示为f=N/T(Hz)。

根据设计要求，数字频率计主要由以下几部分组成：放大整形电路、时基电路、闸门控制脉冲、计数器、锁存器、显示器等。

具体组成结构图如图一。

图一简易频率计的组成框图被测信号v x经放大整形电路变成计数器所要求的方波信号，其频率与被测信号v x的频率f x相同。

时基电路是由555定时器构成的振荡器组成，其功能为产生标准时间为1秒的脉冲。

当1s信号来到时，闸门电路开通，被测脉冲信号通过闸门电路，成为计数器的计数脉冲，计数器开始计数直到1s信号结束时闸门电路关闭，停止计数。

若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为M，则被测信号频率f=M Hz。

控制脉冲的作用是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定。

二、简易频率计的设计由于设计的电路较复杂，所以将整个电路的设计分为三个部分：放大整形电路、时基控制电路（包括时基电路、闸门控制电路）、计数显示电路（包括计数器、锁存器、显示器），最后再将各部分组合连接在一起。

1、整形电路的设计和仿真整形电路由信号发生器与整形电路组成，输入信号先经过限幅器，在经过施密特触发器整形，当输入信号幅度较小时，限幅器的二极管均截止，不起限幅作用。

由555组成的施密特触发器对经过限幅器的信号进行整形得到标准的方波信号。

线路图如图二，波形图如图三。

图二整形电路元件图图三整形电路波形图注：图中正弦波形为输入信号，方波脉冲为输出信号。

数字频率计设计与仿真1 引言在现代电子技术中，频率是基本的参数之一，并与许多电子参量的测量方案和测量结果有密切的关系。

因此我们对于频率的认识显得就更为重要。

频率的测量方法有很多，其中数字频率计具有测量精度高、使用方便和测量迅速等优势，是目前测量频率的主要手段。

Multisim 是以Windows 为基础的一种仿真工具，适合用于数字电路或者模拟电路的设计工作。

它有直观的捕捉和强大的仿真功能，能够轻松，快速，高效对电路图进行设计和验证。

图1-1 频率计方框图数字频率计是一种最基本的测量仪器，是通信设备、计算机应用、音频视频设备等等科研生产领域里不测或缺的测量设备之一，是一种用十进制数字显示被测信号的频率的数字的测量仪器，迄今为止已经有几十年的发展历史，频率计的基本功能是用来测量三角波信号、正弦波信号及方波信号等单位时间内变化的物理量。

因而其实际运用范围是很广泛的。

在早期，人们对于数字频率计的研究主要表现在扩大测量范围和提高精确度，而这些技术现在已日却成熟，现在人们对数字频率计又提出很多新的要求，例如价格低，操作方便，高精度，高稳定度甚至还包括数据处理和分析功能。

较老的频率计是输主门 十进制计数器显示器主门触发器 十进制计数器时基振荡器 输入放大器多芯片同步十进制技术，新型频率计要求芯片的数量要少，这样器件越少的话对于频率计的技术就会更准确，误差也会越小。

一个基本的频率计的方框图如图1-1所示。

而本课题涉及的主要内容是对输入信号的整形，闸门电路控制输入信号，以及对脉冲的计数，锁存和译码，通过该项设计可以将数字电路和模拟电路的理论知识运用到实际的设计中去，具有方便快捷，容易测量等特点。

2 选择测量方式信号频率指的是信号在单位时间内周期信号变化的次数，其表达式可写为f=N/T ，其中f 指被测信号的频率，N 为信号所累计的脉冲的个数，T 是产生N 个脉冲所需要的时间参数。

该表达式其所记录的结果就是被测信号的频率。

基于VHDL的数字频率计的设计与仿真设计1 引言1.1 设计背景随着计算机技术和半导体技术的发展，传统的硬件电路电路设计方法已大大落后于当今技术的发展，一种崭新的、采用硬件描述语言的硬件电路设计方法已经兴起，这是电子设计自动化（EDA）领域的一次重大变革。

目前，广泛使用的硬件描述语言VHDL(Very Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)和Verilog HDL；它们先后被批准为国际标准语言。

据统计，目前在美国硅谷约有90%以上的ASIC 和FPGA采用硬件描述语言进行设计，VHDL的应用已成为当今以及未来EDA解决方案的核心，而且是复杂数字系统设计的核心。

数字频率计[1]是电子测量与仪表技术最基础的电子仪表类别之一，它是一种用十进制数字显示被测信号频率、周期、占空比的数字测量仪器，是在数字电路中的一个典型应用；实际的硬件设计的多功能数字频率计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差，随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL语言，将使整大大简化，提高整体个系统的性能和可靠性；它是计算机、通信设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。

采用VHDL编程设计实习的多功能数字频率计，具有体积小，可靠性高，功耗低的特点；整个系统非常精简，且具有灵活的现场可更改性。

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，而且它是数字电压必不可少的部件。

当今数字频率计不仅是作为电压表，计算机，天线电广播通讯设备，工艺过程自动化装置、多种仪表仪器与家庭电器等许多电子产品中的数据信息输出显示器反映到人们眼帘。

集成数字频率计由于所用元件少、投资少、体积小、功耗低，且可靠性高、功能强、易于设计和研发，使得它具有技术上的实用性和应用的广泛性。

不论从我们用的彩色电视机、电冰箱、DVD还有我们现在家庭常用到的数字电压表数字万用表等等都包含有频率计。