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基于单片机的数字频率计设计摘要本方案主要以单片机为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分，设计以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。
利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。
编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。
本设计以89C51单片机为核心，应用单片机的算术运算和控制功能并采用LED 数码显示管将所测频率显示出来。
系统简单可靠、操作简易，能基本满足一般情况下的需要。
既保证了系统的测频精度，又使系统具有较好的实时性。
本频率计设计简洁，便于携带，扩展能力强，适用范围广。
[关键词]单片机：运算；频率计；LED数码管AbstractThe program mainly microcontroller as the core, are divided into time-base circuit, the logic control circuit, amplifier shaping circuit, the gate circuit, the counting circuit, latch circuit, decoding circuit most of the seven shows, design a microcontroller as the core, the measured signal the first amplifier to amplify the incoming signal, and then was sent to the waveform shaping circuit surgery, the measured sine wave or triangle wave shaping as a square wave. Counter and timer microchip features of the signal count. Write the corresponding program can automatically adjust the measurement range of SCM, and the frequency of the measured data to the display circuit displays.The design of the 89C51 microcontroller core, microcontroller applications and control functions and arithmetic operations with LED digital display tube to the measured frequency is displayed. System is simple, reliable, easy to operate and can basically meet the general needs. Both to ensure the accuracy of the system frequency measurement, but also the system has good real-time. The frequency meter design is simple and easy to carry, expansion capability, wide application.[Key words] microcontroller, operation, frequency meter, LED digital tube目录摘要 (1)概述........................................ 错误!未定义书签。
河南科技大学课程设计说明书课程名称现代电子系统设计题目简易数字频率计设计学院＿＿电信学院＿＿＿＿＿班级＿＿＿＿＿＿＿学生姓名____________________指导教师＿＿＿＿＿＿＿＿＿日期＿＿2010-01-10＿＿＿＿＿＿课程设计任务书（指导教师填写）课程设计名称现代电子系统课程设计学生姓名刘轮辉专业班级电信科071 设计题目简易数字频率计设计一、课程设计目的掌握高速AD的使用方法；掌握频率计的工作原理；掌握GW48_SOPC实验箱的使用方法；了解基于FPGA的电子系统的设计方法。
二、设计内容、技术条件和要求设计一个具有如下功能的简易频率计。
（1）基本要求：a．被测信号的频率范围为1～20kHz，用4位数码管显示数据。
b．测量结果直接用十进制数值显示。
c．被测信号可以是正弦波、三角波、方波，幅值1～3V不等。
d．具有超量程警告（可以用LED灯显示，也可以用蜂鸣器报警）。
e．当测量脉冲信号时，能显示其占空比（精度误差不大于1%）。
（2）发挥部分a．修改设计，实现自动切换量程。
b．构思方案，使整形时，以实现扩宽被测信号的幅值范围。
三、时间进度安排布置课题和讲解：1天查阅资料、设计：4天实验：3天撰写报告：2天四、主要参考文献何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社2008.1潘松黄继业《EDA技术实用教程》科学出版社2006.10指导教师签字：2009年12月14日目录一、摘要 (4)二、系统方案论证 (4)2.1频率测量方案 (5)三、数字频率频率计的基本原理 (6)四、各个模块设计 (7)4、1 A/D模数转换模块 (8)4、2 比较模块 (9)4、3 频率和占空比测量模块 (10)五、各个模块仿真波形 (12)六、心得体会 (14)七、参考文献 (15)附录一 (16)附录二 (22)一.摘要频率计是数字电路中的一个典型应用，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，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。
简易数字频率计设计简易数字频率计是一种统计计算工具，用于频率统计，使用适当的算法来测量特定序列中给定元素或者元素组合出现的频率，主要用于数据分析和统计工作，帮助使用者深入分析数据，得到较为精准的结果。
本文将详细说明一种简易的数字频率计的设计实现过程和分步流程。
设计步骤第一步：准备设计简易数字频率计所需要的硬件设备设计简易数字频率计需要的硬件设备有：计算机、网络设备、数据存储器、输入输出设备等。
计算机配备相应的硬件设备和软件，网络设备用于连接多台计算机，数据存储器用于存储数据，输入输出设备允许输入和输出各种不同类型的数据。
第二步：制定相应的算法根据具体情况，应制定出相应的算法，用于计算数据序列中给定元素或者元素组合出现的频率，主要包括排序算法，查找算法，求和算法，概率分布算法等。
比如：可以使用冒泡排序或者快速排序对数据序列进行排序，使用二分查找等技术快速查找元素，在运算时可以使用求和、乘法、平方等算法来计算数据，使用贝叶斯理论等方法来求取概率分布。
第三步：实现数据处理根据设计上的算法，使用计算机及其相应的软件和硬件设备，进行数据处理，对相关的数据序列进行相应的操作，实现频率的统计计算，得到精准的统计结果。
第四步：测试并可视化在完成简易数字频率计的设计之后，应当对数据处理过程进行测试，以验证所编写算法的正确性和可靠性。
完成测试之后，可以通过图表和表格的方式可视化频率计算结果，更加直观地显示出数据之间的关系以及频率变化趋势。
以上就是一种简易数字频率计的设计实现过程，它可以为使用者提供准确的统计数据和频率结果，促进数据深入分析等工作，为企业的发展带来重要的帮助。
毕业设计（论文）任务书课题名称：数字频率计的设计学院（系部）：机电工程系专业：电子信息工程三班学生姓名：学号：＿＿月＿＿日至＿＿月＿＿日共＿＿周指导老师（签字）＿＿＿＿＿＿＿教学院长（签字）＿＿＿＿＿＿＿目录摘要综述第一章引言1.1课题的目的及意义1.2国内外发展现状及研究概况1.3设计的主要技术指标与参数1.4设计的主要内容第三章单元电路设计1.数字频率计原理2.数字频率计的基本原理框图3.数字频率计的基本原理4.数字频率计的设计电路5.放大整形电路6.石英晶体振荡器和分频器7.计数译码显示电路8.控制电路9.数字频率计的电路图10.课程设计的总结与展望1.1课题的目的及意义数字频率计是用数字显示检测先好频率的仪器，是一些科研生产领域不可缺少的脉显仪器，被测信号可以是正弦波，方波，三角波或其他周期性变化的信号，经过改装，可以测量脉冲宽度，精密数字式脉款测量仪，可以测量电容。
如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的脉冲，转速，声音的频率以及产品的计时等等。
因此，数字频率计作为一种基础测量仪器到目前已有30多年的发展史，并且在工业测量中有广泛的应用。
本次设计的四位数显频率计是在基础理论和专业基础上，用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。
通过对其的设计，使我巩固了所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，增强了综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；对频率计的工作原理、电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解；进而掌握应用计算机进行电子线路设计的基本思想和方法。
1.2国内外发展现状及研究概况当今社会，随着科技的进步，电子技术得到了飞速的发展与应用，数字系统的设计也有了很大的进步，如今运行速度快，在功能更加强大的基础上更加便于使用携带成了发展的方向。
60年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，结合电测技术创造了完全新的数字式仪表。
它在测试方法，原理，仪器结构和操作方法上完全与前面所讲的模式式仪表不同，产生了新型智能化仪表，它具有程序控制，信息存储数据处理和自动检修功能，使数字仪表向高准确度，多功能，高可靠性和低价格方面大大前进了一步。
. I目录前言01. 总体设计方案11.1总体设计方案12. 单元模块设计12.1十进制计数器设计12.1.1 十进制计数器原件t10设计12.1.2 位十进制计数器的顶层设计22.2闸门控制模块EDA设计32.2.1 定时信号模块Timer32.2.2 控制信号发生器模块T_con42.3译码显示模块42.3.1 显示存放器设计42.3.2 译码扫描显示电路52.3.3 译码显示模块的顶层电路设计73. 软件测试83.1测试的环境83.2调试和器件编程84. 设计总结85. 参考文献9前言在电子技术高度开展的今天，各种电子产品层出不穷，而频率作为设计的最根本的参数之一，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的自动化等优点。
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，它的根本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号以及其它各种单位时间变化的物理量。
当今国外厂家生产的数字频率计在功能和性能方面都比拟优良，而且还在不断开展中，但其构造比拟复杂，价位也比拟高，在测量精准度要求比拟低的测量场合，使用这些数字频率计就不够经济合算。
我所设计的这款数字频率计能够可靠实现频率显示功能，原理及构造也比拟简单本次所做的课程设计就是一个数字频率计，能测量1HZ～9999HZ的矩形波信号，并正确地显示所测信号的频率值。
数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比拟复杂，而且会产生比拟大的延时，造成测量误差、可靠性差。
随着现场可编程门阵列FPGA 的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL等硬件描述语言语言，将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。
采用FPGA现场可编程门阵列为控制核心，通过硬件描述语言VHDL编程，在Quartus‖仿真平台上编译、仿真、调试，并下载到FPGA芯片上，通过严格的测试后，能够较准确地测量各种常用的波形信号的频率，而且还能对其他多种物理量进展测量。
题目：基于51单片机的数字频率计目录第1节引言 (1)1.1数字频率计概述 (1)1.2频率测量仪的设计思路与频率的计算 (1)1.3基本设计原理 (2)第2节数字频率计（低频）的硬件结构设计 (3)2.1系统硬件的构成 (3)2.2系统工作原理图 (3)2.3AT89C51单片机及其引脚说明 (4)2.4信号调理及放大整形模块 (6)2.5时基信号产生电路 (6)2.6显示模块 (7)第3节软件设计 (11)3.1 定时计数 (11)3.2 量程转换 (11)3.3 BCD转换 (11)3.4 LCD显示 (11)第4节课程设计总结 (12)参考文献 (13)附录汇编源程序代码 (14)基于51单片机的数字频率计第1节引言本应用系统设计的目的是通过在“单片机原理及应用”课堂上学习的知识，以及查阅资料，培养一种自学的能力。
并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。
在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。
全能提高个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今后能在相应工作岗位上的工作打下了坚实的基础。
1.1数字频率计概述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。
它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，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。
本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个1602A LCD显示器动态显示6位数。
测量范围从1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，时基宽度为1us,10us,100us,1ms。
用单片机实现自动测量功能。
编号：毕业设计说明书题目：基于单片机的数字频率计设计院（系）：电子工程与自动化学院专业：自动化学生姓名：学号：指导教师：职称：教授题目类型：实验研究工程技术研究2012年5月10日摘要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，同时也是一个非常重要的参数，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。
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。
它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。
频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。
本文中详细介绍了频率计的仿真及设计过程。
本文设计了一种以单片机STC89C52为核心的数字频率计。
介绍了单片机、放大整形模块、分频模块和LCD1602显示模块等各个模块的组成和工作原理。
测量时，将被测输入信号送给单片机，通过程序控制计数，结果送LCD1602显示频率值。
本次设计是以单片机STC89C52为控制核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。
应用单片机的控制功能和数学运算能力，实现计数功能和频率的换算，最后显示测量的频率值。
本次设计所制作的频率计外围电路简单，大部分功能都通过软件编程实现，利用单片机控制实现频率计的自动换挡功能；用单片机中断控制端口实现频率的测量功能；通过分频电路实现对频率档位的控制。
本次设计的频率计具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。
实现了1Hz~4MHz范围的频率测量，而且可以实现量程自动切换。
关键词：频率计；单片机；计数器；测量AbstractFrequency measurement is the most basic measurement in electronic field, while also a very important parameter, and with a number of the measurement results of electrical parameters have a very close relationship, so, the measurement of frequency has become more important. The digital frequency meter is an indispensable of measuring instruments in the field of scientific research and production of computers, communications equipment, audio and video. It is a decimal number to display the signal's frequency measuring instruments. The frequency measurement is one of the most basic measurement electronics measurements. Frequency of simulation and design process is described in detail in this article. This paper introduces a microcontroller STC89C52 as the core design of digital frequency meter. Introduced of the composition and working principle of microcontroller, amplifying and shaping module, frequency division module and LCD1602 display module and other modules.The design is based on STC89C52 microcontroller for the control of the core, using its internal timer and counter to complete the test signal frequency measurement. Application control features of the microcontroller and the operational ability of the counting function and frequency conversion, and finally use displays the measured frequency value. The design frequency meter produced peripheral circuits is simple, most of the functions are controlled via software programming, application control features of the microcontroller to achieve the frequency of automatic shift function; frequency measurement functions the microcontroller interrupt control port; control of the frequency of stalls by the divider circuit. The design of the frequency meter is high accuracy, fast response, small size, etc. Achieve100Hz to 4MHz frequency measurements, and can automatically switch the flow to achieve scale.Key words：Frequency meter; microcontroller; counter; measurement目录引言 (1)1 绪论 (2)1.1 频率计概述 (2)1.2 频率计发展现状 (2)1.3 数字频率计的种类 (3)2 总体方案设计 (4)2.1 数字频率计设计内容 (4)2.2 频率测量原理 (4)2.3 总体思路 (5)2.4 具体模块 (5)3 硬件设计 (7)3.1 电路设计的内容和方法 (7)3.1.1 电路设计的步骤 (8)3.2 单片机概述 (8)3.2.1 STC89C52简介 (9)3.2.2 STC89C52RC引脚功能说明 (10)3.2.3 单片机引脚分配 (12)3.3 单片机最小系统 (13)3.3.1 单片机最小系统原理 (13)3.3.2 复位电路及时钟电路 (13)3.4 信号调理及放大整形模块 (14)3.4.1 LM318介绍 (14)3.4.2 1N4733及74LS14介绍 (15)3.5 分频模块 (15)3.5.1 74LS161介绍 (15)3.5.2 74LS153介绍 (16)3.6 LCD显示和键盘 (17)3.6.1 LCD1602简介 (17)3.7 MAX232简介 (20)4 系统软件设计 (22)4.1 软件设计 (22)4.1.1 主程序流程图设计 (22)4.1.2 子程序流程图设计 (22)4.2 Keil和Proteus软件介绍 (25)4.2.1 Keil简介 (25)4.2.2 Proteus简介 (26)4.3 程序编写及仿真图设计 (26)5 调试 (28)5.1 系统调试 (28)5.2 软件调试 (29)5.3 软硬件联合调试 (30)5.4 误差分析 (30)6 总结 (31)谢辞 (32)参考文献 (33)附录 (34)引言频率计是我们在电子电路实验中经常会用到的测量仪器之一，它能将频率用液晶显示器或者数码管直接显示出来，给测试带来很大的方便，使结果更加直接；且频率计还能对其他多种物理量进行测量，如声音的频率、机械振动的频率等，都可以先转变成电信号，然后用频率计来测量。
.《电工与电子技术基础》课程设计报告题目简易数字频率计学院（部）汽车学院专业车辆工程班级学生姓名学号6 月23 日至6 月28日共1 周目录前言 (2)第一章技术指标 (3)1.1、主要技术指标和要求： (3)1.2、系统结构要求 (3)1.3、所用元件 (4)第二章整体方案设计思路 (5)2.1、设计思路 (5)2.2、方案讨论 (5)第三章各部分电路的设计 (7)3.1、放大整形电路 (7)3.2、闸门电路 (9)3.3、计数电路 (10)3.4、时基电路与分频电路 (10)3.5、控制电路 (11)3.6、显示电路 (13)3.7报警电路 (14)第四章电路汇总 (15)4.1、整体电路图 (15)第五章课程设计总结与体会 (16)【附录】 (17)前言【摘要】本学期我们学习了《电工学电子技术》这本书的内容，经过课堂和实验两部分的学习，对基本的模电和数电电路知识有了基本的了解掌握。
正是运用所学知识加上小组合作研究，我们在基于课本内容、考虑实际能力水平、查找资料借鉴其他设计者的成功之处，设计了“简易数字频率计”。
本设计主要综合运用运用了信号的放大整形、门电路和时序逻辑电路等多方面的知识，是对所学知识的一种实践也是一种考验。
【关键字】数字频率计计数器信号处理与控制第一章技术指标1.1、主要技术指标和要求：（1）被测信号的频率范围100Hz～10kHz；（2）输入信号为正弦信号或方波信号；（3）用四位数码管显示所测频率值，并用红、绿色发光二极管表示单位；（4）具有超量程报警功能。
1.2、系统结构要求数字频率计的整体结构要求如图所示。
图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。
图1-1 数字频率计整体方1.3、所用元件第二章整体方案设计思路2.1、设计思路利用《电工学电子技术》所学模电和数电两部分所学知识设计思路如图图2-1 设计思路图2.2、方案讨论（1）测频法（M法）对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期进行计数，当计数结果为N时，起频率为：f1=N1/TG，TG为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数。
数字式频率计设计实验报告频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。
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。
一：设计要求1. 用555产生待测频率信号和定时时机信号。
2．频率测量范围为0000～9999 Hz。
3. 用LED数码管显示频率数值。
4. 计数结束时对数码管清零。
二：设计原理所谓频率，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。
图1①时基电路时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间为1s），由定时器555 构成的多谐振荡器产生。
若振荡器的频率，则振荡器的输出波形如图1中的波形II所示，其中t1=1s，t2=0.25s。
由公式t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C，可计算出电阻R1、R2及电容C的值。
图2②逻辑控制电路根据图1(b)所示波形，在计数信号II 结束时产生锁存信号IV，锁存信号IV 结束时产生清“0”信号V。
脉冲信号IV 和V 可由两个单稳态触发器74LS123 产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
设锁存信号IV 和清“0 ”信号V的脉冲宽度tw 相同，如果要求tw=0.02s ，则得tw=0.45RextCext=0.02s。
若取Rext=10kΩ，则Cext=tw/0.45Rext=4.4μF。
由74LS123 的功能可得，当1RD=1B=1,触发脉冲从1A 端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端Q 1可获得一负脉冲，其波形关系正好满足图1 所示的波形IV 和V 的要求。
手动复位开关S 按下时，计数器清“0”。
图3③锁存器锁存器的作用是将计数器在1s 结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
3数字频率计的设计 设计要求 1．设计一个能测量方波信号频率的频率计，测量结果用十进制数显示。 2. 测量的频率范围是110KHz，分成两个频段，即1999Hz，1KHz10KHz，用三位数码管显示测量频率，用LED显示表示单位，如亮绿灯表示Hz，亮红灯表示KHz。 3. 具有自动校验和测量两种功能，即能用标准时钟校验测量精度。 4. 具有超量程报警功能，在超出目前量程档的测量范围时，发出灯光和音响信号。
设计提示 脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。所以，在1秒时间内计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。 测量/校验选择模块* 计数器模块 送存选择报警模块 锁存模块 扫描显示模块 测量/校验选择模块* 输入信号：选择信号selet被测信号meas测试信号test 输出信号:CP1 当selet=0时，为测量状态，CP1=meas； 当selet=1时，为校验状态，CP1=test。 校验与测量共用一个电路，只是被测信号CP1不同而已。 设置1秒定时信号（周期为2秒），在1秒定时时间内的所有被测信号送计数器输入端。 计数器对CP1信号进行计数，在1秒定时结束后，将计数器结果送锁存器锁存，同时将计数器清零，为下一次采样测量做好准备。 设置量程档控制开关K，单位显示信号Y，当K=0时，为1999Hz量程档，数码管显示的数值为被测信号频率值，Y显示绿色，即单位为Hz；当K=1时，为1KHz10KHz量程档，被测信号频率值为数码管显示的数值乘1000，Y显示红色，即单位为KHz。 设置超出量程档测量范围示警信号alert。计数器由四级十进制计数构成（带进位C）。若被测信号频率小于1KHz（K=0），则计数器只进行三级十进制计数，最大显示值为999.Hz，如果被测信号频率超过此范围，示警信号驱动灯光、扬声器报警；若被测信号为1KHz10KHz（K=1），计数器进行四位十进制计数，取高三位显示，最大显示值为9.99KHz，如果被测信号频率超过此范围，报警。
设计文档 一、原理 测频的原理归结成一句话，即在单位时间内对被测信号进行计数。下图说明了测频的原理及误差产生的原因。
图1 测频的原理 在上图中，假设时基信号为1khz，则用此法测得待测信号为1khz*7=70khz。但从图中可以看出，待测信号应该在77khz，误差约为7/77~9.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在1间。假设所测得脉冲个数为n，则所测频率的最大误差为1/（n-1）*100%。显然，减小误差的方法就是增大n。本频率计的要求测量结果以3位数表示，则测频误差应为1%~0.1%，则n的取值范围为： 100n<100 即时基信号的频率为量程中最低频率的1/100（同时约为最高频率的1/1000）。通过计算得出下表中的数据。 待测信号与时基信号的关系
待测信号/khz 时基信号/hz 10~99.9 100 1~9.99 10
二、系统框图
图2 数字频率计系统框图 根据题意，各个模块的作用简述如下： 1、分频器：由于测频时不同量程需要不同的时基信号，分频模块是必不可少的。系统通过分频模块从晶振时钟（20MHz）分出系统所需要的几个时基信号，其中包括状态机所需时钟。 2、计数器：从原理中可以看出，测频的本质上是计数，所以计数器也是系统中不可或缺的模块。为实现量程的自动转换，本计数器需输出指示超量程和欠量程状态的信号。 3、状态机：题目要求本系统可以自动转换量程，如果把每个量程看成一个状态，那么量程的切换实际上就是状态的转换。显然，用状态机来实现是最方便的。 4、其他：如锁存器（用来使显示数字稳定）、同步整形电路（用来处理超量程和欠量程信号，避免状态机多次转移）和七段数码管译码电路等。
三、各功能模块的实现 1 状态机的设计 系统的状态机是用来自动切换量程的。根据前面的分析，我们可以设立4个状态，状态名及其对应的量程如下表所列
状态名 对应量程 时基信号/Hz F100K 10—99.9kHz 100 F10K 1—9.99kHz 10 OverError 超过数字频率计最高频率 100 LowError 低于数字频率计最低频率 10
假设计数器的超量程信号为over，欠量程信号为low，那么可以画出如下图所示的状态转移图。
图3 状态转移图 根据此状态转移图，很容易就可以写出对应的状态机程序。状态机见附录1 图4 状态机的仿真波形 2 计数器的设计 计数器的原理很简单，计数值大于999，就将超量程信号Over置1；若计数值小于100，则将欠量程信号Low置1。 本计数器在待计数信号的两个周期内完成计数与控制信号（Over 与Low）的传输，在量程合适的情况下，将计数值输出。在这两个时钟周期内，第1个时钟周期完成计数，第2个时钟周期完成控制信号的传输与计数值输出。这样做的好处是稳定，将计数与控制信号传输分开进行，避免了时钟的跳变。 计数器的程序见附录2。
图5 计数器仿真波形 3 同步整形电路的设计 在实际应用中，外部输入的异步信号常常需要进行同步化（与系统时钟同步）和整形（将输入信号整形为一个时钟周期长的信号脉冲），其波形图见图6。其程序见附录3。 图6 同步整形电路仿真波形 4 分频器的设计 要得到状态机及各个功能模块所需的各种频率，就必须通过分频器从已知的频率中得到，我们先实现了200分频和10分频，然后通过如下电路得到了所需的频率：
图7 分频器总图 10分频、200分频和分频模块的波形仿真如下：
图8 十分频器仿真波形 图9 200分频仿真波形 图10 分频器模块仿真波形 10分频和200分频的程序见附录4。 5锁存器的设计 在本课题中，用的是一个正沿触发的D锁存器，它有一个数据输入端d，一个时钟输入端clk和一个数据输出端q。D锁存器的输出端只有在正脉冲沿过后，输入端d的数据才传递到输出端q。用VHDL语言描述该D锁存器的程序见附录5。 上述D锁存器只是一个单输入输出的锁存器，通过元件例化将单输入输出的锁存器扩张成3输入输出的锁存器。详见下图：
图11锁存器模块 图12锁存器仿真波形 图13 锁存器模块仿真波形 6显示器的设计 七段数码管分为共阴极和共阳极两种。简而言之，对共阴极来说，公共引脚要接地，想要点亮某段数码管，就在相应的引脚上加高电平；对共阳极来说正好相反，公共引脚提高电平，想要点亮某段数码管，就在相应的引脚上加低电平。 设计时用的是并行连接的七段数码管驱动程序。并行连接，即每个数码管都由单独的译码电路控制，各数码管之间除地端GND接在一起外，其余引脚各不相关。并行法的优点是控制简单，有几个数码管就用几个译码电路，不必修改程序，十分简单。但当系统中所需数码管较多时，这种方法既耗资源，又占用较多的I/O口，N个数码管需占用7N个引脚（若需要小数点，则是8N个引脚）。因此，此接法适合于系统中数码管数量不多的应用场合。 所以，本设计中用并行连接比较方便。 带使能端的译码器的程序见附录6，根据该程序通过类属映射得到显示器。 图14 七段数码管仿真波形 图15 显示器仿真波形 下图为数字频率计的顶层文件图。其中clkproduct是分频模块，statemachine为状态机，counter为计数器，signallatch为同步整形电路，numlatch为琐存器，shownum为七段数码管译码电路。
图16 数字频率计顶层文件 图中的输入/输出引脚的作用如下表所列。 输入/输出引脚的作用 引脚名 作用 Clock 接晶振时钟（20mhz） Clkin 接待测信号 Dp1 接百为的小数点 Dp2 接十位的小数点 Overlight 接表征高溢出的发光二极管 Lowlight 接表征低溢出的发光二极管 Lsb[0..6] 接个位七段数码管 Middle[0..6] 接十位七段数码管 Msb[0..6] 接百位七段数码管
实际操作的设计过程如下： （1）系统层次划分/画出系统框图 按照“自顶而下”的设计方法对系统进行划分（确定系统由哪些模块构成，各模块又由哪些子模块构成）。 （2）编码 在MAX+plusII的编辑器中写出VHDL代码。 （3）编译 编译器会对VHDL程序进行语法检查，还会产生用于防真的一些内部信息。这一步骤通常由编译器自动完成，毋须我们干预。如果VHDL语法有错误，编译无法通过，则须修改程序，即回到第（2）步。事实上，在VHDL设计过程中，常常需要往后退一步修改程序。 （4）功能仿真 VHDL仿真器允许定义输入并应用到设计中，不必生成实际电路就可以观察出。此仿真主要用于检验系统功能设计的正确性，不涉及具体器件的特性。 例如：library ieee; use ieee.std_logic_1164.all;
entity shownum is port ( en:in std_logic; numina,numinb,numinc:in integer range 0 to 15; lsb,middle,msb:out std_logic_vector(0 to 6) ); end;
