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1、1简易数字频率计（B 题） 摘要：整个频率测量系统由信号前端处理功能模块、CPLD 测频功能模块、键盘显示模块等几个部分组成。信号前端处理功能模块通过峰值检测电路、低通滤波器、信号放大器、整形电路几个处理环节获得适合频率测量的方波信号，频率测量核心部分采取单片机+CPLD 的方式，巧妙的实现了对于正弦波和方波的高精度的等精度频率测量。整个系统能够实现的频率测量范围为 0.1Hz10MHz，信号的幅度范围为 0.3V5V，相对测量误差小于 0.002%，测量所得频率值通过液晶进行十进制数字式显示，此频率计还具有自校功能，并可手动设定显示刷新时间。关键词：等精度频率测量、复杂可编程逻辑器件（CPL
2、D） 、高精度数字频率计Abstract:Key words:2目 录1 方案论证与选择 _31.1 设计要求 _31.2 总体方案比较 _31.3 系统总体结构框图 _41.4 系统工作原理 _42 单元电路设计 _42.1 信号前端处理功能模块 _42.1.1 信号判断及通道选择部分 _41) 前、后端峰值检测电路 _42) 低通滤波器电路的设计 _53) 通道选择电路 _62.1.2 信号放大器 _72.1.3 信号整形电路 _82.2 CPLD 测频功能模块 _92.2.1 接口电路 _92.2.2 时钟电路 _92.2.3 等精度测频的原理 _102.2.4 测频系统的误差分析 _1
3、12.3 键盘、显示模块 _112.4 电源的设计 _123 软件设计 _134 系统测试及改进方案 _134.1 测试使用的仪器 _134.2 指标测试与测试结果 _144.3 误差分析 _175 结论 _18参考文献 _18附录 1 主要元器件清单 _19附录 2 程序清单 _19附录 3 印制版图 _19附录 4 系统使用说明 _1931 方案论证与选择1.1 设计要求设计并制作一台数字显示的简易频率计。1.1.1 基本要求1) 频率测量a测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V5V；频率：1Hz1MHzb测量误差0.1%2) 显示器 十进制数字显示，显示刷新时间 110 秒连续可调
4、，对上述三种测量能分别用不同颜色的发光二极管指示。3) 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。1.1.2 发挥部分1) 扩展频率测量范围为 0.1Hz10MHz（信号幅度 0.5V5V） ，测量误差降低为 0.01%（最大闸门时间10s） 。2) 在 1Hz1MHz 范围内及测量误差1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。1.2 总体方案比较方案一：利用测周期法需要有标准信号的频率 fs,在待测信号的一个周期 Tx内，记录标准频率的周期数 Ns,则被测信号的频率为：f x=fs/Ns。这种方法的计算数值产生1 个脉冲误差，并且测试精度与计数器中记录的数值 Ns有关。为
5、了保证测试精度，测频率法仅适用于低频信号的测量。方案二：利用测频法测频法就是在确定的闸门时间 Tw内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）N x，则被测信号的频率为：f x=Nx/Tw。这种方法的计数值会产生1 个脉冲误差，并且测试精度与计数器记录的数值 Nx 有关，且不适合低频信号的测量。方案一、二缺点都较为明显，应用中可以综合两个方案，利用单片机的定时器和计数器通过测频率与测周期相结合的方法实现频率测量，设定一个中界频率 fm，当 被测信号频率 fx fm 时, 直接测频, 间接测周; 当 fx fm时, 直接测周，间接测频。此方法所需的外部电路相对较少，但测量精度不高，并随着测量信号的
6、频率发生变化，且受限于单片机的工作频率，计数器无法实现较高频率的测量（单片机自带计数器输入时钟的频率通常只能是系统时钟频率的几分之一甚至几十分之一） 。方案三：利用单片机+CPLD 的方式实现等精度频率测量4CPLD 可以实现高速的计数功能，可以用来测量较高的信号频率，可以很好的弥补单片机计数功能的不足；针对频率测量的需要，利用 CPLD 编程灵活的特点可以对其计数功能加以优化和加强，实现等精度频率测量，且测频精度高。等精度的实现可以简单的表达为，在设定的闸门时间内，分别对待测输入信号和基准频率信号进行计数，并保证对待测输入信号的计数值刚好为整数个，即保证绝对误差只有基准频率信号的1 误差，这
7、样只有保证基准信号频率高且稳定，即可实现频率测量的高精度和等精度。此方案不仅测量精度高，而且实现了全部测量范围内的等精度频率测量。比较几个方案优缺点，选择方案三来完成简易数字频率计。1.3 系统总体结构框图图 1-1 系统总体结构框图1.4 系统工作原理待测信号（正弦波或方波）经过信号前端处理模块，获得与待测信号同频率的方波信号，所得信号送往 CPLD 功能模块，结合单片机的控制，实现了对这一信号频率的等精度测量，并通过显示模块显示出测得频率的十进制数值和设定的显示刷新时间，通过键盘模块可以设定显示刷新时间。2 单元电路设计2.1 信号前端处理功能模块这一功能模块主要又分为三部分：信号判断及信
8、道选择部分、信号放大器和信号整形电路。组成框图如图 2-3 所示：2.1.1 信号判断及通道选择部分这一部分的作用是对输入信号频率高低进行判断，决定输入信号是否要经过低通滤波器再送往信号放大器。具体实现过程是先对未经处理的输入信号进行峰值检测，即前端峰值检测，获得电压值 V1，与此同时，对经过低通滤波器滤波后的信号进行峰值检测，即后端峰值检测，获得电压值 V2。根据低通滤波器的幅频特性可以知道，如果V2/V10.7,那么就说明输入信号频率低于设计的低通滤波器的截止频率，需要经过低通滤波器滤除高频干扰信号，再送往放大器；如果 V2/V10.7,那么就将已经经过低通滤波器滤波处理过的信号送往放大器
9、；如果 V2/V10.7,那么就将输入信号直接送往信号放大器。2.1.2 信号放大器 鉴于系统对于高频信号放大的需要，我们选择高速宽带运算放大器 AD8005实现信号放大功能，AD8005 高速特点显著，3 dB 带宽高达 270Mhz（G = +1时），转换速率（摆率）高达 280 V/s，可以满足系统对于高频信号放大的要求。NDA+5-Y04C6EX8B9in低图 2-8 通道选择电路8具体电路实现如下图 2-9 所示： 信号测量的幅度范围是 0.3V5V，再考虑到低频信号可能经过低通滤波器而有所衰减，输入放大器的最小的有效输入电压大约为 0.30.7=0.21V，通过电阻 RF 和 RG
10、 的选取将放大倍数设定为（RF+RG）/RG=660/100=6.6 倍，则幅度最小值将达到 0.216.6=1.386V，便于后续的整形处理。2.1.3 信号整形电路信号整形电路是通过高速比较器的迟滞比较完成的，具体实现如下图 2-10所示：5234671UAD0+V-RFGN.uC低KWotIOTSB9LM图 2-9 信号放大电路图 2-10 信号整形电路9应用中，选择了 LM361 这款高速比较器，它速度高（最大转换时间仅为 20 ns），输出为 TTL 电平，接口方便，其功能示意图如下：图 2-11 LM361 功能示意图实际电路中，为了提高抗干扰能力和系统的稳定性，加入正反馈，构成迟
11、滞比较器，信号整形电路中 R2所在支路即为正反馈支路，可调精密电位器 RW1用于设定迟滞比较器的基准电压，即基准电压即为电源电压经电位器 RW1分压后的电压值，而 RW2用于调节迟滞宽度，迟滞特性可表示成图 2-12,如下：则 迟滞宽度= （2-1）)(23OLHURW可见,通过调节电位器 RW2可以实现对于迟滞宽度的调整。电路中，R 3起的作用是，确保无论 RW2处于什么位置，都有一定的迟滞宽度存在。C 14、C 15、C 16都取为 10f，是滤波小电容。2.2 CPLD 测频功能模块CPLD 测频功能模块是实现等精度频率测量的核心与关键，电路中选择MAX7000 系列中的 EPM7128S 芯片完成等精度频率测
