0-简易数字频率计题解 ( 1997年B 题)

简易数字频率计题解（1997年B 题）

编写与讲解人

田良

东南大学无线电系

2003年3月12日

赛题任务书（一）任务

设计并制作一台数字显示的简易频率计。（二）要求

1.基本要求

(1)频率测量

a.测量范围信号：方波、正弦波

幅度：0.5V～5V[注]

频率：1Hz～1MHz

b.测试误差≤0.1%

(2)周期测量

a.测量范围信号：方波、正弦波

幅度：0.5V～5V[注]

频率：1Hz～1MHz

b.测试误差≤0.1%

（3）脉冲宽度测量

a.测量范围信号：脉冲波

幅度：0.5V～5V[注]

脉冲宽度≥100μs

b.测试误差≤0.1%

（4）显示器十进制数字显示，显示刷新时间1～10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1MHz。

（6）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

2.发挥部分

（1）扩展频率测量范围为0.1Hz～10MHz(信号幅度：0.5V～5V[注])，测试误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。

（2）测量并显示周期脉冲信号（幅度0.5V～5V[注]、频率1Hz～1KHz）的占空比，占空比变化范围为10%～90%，测试误差≤1%。

（3）在1Hz～1MHz范围内及测试误差≤0.1%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。

题解部分

1.1题目分析

1.1.1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——要实现的测量功能以及测量精度。即明确“做什么”以及“做到何种程度”——即质量的要求：

①测量功能：测频、测周期、测脉冲宽度以及测脉冲的占空比（发挥部分）。

②测频、测周期、测脉冲宽度的误差：≤0.1%；

测占空比的误差：≤1%。(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：①被测信号的频率范：1Hz～1MHz;误差≤0.1%(基本要求);0.1Hz～10MHz,误差≤0.01%（发挥要求）

②被测脉冲信号的宽度：≥100μs

③最大闸门时间：10s；显示刷新时间在1s~10s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“做什么”以及“做到何种程度”——即质量的要求也就明确了。

下一步工作就转向分析实现该频率计的各项要求所应当采用的测量方法。

对各种数字化测频、测周法的±1误差进行比较:

1.直接测量法

被测的f x 越低,测频±1误差越大;被测的f x 越高,测周±1误差越大;

2.直接与间接测量相结合的方法中界频率:f m ==（1.7)p.68当f x ≥f m 时,直接测频,间接测周;当f x ≤f m 时,直接测周,间接测频.

3.多周期同步测量法(倒数计数器法)

从根本上消除了±1误差,实现了等精度测量1.1.3测量方法的分析与比较

()0T T k S ()101=k S T T

1.1.4尚未涉及的其它问题

1）脉宽测试误差的分析

被测脉宽≥100μs，测试误差≤0.1%，可以达到。2）脉冲占空比测试误差的分析

被测脉冲频率1Hz～1KHz，占空比10%～90%，幅度0.5V～5V；要求误差≤1%，可以达到。

3）被测信号幅度、频率范围及输入通道放大器自认0.02V，频率0.1Hz～10MHz,输入电阻1MΩ4）稳压电源的设计

估计数字电源±5V,1A;模拟电源±5V;±6～15V,均为200mA

1 .

2 设计方案讨论

1.2.1 方案的选择

1.测量方法的选择

选用多周期同步测量法

2.实现技术的选择

①纯硬件实现法（可选的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成电路、专用集成电路、可编程逻辑器件——如isPLD器件等）；

②纯软件实现法（可选的平台有PC机、单片机、DSP器件等）；

③软硬件相结合的实现法（由①、②中选择与组合）。——选此实现技术

1 . 3 系统级和子系统级设计

1.3.1 系统级框图

频率计的面板布置图

1.3.2 子系统级总体框图

1) 频率计子系统的划分

测量控制及

功能切换逻辑

2)各个子系统的主要技术指标及其组成

(1)输入通道（考虑发挥部分要求时）

带宽:0~10MHz;输入电阻:1M ;

增益:2/0.02=100(用TTL整形级时)

(2)多周期同步等精度测量控制及功能切换逻辑

计数器容量:107～108;工作频率:≥10MHz

(3)单片机子系统(根据下列要求选用AT89C51)

①由+5V电源供电，I/O口与TTL电平兼容，并有足够数目的I/O 口；②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；③片内除RAM外还要有EPROM；④至少有两个16位的定时器/计数器；⑤有外部中断输入引脚；⑥具有串行通信口；⑦价格要低廉。

图1.3.4 输入通道组成框图

多周期同步等精度测量控制及切换逻辑

图1.3.5

图1.3.6单片机与外围部件的互连方案

1.4设计的进一步细化

1.4.1输入通道的详细设计

1）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综合数字模块子系统 测量控制及功能切换逻辑+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1.4.1输入通道中模拟电路部分的详细设计图

图1.4.2被测信号边沿选择电路

图1.4.3被测信号边沿选择电路的工作波形图

用ispLSI 1032来实现

图1.4.4 由ispPLD实现的（虚线框内）综合数字模块子系统的总图