现代电子技术综合实验
数字频率计设计实验报告
姓名：兵马俑简介 学号：
一、系统总体设计
设计要求
1、被测输入信号：方波
2、测试频率范围为：10Hz～1MHz 扩展 1MHz ～100MHz
3、量程分为三档：第一档：闸门时间为1S时，最大读数为999.999KHz
第二档：闸门时间为0.1S时，最大读数为9999.99KHz
第三档：闸门时间为0.01S时，最大读数为99999.9KHz。
4、显示工作方式：a、用六位BCD七段数码管显示读数。
b、采用记忆显示方法
c、实现对高位无意义零的消隐。
系统工作原理
信号的频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f=N/T，其中f为被测信号的频率，N为技术其所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间。技术其所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1s内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000HZ。
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测量频率的基本方法有两种：计数法和计时法，或称测频法和测周期法。
1、计数法
计数法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。如图所示。
设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f以确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：
δf1=(f1-f)/f=1/f
从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。
2、计时法
计时法又称为测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。
首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数，如图所示。
计时法测量原理
若在T时间内的计数值为N2,则有：
T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2
N2的绝对误差为N2=N+1。
N2的相对误差为δN2=(N2-N)/N=1/N
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T2的相对误差为δT2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1
从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。
根据本设计要求的性能与技术指标，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。有上述频率测量原理与方法的讨论可知，计时法适合于对低频信号的测量，而计数法则适合于对较高频信号的测量。但由于用计时法所获得的信号周期数据，还需要求倒数运算才能得到信号频率，而求倒数运算用中小规模数字集成电路较难实现，因此，计时法不适合本实验要求。测频法的测量误差与信号频率成反比，信号频率越低，测量误差就越大，信号频率越高，其误差就越小。但用测频法所获得的测量数据，在闸门时间为一秒时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。因此，本实验所用的频率测量方法是测频法。
单元电路的划分
分频电路
FPGA的石英振荡器，产生频率为48MHz的方波信号。因此需要分频电路，将48MHz的高频信号，分频为整个系统需要的信号：1Hz闸门信号和1KHz扫描显示信号
计数器
对外部输入的被测信号，进行计数
锁存器
对计数器的计数结果，进行锁存
十字狐门控电路
对计数电路、锁存电路，进行时序控制
扫描显示控制电路
对锁存的结果，进行动态扫描显示
系统框图：
二、单元电路设计
单元电路设计思路
一．分频器
分频器的功能是将提供的48MHz标准信号，产生所需的1Hz闸门控制信号及1KHz扫描时钟信号。因此通过计数器的计数，来实现分频器的功能
例如：实现对一个信号的5分频
if clkin'event and clkin = '1' then
if cnt = 5 then
cnt <= 1;
clkout <=not clkout;
el
cnt <= cnt + 1;
end if;
end if;
源程序见附录
二．计数器
计数器的功能是对外部输入的被测信号，进行计数。因为系统要求，显示为6为数字，所以需要用药小常识6位的计数器。因此采用6个10进制计数器级联的方法
单级计数器
级联后的计数器
级联，分为同步级联和异步级联两种方式
同步级联原理图：
异步级联原理图：
本设计选择的是同步级联
源程序见附录
三．锁存器
锁存器用来实现对6位计数结果，和溢出信号的锁存功能
源程序见附录
四．门控电路
门控电路的作用是对计数电路和锁存电路，进行时序控制
例如：
源程序见附录
五．扫描显示控制电路
扫描显示控制电路的功能是对锁存的结果，进行动态扫描显示。选用频率1KHz的信号实现对六位已经锁存的计数结果的扫描输出
扫描显示控制电路分为以下几部分构成：
1.计数部分：
通过计数器的计数，来产生动态显示数码管的位选信号
2.小数点控制部分：
控制小数点的显示
3.数据选择部分：
根据计数部分产生的位选信号，来选择一组数据输出显示
4.七段译码部分：
将数据选择器输出的数据，进行译码，形成数码管的段选信号
5.消隐部分
实现高位无意义0的消隐
各个部分间的链接关系如图：
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源程序见附录
三、张铁汉设计实现
顶层设计
通过原件的声明，和原件的例化，来将各个底层实体，在顶层调用
