摘要：以FPGA为核心器件，嵌入mc8051 IP核,1602液晶显示器等作为外围，设计的等精度频率计。通过1602液晶显示被测频率值,闸门时间自动调整，测量范围为0.1Hz—100MHz。

基于FPGA的100M频率计设计 功能描述： 该频率计是以FPGA为核心器件，嵌入mc8051 IP核，并以整形电路、1602液晶显示器等作为外围设计而成的等精度频率计。通过1602液晶显示被测频率值、周期、脉宽、占空比，闸门时间在0.1—10S连续可调，测量范围为0.1Hz—100MHz。

第1 页共27 页 1 概述 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。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频 率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越 短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响本文。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。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器 电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。 数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功 能，从而提高系统可靠性和速度。 集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2 大 类。数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。 一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上 却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。 2 系统的总体设计： 2.1 原理设计 本频率计的设计以AT89S52 单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成 待测信号周期/频率的测量。单片机AT89S52 内部具有2 个16 位定时/计数器, 定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功 能。在构成为定时器时,每个机器周期加1 (使用12MHz 时钟时,每1us 加1)，这 样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部 引脚发生从1 到0 的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测 量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1 到0 的跳变至少需要2 个机器周期(24 个振荡周期) ,所以最大计数速率为时钟频率 的1/24 (使用12MHz 时钟时,最大计数速率为500 KHz) 。定时/计数器的工作由 相应的运行控制位TR 控制,当TR 置1 ,定时/计数器开始计数;当TR 清0 ,停止计 数。设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求。例如当要求频率测 量结果为4 位有效数字,这时如果待测信号的频率为1Hz ，则计数闸门宽度必须 大于1000s。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求,把测量工作分为两 种方法。当待测信号的频率大于等于2Hz 时,定时/ 计数器构成为计数器，以机 器周期为基准,由软件产生计数闸门,这时要满足频率测量结果为4 位有效数字, 则计数闸门宽度大于1s 即可。当待测信号的频率小于2Hz 时，定时/ 计数器构 成为定时器,由频率计的予处理电路把待测信号变成方波,方波宽度等于待测信号 的周期。用方波作计数闸门，完全满足测量精度的要求。 频率计的量程自动切换在使用计数方法实现频率测量时，这时外部的待测信 号为定时/ 计数器的计数源，利用定时器实现计数闸门。频率计的工作过程为： 首先定时/计数器T0 的计数寄存器设置一定的值,运行控制位TR0 置1，启动定 时/ 计数器0；利用定时器0 来控制1S 的定时，同时定时/计数器T1 对外部的待 第2 页共27 页 测信号进行计数,定时结束时TR1 清0 ,停止计数；最后从计数寄存器读出测量数 据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。在使用定时方法实现频率测 量时,这时外部的待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度等于待测信号周期 的方波，该方波同样加至定时/ 计数器1 的输入脚。这时频率计的工作过程为: 首先定时/ 计数器1 的计数寄存器清0 ,然后检测到方波的第二个下降沿是否加 至定时/ 计数器的输入脚；当判定下降沿加至定时/计数器的输入脚，运行控制位 TR0 置1 ,启动定时/计数器T0 对单片机的机器周期的计数，同时检测方波的第 三个下降沿；当判定检测到第三个下降沿时TR0 清0 ，停止计数，然后从计数 寄存器T0 读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。测量 结果的显示格式采用科学计数法,即有效数字乘以10 为底的幂。这里设计的频 率计用4 位数码管显示测量结果。 定时方法实现频率测量。定时方法测量的是待测信号的周期，这种方法只设 一种量程，测量结果通过浮点数运算模块将信号周期转换成对应的频率值,再将 结果送去显示。这样无论采用何种方式，只要完成一次测量即可,频率计自动开 始下一个测量循环,因此该频率计具有连续测量的功能,同时实现量程的自动转 换。 数字频率计的硬件框图如图2.1 所示。 由此可以看出该频率计主要由八部分组成，分别是： (1)待测信号的放大整形电路 因为数字频率计的测量范围为峰值电压在一定电压范围内的频率发生频率 发生周期性变化的信号，因待测信号的不规则，不能直接送入FP

P0 P1口接4位共阴极数码管，P3.5接输入方波，检测一秒钟内1-0变化的次数，显示频率值，精度适合低频

通过51单片机，采用等精度测量法，可以测量1～1M以内的信号的频率，测量精度在<1/1000，并通过LCD1602显示。 程序包内提供C51原程序代码（采用keil开发）和仿真电路图（采用proteus开发)。并可通过外部增加分频器来扩展测量量程。程序编写合理，方便阅读，容易扩展。

使用51单片机，六位数码管制作的频率计汇编程序