GPT-4o给出的设计方案：

为了设计一个简易频率计，我们需要以下几个关键模块：

1. 输入信号调理模块： 处理输入信号的幅度和波形，使其适合后续电路处理。
2. 频率测量模块： 以计数方式进行频率测量，结合内部时钟实现高精度测量。
3. 周期测量模块： 利用时间测量相邻信号上升沿（或下降沿）之间的时间差来计算周期。
4. 脉冲宽度测量模块： 测量单个脉冲的宽度。
5. 显示模块： 采用7段数码管或LCD显示技术，配合多种LED指示不同测量模式。
6. 自校准模块： 利用内部1MHz参考时钟实现系统自校准。
7. 电源模块： 稳定可靠的电源设计满足整体电路需求。

理论分析

1. 频率测量误差分析： [ \text{测量误差} = \frac{1}{T_{\text{测量时间}}} ] 若选择1秒作为测量时间，则误差为0.1%。
2. 周期测量误差分析： 采用高精度计时器，通过测量两个触发事件之间的时间间隔计算周期。误差主要由内部时钟精度决定。
3. 脉冲宽度测量误差分析： 通过高精度定时器测量脉冲起始与终止的时间差，尽量减小内部定时器误差。

原理图设计要点

1. 输入信号调理模块： 包括信号放大及整形电路（如运算放大器、比较器等），确保信号在0.5V至5V的范围内和适当的整形。
2. 频率测量模块： 使用TTL电平，占空比调整至50%，通过计数器记录一定时间内脉冲数。
3. 周期测量模块： 计数两个连续的上升沿之间的时间，需要高精度的RTC或计时器协助。
4. 脉冲宽度测量模块： 采用精度为纳秒级的定时器。

核心器件设计要点

1. 计数器（如74HC393）： 高速的输入信号和较小的传播延迟确保计数精准。
2. 高精度定时器（如NE555）： 用于脉冲测量，在调节上确保稳定。
3. MCU（如STM32系列）： 集成多种定时器，并行处理能力强。主频应高于72MHz以确保高频信号的精准测量。

MCU C代码样例

#include "stm32f10x.h"

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 清除中断标志
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
        // 处理频率计数
    }
}

void setup_timer() {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef timer_init_structure;
    NVIC_InitTypeDef nvic_structure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    timer_init_structure.TIM_Period = 999;
    timer_init_structure.TIM_Prescaler = 71;
    timer_init_structure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    timer_init_structure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &timer_init_structure);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    nvic_structure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    nvic_structure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    nvic_structure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    nvic_structure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&nvic_structure);
}

int main(void) {
    setup_timer();
    while (1) {
        // 主循环
    }
}

FPGA Verilog代码样例

module frequency_counter(
    input clk,
    input rst,
    input signal,
    output reg [31:0] frequency
);

reg [31:0] counter;
reg [31:0] timer;

always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        counter <= 0;
        timer <= 0;
        frequency <= 0;
    end else begin
        if (timer == 99999999) begin
            frequency <= counter;
            counter <= 0;
            timer <= 0;
        end else begin
            timer <= timer + 1;
            if (signal) begin
                counter <= counter + 1;
            end
        end
    end
end

endmodule

该设计方案结合硬件和软件的多方面指标，满足要求的测量精度和频率扩展能力。MCU和FPGA代码展示了核心功能的基本实现方法。

本题目考察的主要知识点：

1. 信号调理： 如何处理不同类型及幅度的输入信号，使其适合后续电路处理。
2. 频率测量： 使用计数器和高精度时钟进行频率测量，确保测量误差在规定范围内。
3. 周期测量： 利用高精度计时器，通过测量相邻信号触发点之间的时间间隔计算信号周期。
4. 脉冲宽度测量： 通过定时器测量脉冲的时间宽度，确保测量精度。
5. 显示技术： 用显示器、数码管或LCD显示测量结果，并通过LED指示工作状态。
6. 自校准功能： 利用内部参考信号，对系统进行自校准，保证测量精度。
7. 电源设计： 提供稳定的电源，确保整个系统的可靠性。
8. MCU/FPGA编程： 基本的嵌入式系统编程，以及硬件描述语言（Verilog）的基础知识。