等精度数字频率计设计 精品Word格式.docx

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姓名：

梁森

专业：

电子信息工程

学号：

07061234

指导教师：

陈坚

二零一一年六月

摘要

频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一。

频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度，所以测频率方法的研究越来越受到重视。

本课题的等精度数字频率计设计，采用当今电子设计领域流行的EDA技术，以CPLD为核心，配合AT89C51单片机，采用多周期同步测频原理，实现了0.1Hz-50MHz信号频率的等精度频率测量，此外，该系统还可以测方波信号宽度及高、低电平的占空比。

基于传统测频原理的频率计的测量精度将随着被测信号频率的下降而降低，在实用中有很大的局限性，而等精度频率计不但有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。

运用等精度测量原理，结合单片机技术设计了一种数字频率计，由于采用了屏蔽驱动电路及数字均值滤波等技术措施，因而能在较宽定的频率范围和幅度范围内对频率，周期，脉宽，占空比等参数进行测量，并可通过调整闸门时间预置测量精度。

选取的这种综合测量法作为数字频率计的测量算法，提出了基于CPLD的数字频率计的设计方案。

给出了该设计方案的实际测量效果，证明该设计方案切实可行，能达到较高的频率测量精度。

设计中用一块复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）芯片EPM7128SLC84-15完成各种时序逻辑控制、计数功能。

在QuartusII平台上，用VHDL语言编程完成了CPLD的软件设计、编译、调试、仿真和下载。

用AT89C51单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制数码管的显示输出。

系统将单片机AT89C51的控制灵活性及CPLD芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。

关键词 

等精度测量；

单片机；

频率计；

闸门时间

ABSTRACT

Inthefieldofelectronicmeasurement,thefrequencycheckingisoneofmostfundamentalandcriticallyimportantmeasuringmethods.Becausefrequencysignal,whichiseasilytransported,hasstrongresistancetothedisturbanceandcanbemeasuredwithhighprecision,researchonthemethodbymeasuringfrequencyhavemoreandmoresignificanceintherealapplication.

Alongwithismeasuredbasedonthetraditionalfrequencymeasurementprinciplefrequencymetermeasuringaccuracythesignallingfrequencythedropbuttoreduce,inispracticalhastheverybiglimitation,butandsoontheprecisionfrequencymeternotonlyhasteachesthehighmeasuringaccuracy,moreovermaintainstheconstanttestprecisionintheentirefrequencymeasurementregion.Usingandsoontheprecisionsurveyprinciple,unifiedthemonolithicintegratedcircuittechnicaldesignonekindofnumeralfrequencymeter,becausehasusedtheshieldactuationelectriccircuitandtechnicalmeasureandsoondigitalaveragevaluefilter,thuscouldincomparedinthefrequencyrangeandthescopescopewhichthewidthdecidedtothefrequency,thecycle,thepulsewidth,occupiedparameterandsoonspatialratiocarriesonthesurvey,andmightthroughtheadjustmentstrobetimeinitializationmeasuringaccuracy.Selectionthiskindofsynthesismeasuredthemensurationtookthedigitalfrequencymeterthesurveyalgorithm,proposedbasedontheCPLDdigitalfrequencymeterdesignproposal.Hasproducedthisdesignproposalactualsurveyeffect,provedthisdesignproposalispracticalandfeasible,canachievethehighfrequencymeasurementprecision.

Duringthedesign,achipEPM7128SLC84_1SinCPLDfulfillstiminglogiccontrolandcountfunction.UndertheflatofQuartusII，throughVHDLlanguageCPLDsoftwaredesign}compilation}debug,simulationanddownloadcanbecarriedout.ByuseoftheAT89C51singlechipcomputerasthemaincontrollingparts,theAT89C51realizestestsignalcontrolkeyboardscanandoutputdisplayofLED.

ThesystemcombinesthecontrolflexibilityofAT89C51withprogrammableperformanceofCPLD，sonotonlycanitshortentheperiodofthedevelopmentandresearch，butalsohastheadvantagesofcompactstructurelittlevolumehighreliabilitywidescopeandhighprecision.

Keywords：

Precisionsurvey;

monolithicintegratedcircuit;

frequencymeter,strobetim

第一章绪论

1.1背景

频率的概念就是1S时间内被测信号的周期个数，最直接的测量方法就是单位时间内计数法，这种方法比较适合高频测量。

低频通常用测周期法。

这两种方法的测量精度不固定，与被测信号的范围相关。

等精度频率测量法融合以上两种方法的优点，可兼顾低频与高频信号;

但较以上两种方法而言，等精度频率测量有较高的测量精度，且误差不会随着被测信号频率的改变而改变。

测频一直以来都是电子和通讯系统工作的重要手段之一。

高精度的测频仪和频率发生器有着广泛的市场前景。

以往的测频仪都是在低频段利用测周的方法、高频段用测频的方法，其精度往往会随着被测频率的下降而下降。

该测频仪利用等精度的测频原理，保证了整个测试范围内恒定的测试精度。

伴随着我国航空航天、电子、自动化测量、测控等领域的高速发展，对信号的测量也越来越多的，应用在以上的各个领域。

而且随着小数点后面数字的不断增多，对被测信号的精度的要求也随之提高。

等精度数字频率计就是为满足以上要求应运而生的高科技产物。

1.2研究内容及相关技术

●CPLD的原理、开发步骤

●基于QuartusII和VHDL的自顶向下，模块化的数字电子系统开发

●CPLD与单片机、DSP等器件的协作开发技术

●等精度数字频率计原理与设计

该测频系统的设计扬弃了传统的自下而上的数字电路设计方法，采用先进的EDA技术及自上而下的设计，把资源丰富、控制灵活及良好人机对话功能的AT89C51单片机和具有内部结构重组、现场可编程的CPLD芯片完美的相结合起来，实现了对0.1Hz-70MHz信号频率的等精度测量。

由于CPLD具有连续连接结构，易于预测延时，使电路仿真会更加准确，且编程方便，速度快，集成度高，价格低，从而使系统研制周期大大缩短，产品的性能价格比较高。

CPLD芯片采用流行的VHDL语言编程，并在QuartusII设计平台上实现了全部编程设计，单片机采用底层汇编语言编程，可以精确地控制测频计数闸门的开启和关闭，从而进一步提高了测量精度。

该数字频率计的设计及实现也具有良好的应用价值和推广前景。

后面几章将对系统的软硬件设计进行详细论述。

1.3测量原理

传统的测频原理是在一定的时间间隔内测某个周期信号的重复变化次数N，其频

率可表示为f=N/T，其原理框图见图1-1。

这种测量方式的精度随被测信号频率的变

化而变化。

当方波预置门控信号由低变为高电平时，经整形后的被测信号上升一沿启动D触发器，由D触发器的R端同时启动可控计数器CNT1和CNT2同时计数，当预置门为低电平时，随后而至的被测信号使可控计数器同时关闭。

设FX为整形后的被测信号，FS为基准频率信号，若在一次预置门高电平脉宽时间内被测信号计数值为Nx,基准频率计数值为Ns，则有:

FX=（FS/Ns）Nx

第二章总体设计思路

2.1多周期同步测量方法

等精度测量就是多周期同步测量法的一种衍生。

多周期同步测量法是在直接测频的基础上发展起来的，在目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。

多周期同步测量原理框图如图1-1所示。

首先被测信号fx从输入通道进入闸门A，标准信号f0通过时基选择进入闸门B，被测信号在同步逻辑控制电路的作用下，产生一个与被测信号同步的闸门信号。

当实际闸门打开时间控制为Tr时，即闸门A、B被同时打开T时间，这时，计数器A和计数器B同时分为对fx和f0的周期数进行累加计数。

在T时间内，若计数器A的累计数为Na，计数器B的累计数为Nb，则Na=Tr*fx和Nb=Tr*f0，因此可以计算出被测频率fx=f0（Na/Nb）。

图2-1等精度测量原理图

由此可见，多周期同步法测频技术的实际闸门时间Tr不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，计数器A的计数脉冲与闸门A的开、闭是完全同步的，因