簡易數(shù)字頻率計(jì)題解1997年B題.ppt

簡易數(shù)字頻率計(jì)題解 （ 1997年 B 題 ）,編 寫 與 講 解 人 田 良 東 南 大 學(xué) 無 線 電 系 2003年3月12日,賽 題 任 務(wù) 書 （一）任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)數(shù)字顯示的簡易頻率計(jì)。 （二）要求 1.基本要求 (1)頻率測量 a.測量范圍 信號(hào)：方波、正弦波 幅度：0.5V5V注 頻率：1Hz1MHz b.測試誤差0.1% (2)周期測量 a.測量范圍 信號(hào)：方波、正弦波 幅度：0.5V5V注 頻率：1Hz1MHz b.測試誤差0.1%,（3） 脈沖寬度測量 a.測量范圍 信號(hào)：脈沖波 幅度：0.5V5V注 脈沖寬度100s b.測試誤差0.1% （4）顯示器 十進(jìn)制數(shù)字顯示，顯示刷新時(shí)間110秒 連續(xù)可調(diào)，對上述三種測量功能分別采用不同顏色的 發(fā)光二極管指示。 （5）具有自校功能，時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率為1MHz。 （6）自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。,2.發(fā)揮部分 （1）擴(kuò)展頻率測量范圍為0.1Hz10MHz(信號(hào)幅度：0.5V5V注)，測試誤差降低為0.01%（最大閘門時(shí)間10s）。 （2）測量并顯示周期脈沖信號(hào)（幅度0.5V5V注、頻率1Hz1KHz）的占空比，占空比變化范圍為10%90%，測試誤差1%。 （3）在1Hz1MHz范圍內(nèi)及測試誤差0.1%的條 件下，進(jìn)行小信號(hào)的頻率測量，提出并實(shí)現(xiàn)抗干 擾的措施。,題 解 部 分,1.1題目分析 1.1.1設(shè)計(jì)者特定背景知識(shí)的自查與準(zhǔn)備 1.1.2頂層要求的確認(rèn)要實(shí)現(xiàn)的測量功能以及測量精度。即明確 “做什么”以及“做到何種程度”即質(zhì)量的要求： 測量功能：測頻、測周期、測脈沖寬度以及測脈沖的占空比（發(fā)揮部分）。 測頻、測周期、測脈沖寬度的誤差：0.1%； 測占空比的誤差：1%。(發(fā)揮部分）,(10-3),其次，在頂層設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)明確的主要技術(shù)指標(biāo)： 被測信號(hào)的頻率范：1Hz1MHz; 誤差0.1% (基本要求); 0.1Hz10MHz,誤差0.01%（發(fā)揮要求） 被測脈沖信號(hào)的寬度：100s 最大閘門時(shí)間：10s；顯示刷新時(shí)間在1s10s之間連續(xù)可調(diào) 還有一些設(shè)計(jì)要求與技術(shù)指標(biāo)將在設(shè)計(jì)由頂層向底層過渡之中逐步予以關(guān)注和考慮。 至此，對該題“做什么”以及“做到何種程度”即質(zhì)量的要求也就明確了。 下一步工作就轉(zhuǎn)向分析實(shí)現(xiàn)該頻率計(jì)的各項(xiàng)要求所應(yīng)當(dāng)采用的測量方法。,對各種數(shù)字化測頻、測周法的1誤差進(jìn)行比較: 1.直接測量法 被測的 fx 越 低,測頻1誤差越大; 被測的 fx 越高,測周1誤差越大; 2.直接與間接測量相結(jié)合的方法 中界頻率: fm = = （1.7) p.68 當(dāng) fx fm時(shí), 直接測頻, 間接測周; 當(dāng) fx fm時(shí), 直接測周, 間接測頻. 3.多周期同步測量法( 倒數(shù)計(jì)數(shù)器法 ) 從根本上消除了1誤差,實(shí)現(xiàn)了等精度測量,1.1.3 測量方法的分析與比較,1.1.4 尚未涉及的其它問題,1）脈寬測試誤差的分析 被測脈寬100s，測試誤差0.1%，可以達(dá)到。 2）脈沖占空比測試誤差的分析 被測脈沖頻率1Hz1KHz，占空比10%90%，幅度0.5V5V；要求誤差1%，可以達(dá)到。 3）被測信號(hào)幅度、頻率范圍及輸入通道放大器 自認(rèn)0.02V，頻率0.1Hz10MHz, 輸入電阻1M 4）穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 估計(jì)數(shù)字電源5V,1A;模擬電源5V;615V,均為200mA,1 . 2 設(shè) 計(jì) 方 案 討 論 1.2.1 方 案 的 選 擇,1. 測量方法的選擇 選用多周期同步測量法 2. 實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇 純硬件實(shí)現(xiàn)法（可選的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成電路、專用集成電路、可編程邏輯器件如isPLD器件等）； 純軟件實(shí)現(xiàn)法（可選的平臺(tái)有PC機(jī)、單片機(jī)、 DSP器件等）； 軟硬件相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)法（由、中選擇與組合）。選此實(shí)現(xiàn)技術(shù),1 . 3 系 統(tǒng) 級 和 子 系 統(tǒng) 級 設(shè) 計(jì) 1.3.1 系 統(tǒng) 級 框 圖,頻 率 計(jì) 的 面 板 布 置 圖,1.3.2 子 系 統(tǒng) 級 總 體 框 圖 1) 頻率計(jì)子系統(tǒng)的劃分,測量控制及 功能切換邏輯,2)各個(gè)子系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)及其組成,(1) 輸入通道 （考慮發(fā)揮部分要求時(shí)） 帶寬:010MHz; 輸入電阻:1M; 增益:2/0.02=100(用TTL整形級時(shí)) (2) 多周期同步等精度測量控制及功能切換邏輯 計(jì)數(shù)器容量:107108; 工作頻率:10MHz (3) 單片機(jī)子系統(tǒng)(根據(jù)下列要求選用AT89C51) 由+5V電源供電，I/O口與TTL電平兼容，并有足夠數(shù)目的I/O口；要有豐富的四則算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令，指令執(zhí)行速度要快；片內(nèi)除RAM外還要有EPROM；至少有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；有外部中斷輸入引腳；具有串行通信口；價(jià)格要低廉。,圖1.3.4 輸入通道組成框圖,多 周 期 同 步 等 精 度 測 量 控 制 及 切 換 邏 輯,圖1.3.5,圖1.3.6單片機(jī)與外圍部件的互連方案,1.4 設(shè)計(jì)的進(jìn)一步細(xì)化 1.4.1輸入通道的詳細(xì)設(shè)計(jì) 1）輸入通道中的模擬部分的詳細(xì)設(shè)計(jì) 2）輸入通道中的數(shù)字部分的詳細(xì)設(shè)計(jì) 1.4.2 綜合數(shù)字模塊子系統(tǒng) 測量控制及 功能切換邏輯 + 其它輔助數(shù)字部件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 1) 核心電路-圖1.3.5; 2)輔助數(shù)字部件共10個(gè) 1.4.3 單片機(jī)子系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 1)主程序; 2)子程序主要有4個(gè) ( 鍵盤中斷服務(wù)子程序;軟件計(jì)數(shù)器子程序;數(shù)據(jù)處理子程序;測量結(jié)果刷新顯示子程序),圖1.4.1輸入通道中模擬電路部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖,圖1.4.2被測信號(hào)邊沿選擇電路,圖1.4.3被測信號(hào)邊沿選擇電路的工作波形圖,圖 1.4.4 由ispPLD實(shí)現(xiàn)的（虛線框內(nèi)）綜合數(shù)字模塊子系統(tǒng)的總圖,用ispLSI 1032來實(shí)現(xiàn),輔 助 數(shù) 字 部 件 共 10 個(gè), 脈沖邊沿選擇電路； 預(yù)置閘門時(shí)間選擇計(jì)數(shù)器和指示驅(qū)動(dòng)電路； 通道條件碼輸入接口； 閘門燈驅(qū)動(dòng)器；按鍵接口電路； 單/雙通道選擇信號(hào)產(chǎn)生邏輯； 低12bit時(shí)間計(jì)數(shù)器、28bit事件計(jì)數(shù)器； 前述兩個(gè)計(jì)數(shù)器與單片機(jī)的接口邏輯（可尋址的8bit的6選1多路選擇器）； 驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼顯示器的98位移位寄存器及緩沖器（包含單位符號(hào)指示燈驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)）； 1MHz時(shí)標(biāo)信號(hào)及1Hz脈沖發(fā)生器電路。,用ispLSI 1032來實(shí)現(xiàn),圖 1.4.5 頻 率 計(jì) 的 測 量 流 程,主 程 序 流 程 圖,P1.6=0 P1.7=1,(續(xù)前）主 程 序 流 程 圖,1.5 測試方案 1.5.1測試步驟與方法概述 先對三個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行測試,最后將三個(gè)子系統(tǒng)互連起來，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的總體測試。 1.5.2頻率計(jì)子系統(tǒng)的測試步驟與方法 1.輸入通道模擬電路部分測試步驟與方法 2.綜合數(shù)字功能模塊的測試步驟與方法 應(yīng)充分運(yùn)用EDA工具的功能模擬和定時(shí)模擬能力，去替代使用測試儀器去完成大量而復(fù)雜的測試工作。 3.單片機(jī)子系統(tǒng)的測試步驟與方法 先測試硬件，再測試軟件，最后軟硬件聯(lián)合測試。 測試主要用仿真器，也要用到示波器、電壓表等儀器。,（續(xù)前）對單片機(jī)子系統(tǒng)的硬件的測試，就是測試與它相連的做在isPLD器件內(nèi)的外圍部件的工作是否正常。方法是針對要測的硬件編寫一個(gè)、一個(gè)的讀寫小程序，輸入到仿真器中去，分別對每個(gè)外圍部件的讀/寫功能進(jìn)行測試。 軟件測試的主要工具仍然是仿真器。應(yīng)當(dāng)先測試子程序，后測試主程序。 測試中要靈活運(yùn)用插入暫停、局部循環(huán)指令以及仿真器的單步調(diào)試功能。并用直流電壓表或示波器去測量硬件上的有關(guān)電平或波形。,4. 總 體 測 試 所有子系統(tǒng)均測試通過后,才能將它們?nèi)炕ミB起來進(jìn)行總體測試。這時(shí)所用的儀器主要是：函數(shù)發(fā)生器；通用計(jì)數(shù)器（可測量頻率、周期、時(shí)間等）；交流電壓表；示波器。它們的工作頻率應(yīng)覆蓋020MHz。 電源接通后，檢查頻率計(jì)默認(rèn)測頻工作狀態(tài)以及自檢功能是否正常，然后用函數(shù)發(fā)生器作為測試信號(hào)源，同時(shí)接到所制作的頻率計(jì)和通用計(jì)數(shù)器的輸入端，按設(shè)計(jì)任務(wù)書要求的測量項(xiàng)目逐個(gè)進(jìn)行測試，將頻率計(jì)和通用計(jì)數(shù)器的讀數(shù)分別記錄下來。計(jì)算各個(gè)測量項(xiàng)目的測量誤差，并與任務(wù)書要求進(jìn)行比較。,謝 謝 收 看， 請留下寶貴意見！,再 見 東 南 大 學(xué) 無 線 電 系,同步化閘門啟動(dòng)定時(shí)器,T0,鍵盤中斷與顯示時(shí)間調(diào)節(jié),C51單片機(jī)定時(shí)器的結(jié)構(gòu)與方式字,圖1.6.1 計(jì)數(shù)式測頻的原理方框圖,fX =N / TS,閘門時(shí)間,圖 1.6.3 計(jì)數(shù)式測周期的原理框圖,TX = N T0 / k,時(shí)標(biāo),圖1.6.5測量時(shí)間間隔的原理方框圖,TX = N T0,圖1.6.7 脈沖寬度和上升時(shí)間的測量 (a)測量脈沖寬度； (b)測脈沖上升時(shí)間,圖1.6.9 倒數(shù)計(jì)數(shù)器（多周期同步測量）,圖1.6.9 倒數(shù)計(jì)數(shù)器（多周期同步測量）,時(shí) 間 波 形 圖,