畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于AT89C51單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、 云南廣播電視大學(xué) 云南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課 題 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì) 教 研 室 電子教研室 專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級(jí) 08級(jí)應(yīng)用電子班 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 導(dǎo)師姓名 職稱 講 師 2011年 1月 8 日摘 要采用自上向下的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件的數(shù)字頻率計(jì)。以at89c51單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控部件，完成電路的測(cè)試信號(hào)控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、鍵盤掃描和控制數(shù)碼管顯示。用vhdl語(yǔ)言編程，由cpld(complex programmable logic device)完成各種時(shí)序控制及計(jì)數(shù)功能。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、測(cè)頻范圍寬和精度高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞

2、 可編程邏輯器件；cpld；等精度測(cè)量法；單片機(jī)；vhdlabstractwith the adoption of the top-down design method and at89c51 scmc (single chip misc computer) as the master control component of the system the circuit test signal controlling data operation processing keyboard scanning and nixie tube display as well were complete

3、d by the digital cymene. a cpld programmed by vhdl realized various sequence control and count function. the system is characterized by impact structure high reliability high precision and wide frequency-test-range. key words programmable logic component； cpld； measures mensuration；single chip misc

4、computer；vhdl 目 錄緒 論1第一章 設(shè)計(jì)方案的選擇31.1 頻率測(cè)量模塊31.1.1 直接測(cè)量法31.1.2 組合測(cè)頻法41.1.3 倍頻法41.1.4 等精度測(cè)頻法41.2 周期測(cè)量模塊51.2.1 直接周期測(cè)量法51.2.2 等精度周期測(cè)量法61.3 脈沖寬度測(cè)量模塊61.4 占空比測(cè)量模塊61.5 標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生電路61.6 小信號(hào)處理部分61.6.1 采用分立元件71.6.2 采用運(yùn)算放大器71.6.3 直接采用比較器7第二章 基本測(cè)量原理與理論誤差分析72.1 等精度頻率/周期測(cè)量技術(shù)72.1.1量化誤差72.1.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差82.2 預(yù)置門時(shí)間信號(hào)與閘門時(shí)間信號(hào)82

5、.3 高精度恒誤差周期測(cè)量方法82.4 脈沖寬度測(cè)量理論誤差分析92.5 周期脈沖信號(hào)占空比測(cè)量誤差分析9第三章 方案的實(shí)現(xiàn)93.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)93.2 測(cè)量控制電路93.3 輸入信號(hào)處理部分103.4 小信號(hào)處理部分103.5 標(biāo)準(zhǔn)頻率方波發(fā)生電路113.6 顯示器電路123.7 實(shí)際數(shù)字測(cè)量部分143.7.1 頻率測(cè)量與周期測(cè)量電路143.7.2 控制部分設(shè)計(jì)153.7.3 脈沖寬度測(cè)量和占空比測(cè)量電路16第四章 單片機(jī)控制與運(yùn)算程序的設(shè)計(jì)184.1 單片機(jī)控制與運(yùn)算的主流程圖18第五章 結(jié)束語(yǔ)19參考文獻(xiàn)20致 謝21附 錄22緒 論數(shù)字頻率計(jì)是數(shù)字電路中的一個(gè)典型應(yīng)用，是計(jì)算機(jī)、通訊

6、設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)用到的器件較多，連線比較復(fù)雜，而且會(huì)產(chǎn)生比較大的延時(shí)，造成測(cè)量誤差、可靠性差。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件（cpld）的廣泛應(yīng)用，以eda工具作為開發(fā)手段，運(yùn)用vhdl語(yǔ)言，將使整個(gè)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化， 提高整體的性能和可靠性。采用vdhl編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計(jì)，除被測(cè)信號(hào)的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分以外，其余全部在一片fpga芯片上實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)非常精簡(jiǎn)，而且具有靈活的現(xiàn)場(chǎng)可更改性。在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種改進(jìn)還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。該數(shù)字頻率計(jì)具有高速、精確、可靠、抗干擾性強(qiáng)和現(xiàn)場(chǎng)可編程等優(yōu)點(diǎn)。本文用vhdl在

7、cpld器件上實(shí)現(xiàn)一種8b數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻系統(tǒng)，能夠用十進(jìn)制數(shù)碼顯示被測(cè)信號(hào)的頻率，不僅能夠測(cè)量正弦波、方波和三角波等信號(hào)的頻率，而且還能對(duì)其他多種物理量進(jìn)行測(cè)量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點(diǎn)。cpld是一種新興的高密度大規(guī)模可編程邏輯器件，它具有門陣列的高密度和pld器件的靈活性和易用性，目前已成為一類主要的可編程器件。可編程器件的最大特點(diǎn)是可通過軟件編程對(duì)其器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，能隨時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整而滿足產(chǎn)品升級(jí)。使得硬件的設(shè)計(jì)可以如軟件設(shè)計(jì)一樣方便快捷，從而改變了傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)及用單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)概念，使電子設(shè)計(jì)的技術(shù)操作和系統(tǒng)構(gòu)成在整體上發(fā)生了質(zhì)的

8、飛躍。采用cpld可編程器件，可利用計(jì)算機(jī)軟件的方式對(duì)目標(biāo)期進(jìn)行設(shè)計(jì)，而以硬件的形式實(shí)現(xiàn)。既定的系統(tǒng)功能，在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)需要隨時(shí)改變器件的內(nèi)部邏輯功能和管腳的信號(hào)方式，借助于大規(guī)模集成的cpld和高效的設(shè)計(jì)軟件，用戶不僅可通過直接對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能，而且由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路圖設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)的工作量及難度，同時(shí)，這種基于可編程芯片的數(shù)量，縮小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。eda（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，在eda軟件平臺(tái)上，對(duì)硬件語(yǔ)言hdl為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)的完成邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯仿真，直至

9、對(duì)特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作（文本選用的開發(fā)工具為altera公司的max+plusii）。eda的仿真測(cè)試技術(shù)只需要通過計(jì)算機(jī)就能對(duì)所設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)從各種不同層次的系統(tǒng)性能特點(diǎn)完成一系列準(zhǔn)確的測(cè)試與仿真操作，大大提高了大規(guī)模系統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。設(shè)計(jì)者的工作僅限于利用軟件方式，即利用硬件描述語(yǔ)言（如vhdl）來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的描述。 vhdl（very high speed integrated circuit hardware detion language 超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言）誕生于1982年，是由美國(guó)國(guó)防部開發(fā)的一種快速設(shè)計(jì)電路的工具，目前已經(jīng)成為

10、ieee（the institute of electrical and electronics engineers）的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言。相比傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，vhdl具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，支持自頂向下（top to down）和基于庫(kù)（library based）的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)者可以不必了解硬件結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行系統(tǒng)方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在方框圖一級(jí)用vhdl對(duì)電路的行為進(jìn)行描述，并進(jìn)行仿真和糾錯(cuò)，然后在系統(tǒng)一級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門邏輯電路的網(wǎng)表，下載到具體的cpld器件中去，從而實(shí)現(xiàn)可編程的專用集成電路（asic

11、）的設(shè)計(jì)。第一章 設(shè)計(jì)方案的選擇1.1 頻率測(cè)量模塊根據(jù)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)要求，電路系統(tǒng)可劃分為幾個(gè)基本模塊，如圖1.1所示： 波形整形電路 前置放大電路 頻率, 周期測(cè)量電路 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)發(fā)生電路占空比測(cè)量 電路脈沖寬度測(cè)量電路脈沖信號(hào)處理電路 穩(wěn)壓電源 顯示電路 控制與數(shù)據(jù) 處理電路圖1.1 頻率計(jì)組成模塊框圖1.1.1 直接測(cè)量法大家都知道，如果根據(jù)基本原理實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的數(shù)字化測(cè)量，是一種直接測(cè)量的手段，這種方法比較簡(jiǎn)單，如果能滿足設(shè)計(jì)要求的話，應(yīng)該作為首要的選擇方案。下面我們簡(jiǎn)單分析一下使用該方法是否能滿足設(shè)計(jì)要求，把被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)脈沖整形電路處理后加到閘門的一個(gè)輸入端，只有在閘門開通時(shí)間t(

12、以秒計(jì))內(nèi)， 被計(jì)數(shù)的脈沖送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)器的值為n，則可以得到被測(cè)信號(hào)頻率為f = n / t，經(jīng)過對(duì)照數(shù)字化直接測(cè)量頻率的原理我們可以發(fā)現(xiàn)，本測(cè)量在低頻率段的相對(duì)測(cè)量誤差較大，即在低頻率段不能滿足本設(shè)計(jì)的要求。1.1.2 組合測(cè)頻法是指在高頻時(shí)采用直接測(cè)量法，低頻時(shí)采用直接測(cè)量周期法測(cè)信號(hào)的周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補(bǔ)方法(1)的不足，但是難以確定最佳測(cè)點(diǎn)，而且電路實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。1.1.3 倍頻法 是指把頻率測(cè)量范圍分成多個(gè)頻率段，使用倍頻技術(shù)，根據(jù)頻率段設(shè)置倍頻系數(shù)，將經(jīng)過整形的低頻信號(hào)進(jìn)行倍頻后再進(jìn)行測(cè)量，對(duì)高頻率段則直接進(jìn)行測(cè)量， 倍頻法比較難以

13、實(shí)現(xiàn)。1.1.4 等精度測(cè)頻法 通過對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法的分析與研究，結(jié)合高精度誤差測(cè)量原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種測(cè)量精度與被測(cè)頻率無關(guān)的硬件測(cè)頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點(diǎn)數(shù)字運(yùn)算。其實(shí)現(xiàn)方式可以用圖1.2來說明。圖中，預(yù)置門控制信號(hào)是寬度為tpr的一個(gè)脈沖，cnt1和cnt2是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器。標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從cnt1的時(shí)鐘輸入端clk輸入，其頻率為fs，經(jīng)過整形后的被測(cè)信號(hào)從cnt2的時(shí)鐘輸入端clk輸入，設(shè)其實(shí)際頻率為fx，當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)過整形后的被測(cè)信號(hào)的上升沿通過d觸發(fā)器的q端同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器cnt1和cnt2。cnt1和cnt2分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置

14、門信號(hào)為低電平時(shí)，隨后而至的被測(cè)信號(hào)的上升沿將使兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。d qclkenclk cnt1 out1clrclkenclk cnt2 out2clr預(yù)置門控信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào) 被測(cè)信號(hào)清零信號(hào)圖1.2 等精度測(cè)頻法原理框圖設(shè)在一次預(yù)置門時(shí)間tpr內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)為nx，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)數(shù)值為nx，則下式成立： fx / nx = fs / ns -(式1.1) 由此可推得 fx = fs nx / ns -(式1.2) 相對(duì)誤差公式 = ( 2 / ns + fs / fs ) -(式1.3) 從誤差分析中可以看出來, 它的測(cè)量精度與ns和標(biāo)準(zhǔn)頻率精確度有關(guān), 而與被測(cè)頻率無關(guān). 顯然,

15、ns決定于預(yù)置門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率, 其關(guān)系式如下: ns = tpr fs -(式1.4) 如果采用頻率為50mhz的晶體震蕩器, 則有: | 1 / ns -(式1.5)如果預(yù)置門時(shí)間tpr = 0.1s, 則: ns = 0.1 60000000 = 6000000, | 1.5 10-6 以上四種方法中, 倍頻法雖然在理論上可以達(dá)到很高的精度, 但是在低頻段, 就目前常規(guī)的鎖相器件而言, 鎖相電路工作性能不理想, 頻率小于100hz時(shí)甚至不能工作. 前三種方法本質(zhì)上都是立足于頻率基本定義, 沒有擺脫傳統(tǒng)的測(cè)量方法的局限, 從下文的詳細(xì)論述中可以看出, 用方法(4)可以用單片機(jī)程序

16、方便地完成寬位浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算, 實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量.基于上述論證以及第二部分中詳細(xì)的理論分析, 我們準(zhǔn)備選擇方法(4). 1.2 周期測(cè)量模塊1.2.1 直接周期測(cè)量法 用被測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形后形成的方波信號(hào)直接控制計(jì)數(shù)門控電路, 使主門開放時(shí)間等于信號(hào)周期tx, 時(shí)標(biāo)為ts的脈沖在主門開放時(shí)間進(jìn)入計(jì)數(shù)器. 設(shè)在tx期間計(jì)數(shù)值為n, 可以根據(jù)以下公式來算得被測(cè)信號(hào)周期: tx = nts -(式1.6)經(jīng)過誤差分析, 可以得出結(jié)論: 用該測(cè)量法測(cè)量的時(shí)候, 被測(cè)信號(hào)的頻率越高, 測(cè)量誤差越大.1.2.2 等精度周期測(cè)量法 該方法在測(cè)量電路和測(cè)量精度上與等精度頻率測(cè)量完全相同, 只是在進(jìn)行計(jì)算時(shí)所

17、用的公式不同, 用周期1/t代換頻率f就可以了, 它的計(jì)算公式是: tx = tsns / nx -(式1.7) 從降低電路的復(fù)雜度以及提高精度(特別是高頻)上考慮, 本設(shè)計(jì)將要采用方法(2)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周期.1.3 脈沖寬度測(cè)量模塊 在進(jìn)行脈沖寬度的測(cè)量時(shí), 首先經(jīng)過信號(hào)處理電路進(jìn)行處理, 限制只有信號(hào)的50%幅度以及其以上部分才能輸入數(shù)字測(cè)量部分. 脈沖邊沿被處理得非常陡峭, 然后送入測(cè)量計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量. 測(cè)量電路在檢測(cè)到脈沖信號(hào)的上升沿的時(shí)候打開計(jì)數(shù)器, 并且在檢測(cè)到下降沿的時(shí)候關(guān)閉計(jì)數(shù)器, 設(shè)脈沖寬度為twx, 計(jì)算公式為: twx = nx / fs -(式1.8)1.4 占空比測(cè)

18、量模塊 測(cè)量一次脈沖信號(hào)的脈沖寬度, 記錄下它的值為twx1, 然后將信號(hào)反相, 再測(cè)量一次脈沖寬度并且記錄下它的值為twx2, 通過下面的公式計(jì)算占空比: 占空比 = twx1100% / (twx1 + twx2) -(式1.9)1.5 標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生電路 本模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的可微調(diào)晶體振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器.1.6 小信號(hào)處理部分 小信號(hào)處理部分受限于寬帶放大器的性能, 放大器電路需要附有高速整形電路. 有以下幾種方案:1.6.1 采用分立元件 使用場(chǎng)效應(yīng)管做輸入極, 以提高輸入阻抗. 用截止頻率1 000mhz的三極管9018做放大極. 由于電路復(fù)雜, 需要調(diào)節(jié)的部分較多,

19、 而且一致性差, 所以不予采用.1.6.2 采用運(yùn)算放大器 電路簡(jiǎn)潔, 但是因?yàn)榕cttl電平接口而另外需要電平移位電路. 并且需要使用運(yùn)算放大器做一高速寬帶放大器, 市場(chǎng)上難以買到高速運(yùn)算放大器, 其應(yīng)用因此受到限制.1.6.3 直接采用比較器 采用比較器可以簡(jiǎn)單的完成設(shè)計(jì). 采用高速比較器lm361可以處理高達(dá)10mhz的輸入信號(hào). lm361有低輸入失調(diào)電壓和電壓范圍靈活等特點(diǎn), 響應(yīng)時(shí)間最大僅20ns, 輸出電平可與ttl電平相匹配. 綜合考慮, 本部分電路采用方案(3). 比較器輸入容易受到干擾, 因此電路上采用凈化電源并且需要合理安排地線. 經(jīng)過最后的實(shí)際測(cè)量, 輸入靈敏度4mv左右

20、, 完全滿足小信號(hào)測(cè)量的需要.第二章 基本測(cè)量原理與理論誤差分析2.1 等精度頻率/周期測(cè)量技術(shù)2.1.1量化誤差 若所測(cè)頻率值為fx, 被測(cè)頻率的真實(shí)值為fxe, 標(biāo)準(zhǔn)頻率為fs, 在一次測(cè)量中, 預(yù)置門時(shí)間為tpr, 被測(cè)信號(hào)技數(shù)值為nx, 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)值為nx. 由于fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間都是由該信號(hào)的上升沿觸發(fā)的, 因此在tpr時(shí)間內(nèi)對(duì)fx的計(jì)數(shù)nx無誤差, 在此時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)ns最多相差一個(gè)脈沖, 即et 1, 則下式成立: fx / nx = fs / ns -(式2.1) fxe / nx = fs / ( ns + et ) -(式2.2)可以分別推得 fx = fs nx /

21、ns -(式2.3) fxe = fs nx / ( ns + et ) -(式2.4)根據(jù)相對(duì)誤差公式有 | = fxe / fxe = ( fxe - fx ) / fxe -(式2.5)經(jīng)過整理可以得到 fxe / fxe = et / ns -(式2.6)因?yàn)閑t 1, 故et / ns 1 / ns, 即 et / ns 1 / ns ns = tpr fs -(式2.7) 根據(jù)以上分析, 可以知道等精度測(cè)頻法具有三個(gè)特點(diǎn): 相對(duì)測(cè)量誤差與被測(cè)頻率的高低無關(guān); 增大tpr或fs可以增大ns, 減少測(cè)量誤差, 提高測(cè)量精度; 測(cè)量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān), 與被測(cè)信號(hào)的頻率無關(guān),

22、 在預(yù)置門和常規(guī)測(cè)頻閘門時(shí)間相同而被測(cè)信號(hào)頻率不同的情況下, 等精度測(cè)量法的測(cè)量精度不變.2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為fs / fs, 因?yàn)榫w的穩(wěn)定度很高, 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以進(jìn)行校準(zhǔn), 相對(duì)于量化誤差, 校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以忽略。2.2 預(yù)置門時(shí)間信號(hào)與閘門時(shí)間信號(hào) 預(yù)置門的概念與傳統(tǒng)的閘門的概念是不同的. 預(yù)置門是指同時(shí)啟動(dòng)或同時(shí)停止標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)器和被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)器的門控信號(hào). 預(yù)置門的概念用于高精度恒定誤差測(cè)頻/周期方法中, 并且稱預(yù)置門的時(shí)間寬度為預(yù)置門時(shí)間. 高精度恒定誤差測(cè)頻方法測(cè)量精度與預(yù)置門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān), 與被測(cè)信號(hào)的頻率無關(guān). 在預(yù)置門時(shí)間和閘門時(shí)間相

23、同而被測(cè)信號(hào)頻率不同的情況下, 高精度恒定誤差頻率測(cè)量法的測(cè)量精度不變, 而直接測(cè)頻法的精度隨著被測(cè)信號(hào)的增加而接近線性的增大.2.3 高精度恒誤差周期測(cè)量方法 分析思路和結(jié)果均對(duì)高精度恒誤差頻率測(cè)量相似或相同.2.4 脈沖寬度測(cè)量理論誤差分析 根據(jù)方案中的脈沖寬度測(cè)量方法, 分析脈沖寬度測(cè)量誤差. 設(shè)被測(cè)信號(hào)的脈沖寬度為twxe, 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)頻率為fs, 則脈沖寬度的測(cè)量值為: twx = nx / fs -(式2.8) 在一次測(cè)量中, 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值nx可能產(chǎn)生1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)周期的計(jì)數(shù)誤差, 則脈沖寬度測(cè)量相對(duì)誤差為: |twx / twx| = ( 1 fs ) / ( nx

24、 fs ) = 1 / nx -(式2.9)其中nx = twx fs. 可以看出, 在fs一定的時(shí)候, 脈沖寬度越小, 誤差越大. 當(dāng)twx = 100s, fs = 60mhz時(shí), nx = 6 000, 則有: |twx / twx| = 1 / 6 000 = 0.017%2.5 周期脈沖信號(hào)占空比測(cè)量誤差分析 使用第一部分中所述的占空比方法, 根據(jù)誤差合成原理, 周期測(cè)量相對(duì)誤差最大值等于脈沖寬度測(cè)量相對(duì)誤差. 在標(biāo)準(zhǔn)頻率為60mhz, 被測(cè)頻率1khz(即周期為0.001s)的時(shí)候, 設(shè)其占空比為10%, 則由脈沖寬度測(cè)量相對(duì)誤差公式計(jì)算出的相對(duì)誤差應(yīng)該小于0.017%第三章 方案

25、的實(shí)現(xiàn)3.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)本項(xiàng)設(shè)計(jì)要求的電源有: +12v, -12v, +5v的穩(wěn)壓電源. 在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí), 功率交流輸入端加一級(jí)電源濾波器, 以降低工頻頻率干擾.3.2 測(cè)量控制電路本電路采用單片機(jī)和cpld/fpga的結(jié)合來實(shí)現(xiàn). 單片機(jī)(at89c51)完成整個(gè)測(cè)量電路的控制, 數(shù)據(jù)處理和顯示輸出, cpld/fpga完成計(jì)數(shù)器的功能. 鍵盤信號(hào)由at89c51單片機(jī)進(jìn)行處理. at89c51從cpld/fpga讀回計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行高精度浮點(diǎn)運(yùn)算, 并且向顯示電路輸出測(cè)量結(jié)果. 電路系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示:頻周脈占 p0p3.0p3.1 p2 rsetp1.0p1.3 p1.0p1

26、.3 tclk cpld/fpga bclk 顯示驅(qū)動(dòng)74ls1648數(shù)碼顯示led8信號(hào)放大與整形 電路 晶振復(fù) 電源圖3.1 等精度數(shù)字頻率計(jì)電路系統(tǒng)原理框圖3.3 輸入信號(hào)處理部分 為測(cè)量小信號(hào)，需要在輸入端加前置信號(hào)處理電路，將小信號(hào)放大后送入整形電路。3.4 小信號(hào)處理部分 電路如圖3.2:圖3.2 小信號(hào)處理部分電路在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)lm361的輸出在零瞬間有毛刺, 在輸出與地間并聯(lián)一個(gè)100pf的瓷片電容后消除了毛刺, 而且處理后的波形仍然比較陡峭, 本部分電路的抗干擾能力也很強(qiáng).3.5 標(biāo)準(zhǔn)頻率方波發(fā)生電路本設(shè)計(jì)采用60mhz的晶體震蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率方波信號(hào)(頻標(biāo))供數(shù)字測(cè)量電路使用

27、。晶體震蕩器采用恒溫晶體震蕩器，穩(wěn)定度為: 2.010-7 / 24小時(shí)。晶體震蕩器主要由晶體震蕩電路和緩沖放大電路組成。如下圖所示：圖3.3 60mhz的晶體震蕩電路工作原理：如圖3.3所示。晶體三極管vt1為60mhz的晶體震蕩器，震蕩器的輸出送至晶體三級(jí)管vt2的緩沖放大器進(jìn)行信號(hào)放大，它的反射級(jí)有較大的反饋， 使得震蕩器更加穩(wěn)定。電阻r5，r6為偏置，r7為負(fù)載電阻，信號(hào)通過電容c6耦合輸出60mhz的高頻信號(hào)。其中，vt1集電極回路由電感l(wèi)1以及電容c4，c5組成并聯(lián)諧振回路，調(diào)節(jié)空氣可變電容c4，使得回路諧振在震蕩頻率60mhz上，電感l(wèi)3和電容c7組成去耦電路，其作用在于濾除電源

28、中的高次諧波，以保證頻率波形的純度。3.6 顯示器電路 lcd(liquid crystal diodes)是液晶顯示器的簡(jiǎn)稱。led顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中采用的是七段led。這種顯示塊有陰極與共陽(yáng)極兩種，如圖3.4所示。 （a）共陰極 （b）共陽(yáng)極 （c）管腳配置圖3.4 七段led顯示塊七段顯示塊與微機(jī)接口如表3.1所示。 表3.1：七段顯示塊與微機(jī)接口在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用led顯示塊構(gòu)成n位led顯示器。圖3.5是n位顯示器的構(gòu)成原理。圖3.5 n位led顯示器因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)用高精度恒誤差的頻率和周期測(cè)試方法, 預(yù)置門時(shí)間為1.5s, 在標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)為50m

29、hz的情況下, 根據(jù)上文討論的高精度恒誤差的頻率和周期測(cè)試方法相對(duì)誤差計(jì)算公式可以算出測(cè)量精度為: 1 / ( 1.550106 ) = 1.310-8即能夠顯示接近8位有效數(shù)字, 所以電路采用了8位led顯示器. 如圖3.6所示。圖3.6 八位led動(dòng)態(tài)顯示器電路本系統(tǒng)的led的驅(qū)動(dòng)電流由7片串級(jí)的串入并出的移位寄存器74ls164提供，基本可以保證led的亮度，由工作于同步位移寄存器0模式的串行口輸出顯示數(shù)據(jù)，用一片74ls164作為顯示單位以及工作狀態(tài)的指示，數(shù)據(jù)與7位顯示串聯(lián)，即第8位顯示數(shù)據(jù)。圖3.7 采用74ls164的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)3.7 實(shí)際數(shù)字測(cè)量部分本計(jì)要求測(cè)量功能模塊較多, 設(shè)

30、計(jì)要求的被測(cè)信號(hào)以及標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)為1mhz, 高頻信號(hào)之間的信號(hào)干擾非常的強(qiáng). 在方案實(shí)現(xiàn)過程中要求處處考慮到干擾問題, 減少布線的復(fù)雜程度.3.7.1 頻率測(cè)量與周期測(cè)量電路 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用高精度恒誤差頻率測(cè)量法與高精度恒誤差周期測(cè)量法, 這兩種方法使用的電路完全相同, 所以在方案實(shí)現(xiàn)中, 頻率測(cè)量與周期測(cè)量使用同一電路, 只是單片機(jī)運(yùn)算不同. 頻率測(cè)量與周期測(cè)量電路由顯示在圖3.3中的控制信號(hào)以及以下三個(gè)子模塊構(gòu)成: contrl- 本模塊的控制部分, 主要接收單片機(jī)的指令, 控制計(jì)數(shù)器cont1和cont2. cont1- 對(duì)由被測(cè)信號(hào)整形后形成的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù). cont2- 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率

31、信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù). 根據(jù)高精度恒誤差頻率和周期測(cè)量原理, 本模塊電路按以下方式進(jìn)行工作: 經(jīng)過整形后的被測(cè)信號(hào)脈沖從contrl的fin端輸入, 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從contrl的fsd端輸入, contrl的輸入端是本模塊電路的工作初始化信號(hào)輸入端. 在進(jìn)行頻率或周期測(cè)量時(shí), 進(jìn)行以下幾步: 在contrl的clr端加一正脈沖信號(hào)以完成測(cè)試電路狀態(tài)的初始化; 由預(yù)置門控信號(hào)將contrl的start端置高電平, 預(yù)置門開始定時(shí). 同時(shí)由被測(cè)信號(hào)的上升沿打開計(jì)數(shù)器cont1, 并使標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)被關(guān)斷. 預(yù)置門定時(shí)結(jié)束信號(hào)把contrl的start端置為低電平. 這使在被測(cè)信號(hào)的下一個(gè)脈沖的上升沿到來時(shí),

32、 cont1停止計(jì)數(shù), 同時(shí)輸入cont2的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)被關(guān)斷. 控制部分contrl的eend端輸出低電平來指示測(cè)量計(jì)數(shù)結(jié)束. 單片機(jī)讀回cont1和cont2的計(jì)數(shù)值, 根據(jù)高精度恒誤差測(cè)量公式進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算, 計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的頻率或周期值.3.7.2 控制部分設(shè)計(jì) 圖3.8 測(cè)頻模塊原理邏輯圖 控制部分原理圖如圖3.9所示。當(dāng)d觸發(fā)器的輸入端start為高電平時(shí), 在fin端來一個(gè)上升沿時(shí), q端為高電平, 導(dǎo)通fin-clk1和fsd-clk2, 同時(shí)eend被置為高電平; 在d觸發(fā)器的輸入端start為低電平時(shí), 當(dāng)fin端輸入一個(gè)脈沖上升沿, fin-clk1和fsd-clk2的信號(hào)

33、通道被切斷. 圖3.8中的計(jì)數(shù)器cont1是用8個(gè)四位并行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器按行波計(jì)數(shù)器原理所構(gòu)成的32位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 輸出8位數(shù)據(jù)總線, 分4次將32位數(shù)據(jù)全部讀出. cont1的設(shè)計(jì)是用vhdl語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的.我們?cè)趀da設(shè)計(jì)中嚴(yán)格采用模塊設(shè)計(jì)法, 總體設(shè)計(jì)采用原理圖輸入方式, 每個(gè)子模塊都采用vhdl語(yǔ)言描述.3.7.3 脈沖寬度測(cè)量和占空比測(cè)量電路圖3.9 測(cè)頻率與測(cè)周期部分控制電路 本模塊的電路設(shè)計(jì)根據(jù)第二部分所述的脈沖寬度測(cè)量原理, 設(shè)計(jì)如圖3.5的電路原理圖. 輸入到本模塊的被測(cè)量信號(hào)是經(jīng)過信號(hào)處理電路處理過后的被測(cè)信號(hào), 該信號(hào)的上升沿和下降沿信號(hào)對(duì)應(yīng)于未經(jīng)處理時(shí)的被測(cè)信號(hào)的50%幅度

34、時(shí)上升沿和下降沿信號(hào). 信號(hào)從fin端輸入, clr為本模塊電路的工作初始化信號(hào)輸入端. start為本電路的工作使能端, pul端輸出如圖3.8中所示gate的輸入端pul.測(cè)量脈沖寬度采用以下幾步: 向contrl2的clr端輸送一個(gè)脈沖以進(jìn)行電路的工作狀態(tài)初始化. 將圖3.8中g(shù)ate的cnt端置為高電平, 表示進(jìn)入脈沖寬度測(cè)量, 這時(shí)cont2的輸入信號(hào)為pul&fsd. 在經(jīng)過處理后的被測(cè)信號(hào)的上升沿到來之時(shí), contrl2的pul端輸出高電平, 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器cont2. 在經(jīng)過處理后的被測(cè)信號(hào)的下降沿到來之時(shí), contrl2的pul端輸出低電平, 計(jì)數(shù)器cont2被關(guān)

35、斷. 單片機(jī)讀計(jì)數(shù)器cont2的結(jié)果, 通過所述的測(cè)量原理公式(2.8)計(jì)算得出脈沖寬度. 占空比的測(cè)量方法是通過測(cè)量脈沖寬度記錄cont2的計(jì)數(shù)值twx1, 然后將輸入信號(hào)反相, 再測(cè)量其脈沖寬度, 測(cè)得cont2計(jì)數(shù)值twx2, 則可以計(jì)算出 占空比 = twx1100% / (twx1+twx2)圖3.10 脈沖測(cè)量模塊邏輯原理圖第四章 單片機(jī)控制與運(yùn)算程序的設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)控制與運(yùn)算的主流程圖調(diào)測(cè)脈寬子程序置標(biāo)志位 有鍵按下嗎?清標(biāo)志位調(diào)測(cè)周期子程序置標(biāo)志位 有鍵按下嗎?調(diào)測(cè)頻子程序是測(cè)占空比鍵嗎? 是測(cè)脈寬鍵嗎? 是測(cè)周期鍵嗎? 開始 清內(nèi)存sp 60hp2 0 是測(cè)頻鍵嗎? 有鍵

36、按下嗎?調(diào)顯示子程序choice 1 11 清顯示緩沖區(qū), 送初始顯示內(nèi)容 清標(biāo)志位 有鍵按下嗎?置標(biāo)志位測(cè)占空比子程序清標(biāo)志位有鍵按下嗎?圖4.1 單片機(jī)控制與運(yùn)算主流程圖第五章 結(jié)束語(yǔ)在簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)書中的基本要求。在調(diào)試的實(shí)驗(yàn)中，簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)能夠準(zhǔn)確的測(cè)試頻率和周期，而且測(cè)量精度基本上滿足指標(biāo)的要求。本文的工作基礎(chǔ)是基于cpld的數(shù)字頻率計(jì)，利用vhdl語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，并下載到cpld中組成實(shí)際電路，這樣可以簡(jiǎn)化硬件的開發(fā)和制造過程，而且使硬件體積大大縮小，并提高了系統(tǒng)的可靠性。使用單片機(jī)完成整個(gè)測(cè)量電路的控制，數(shù)據(jù)處理和顯示輸出

37、。采用兩個(gè)同步測(cè)周期計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在fpga中實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成，使設(shè)計(jì)更加靈活，可以在許多頻率測(cè)量的設(shè)計(jì)中取代門控計(jì)數(shù)器。文中設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)，無需選擇量程便可實(shí)現(xiàn)寬頻段高精度的頻率測(cè)量，同時(shí)在基本電路模塊基礎(chǔ)上，不必修改硬件電路，通過修改vhdl源程序，增加一些新功能，滿足不同用戶的需要，實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)硬件的軟件化。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于硬件電路中和測(cè)試設(shè)備的固有的特性，加大了調(diào)試的難度，造成了一些性能指標(biāo)，沒有準(zhǔn)確的達(dá)到任務(wù)書的要求，針對(duì)在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，在今后的的工作中要避免，首先，要充分利用軟件電路和集成電路，使單片機(jī)技術(shù)再此電路扮演重要的角色；其次，要盡量解決電路的干擾問題，掌握一些常用

38、的抗干擾技術(shù)；再次，在以后的工作中要熟練使用電子測(cè)量設(shè)備，以提高測(cè)量效率。參考文獻(xiàn)1盧毅,賴杰.vhdl與數(shù)字電路設(shè)計(jì)m.北京:科學(xué)出版社,2001.2潘松.vhdl實(shí)用教程m.成都:電子科技大學(xué)出版社,2000.3徐志軍.大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷捌鋺?yīng)用m.成都:電子科技大學(xué)出版社,2000.4趙曙光.可編程邏輯器件原理、開發(fā)與應(yīng)用m.西安:西安電子科技大學(xué)出社,2000.5薛萍,陳海燕,裴樹軍.基于isp芯片的可編程數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)j.電測(cè)與儀表,2002,(2):2123.6顧巨峰,周浩洋,朱建華.基于可編程邏輯器件(lattice)的多功能數(shù)字頻率計(jì)7 victor p. nelson，h

39、. troy nagle，bill d. carroll，j. david irwin. digital logic circuit analysis & design. prentice hall / pearson. 1999-5-1致 謝在即將走出大學(xué)校園步入社會(huì)的最后幾個(gè)月，利用我人生當(dāng)中大學(xué)三年的時(shí)間在各位老師諄諄的指導(dǎo)下學(xué)到專業(yè)知識(shí)，我認(rèn)真地做了畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)。在簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，得到了電子通信工程系領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和支持，特別是應(yīng)電教研室的董蘊(yùn)華老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)但中進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)，并提出了合理化的建議，使畢業(yè)設(shè)計(jì)更加完善，衷心感謝我的指導(dǎo)教師董蘊(yùn)華，在她精心指導(dǎo)

40、和耐心幫助下，本課題的研究工作才能順利的進(jìn)行，此外，她的言傳身教將使我終生受益。感謝學(xué)校在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間為我提供做好畢業(yè)設(shè)計(jì)的條件以及機(jī)房全體老師的辛勞工作和支持！感謝電子學(xué)院老師和同窗們的關(guān)心和支持！感謝所有幫助過我的人們！附 錄-cnt10.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all; entity cnt10 is port (clk:in std_logic; clr:in std_logic; ena:in std_logic; cq:out integer range 0 to 15; carry_out:out std_logic); e

41、nd entity cnt10;architecture art of cnt10 is signal cqi :integer range 0 to 15;beginprocess(clk,clr,ena) isbeginif clr=1 then cqi=0; elsif clkevent and clk=1 then if ena=1 then if cqi9 then cqi=cqi+1; else cqi=0; end if; end if;end if;end process;process (cqi) isbeginif cqi=9 then carry_out=1; else carry_out=0;end if;end process; cq=cqi;end architecture art;-reg32b.vhdlibrary iee