畢業(yè)設計（論文）基于單片機和FPGA的數字鑒頻器及在labview中顯示

1、摘 要隨著電子信息產業(yè)的發(fā)展，頻率已成為一個很重要的參數，頻率也是系統(tǒng)工作速度的重要指標，并且與許多電參量的測量方案和測量結果都有著十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得尤為重要。頻率的測量方法有很多種，目前多用的是電子計數器測頻，它具有精度高、使用方便、速度快等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。電子測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定的鑒頻門寬內測量被測信號的脈沖個數；二是間接測頻法，如周期測量法。前者一般用于高頻信號的測量，后者一般用于低頻信號的測量。本設計用fpga和單片機實現一個100mhz以內的數字鑒頻器，100mhz以內的信號可以是連續(xù)的、間斷的正弦信號，也可以是方波包絡調制的連續(xù)

2、、間斷的正弦波，并且保證較好的精確度。本設計引入了等精度算法，利用fpga對標準頻率信號和待測頻率信號的上升沿分別進行計數，并設置合適的鑒頻門寬，鑒頻時間結束之后，再利用等精度算法得出待測信號的頻率。結果表明，電子計數器鑒頻能取得較好的精度，而用單片機和fpga聯合工作進行鑒頻，不僅精度高，而且速度也很快，測量范圍廣。關鍵詞：等精度；fpga；電子計數器測頻abstractwith the development of electronic information industry，the frequency has become an important indicator of a ver

3、y important parameter, it is also an important indicator of the speed of work and have a very close relationship with a lot of electric parameters measuring programs and measuring results, so the frequency measurement is particularly important. there are many ways to measure frequency, and the frequ

4、ency discriminator method most commonly used is electronic counter frequency measurement, it has a high precision,and easy to use, it become one of the important means of frequency measurement. there are tow ways for electronic frequency measurement: one of them is the direct measurement, namely mea

5、sure the number of pulses of the measured signal in the frequency discriminator gate width; another is indirect frequency measurement, such as the cycle measurement. the former is generally used for the measurement of high-frequency signal; the latter is generally used for the measurement of low-fre

6、quency signals. the purpose of this design is to design a digital frequency discriminator that can discriminate sinusoidal signals within 100mhz. the signal can be continuous or intermittent, and it can also be continuous or intermittent sinusoidal signals that be modulated by a square wave. the des

7、ign should ensure a better accuracy. this design introduces the equal precision arithmetic,it counts numbers on the rising edge of the standard signal and the target signals with using fpga, and we can set an appropriate frequency discriminator gate width, and use equal precision algorithm to calcul

8、ate the frequency of the signal tesed after the frequency discriminator time is over. the results show that the electronic counter frequency discriminator can work accuracily, while, it has a better precision and faster speed with mcu and fpga work together, and measurement range is also wider.keywo

9、rds: the equal precision arithmetic; fpga; electronic counter frequency measurement目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 以單片機為核心鑒頻的目的和意義21.3 用labview作為顯示工具的意義31.4 國內外在該方向的研究現狀及分析51.5 主要研究內容71.6 本文結構7第2章 系統(tǒng)設計的思路92.1 系統(tǒng)硬件框圖92.2 系統(tǒng)設計流程112.2.1 系統(tǒng)整體軟件流程112.2.2 fpga軟件流程122.2.3 labview軟件流程142.3 本章小結14第3章 以單

10、片機為核心的控制器系統(tǒng)中的子模塊153.1 可調閾值模塊153.1.1 dac0832與lm324153.1.2轉換電路173.1.3 電壓按鍵加減173.2 信號整形模塊183.2.1 tsg-17信號發(fā)生器183.2.2信號整形介紹及max961193.3 計數模塊223.3.1 quartus ii 介紹223.3.2 vhdl語言介紹223.3.3 fpga介紹233.3.4 52單片機數據處理說明263.4 labview顯示模塊273.5本章小結28第4章 系統(tǒng)運行結果及分析294.1 信號部分294.2 控制顯示部分304.2.1閾值調節(jié)模塊304.2.2 labview 顯示模

11、塊304.3 本章小結31結 論32致 謝33參考文獻34附 錄35千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景隨著電子信息產業(yè)的發(fā)展，在電子和控制等領域內，頻率是一種基本的參數，并與其它許多電參量的測量方案和結果有著十分密切的關系，頻率的測量在科技研究和實際應用中的作用越來越顯得行重要，而且需要測頻的范圍也越來越寬。傳統(tǒng)的頻率計通常采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構成，產品如果體積大，運行速度慢，而且測量精度也不高，特別是現代的先進科技向世界的各個領域延伸

12、，傳統(tǒng)的頻率計已漸顯劣勢。因此，隨著對頻率測量要求的提高，傳統(tǒng)的測頻方法在實際應用中已不能滿足要求，因此我們需要找新的測頻方法1。隨著單片機技術的發(fā)展和成熟，用單片機來實現對一個電路系統(tǒng)的控制也逐漸顯示出其無與倫比的優(yōu)越性，特別是在一些特殊的場合，對用單片機作為控制和計算模塊，對某一特定的頻率進行精確的鑒頻，已成為了一個深刻的課題。隨著微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展，特別是可編程器件高集成芯片的出現和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測量儀器。單片機可以理解為集成在單一芯片上的微型計算機系統(tǒng)，麻雀雖小可是五臟俱全

13、，也有運算器、控制器、存儲器、總線及輸入輸出設備，采用也是存儲程序執(zhí)行的方式，對單片機的編程就是對其中的rom寫入程序，在加電后rom中的程序會像計算機內存中的程序一樣得到逐條地執(zhí)行。當今的單片機還集成了a/d、d/a轉換，并串口等多種與外界進行數據交換的手段。單片機計算速度和性能有限，但在一些基本控制上搓綽綽有余。fpga是操控層次更低,所以自由度更大的芯片，對fpga的編程在編譯后是轉化為fpga內的連線表，相當于fpga內提供了大量的與非門、或非門、觸發(fā)器（可以用與非門形成吧）等基本數字器件，編程決定了有多少器件被使用以及它們之間的連接。只要fpga規(guī)模夠大，這些數字器件理論上能形成一切

14、數字系統(tǒng)，包括單片機甚至cpu、fpga在抗干擾、速度上有很大的優(yōu)勢。目前fpga以硬件描述語言（verilog或 vhdl）所完成的電路設計，可以經過簡單的綜合與布局，快速的燒錄到fpga上進行測試，是現代 ic 設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現一些基本的邏輯門電路（比如and、or、xor、not）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數學方程式。在大多數的fpga里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（flip-flop）或者其他更加完整的記憶塊。系統(tǒng)設計師可以根據需要通過可編輯的連接把fpga內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠

15、后的成品fpga的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以fpga可以完成所需要的邏輯功能。本設計就是利用了51單片機數據處理功能強大和fpga速度快的特點，聯合實現一個高速數字鑒率計。1.2 以單片機為核心鑒頻的目的和意義單片機的出現是集成電路技術與微型計算機技術高速發(fā)展的產物。單片機以其可靠性高、體積小、價格低、功能全等優(yōu)點，廣泛地應用于各自智能儀器中，在工業(yè)和控制中起到了重要作用。單片機由于體積小，很容易嵌入到系統(tǒng)之中，以實現各種方式的檢測、計算或控制，這些是一般的微型計算機無法做到的。由于單片機本身就是一個微型計算機，因此只要在單片機的外部適當增加一些必要的外圍擴展電路，就可以靈活地構成

16、各種應用系統(tǒng)，如工業(yè)自動檢測監(jiān)測系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。以單片機為核心構成的應用系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）功能齊全、應用于可靠、抗干擾素能力強。（2）簡單方便，易于普及。（3）發(fā)展迅速，前景廣闊。在短短的幾十年的時間里，單片機經過了4位機、8位機、16位機、32位機等幾大發(fā)展階段，尤其是形式多樣、集成度高、功能日瑧完善的單片機的不斷問世，更使得單片機在工業(yè)控制及工業(yè)自動化領域獲得長足的發(fā)展和大量的應用。近幾年來，單片機的內部結構愈加完美，配套的片內外圍功能部件越來越完善，為應用系統(tǒng)向更高層次和更大規(guī)模的發(fā)展奠定了堅實的基礎。（4）嵌入容易，用途廣泛。單片機的用途廣泛、性

17、能價格比高、應用靈活性強等特點在嵌入式微控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。單片機出現以前，人們想要制作一套測控系統(tǒng)，往往采用大量的模擬電路、數字電路、分立元件，這樣，不僅系統(tǒng)的體積龐大，而且由于線路太復雜，連接點太多，極易出現故障。單片機出現以后，電路的組成和控制方式都發(fā)生了很大的變化。在單片機應用系統(tǒng)中，這些測控功能的絕大部份都由單片機的軟件程序實現，其它電子線路則由單片機片內的外圍功能部件來替代。單片機的發(fā)展趨勢是向大容量、高性能化、外圍電路內裝化等等方面發(fā)展，為滿足不同用戶的要求，各公司競相推出了能滿足不同需求的產品。頻率測量的方法很多，其中電子計數器測量頻率具有精度高、使用方便、速度快和便

18、于實現測量過程自動化的特點，成為必測量頻率的重要手段之一。實現一個寬頻域、高精度的頻率計，一種有效的方法是：在高頻段直接采用測頻率法，低頻段采用測周期法。傳統(tǒng)的數字頻率計本身并無計算能力，因而難以使用測周期法，而51系列單片機卻能輕松地做到這一點。以51單片機為控制器件的測頻方法，并用c語言進行編程設計，采用單片機進行智能控制，結合有效的外圍電路，得以高低頻段的測量，最終實現多功能的數字鑒頻器。根據信號的不同特點，采用單片機是可以實現對測量電路的控制的2。1.3 用labview作為顯示工具的意義labview是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（ni）公司研制開發(fā)的，類似于c和basic開發(fā)環(huán)

19、境，但是labview與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而labview使用的是圖形化編輯語言g編寫程序，產生的程序是框圖的形式。虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀70年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領域已經有了相當的發(fā)展。pc機出現以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在 microsoft公司的 windows 誕生之前，ni公司已經在macintosh計算機上推出了labview2.0 以前的版本。對虛擬儀器和 labview長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權威。目前l(fā)abview的最新版本為 labview 2011，lab

20、view 2009 為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版本5中被初次引入。使用labview軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數據流編程特性、labview real-time工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設計的軟件層次，是進行并行編程的首選。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大。labview程序是數據流驅動的。數據流程序設計規(guī)定，一個目標只有當它的所有輸入有效時才能運行；而目標的輸出，只有當它的功能完全時才是有效的。這樣，labview中被連接的方框圖之間的數據流控制著程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序那

21、樣受行順序執(zhí)行的約束。因而，我們可以通過相互連接功能方框圖快速簡潔地開發(fā)應用程序，甚至還可以有多個數據通道同步運行3。虛擬儀器技術就是用戶自定義的基于pc技術的測試和測量解決方案。虛擬儀器相對于傳統(tǒng)儀器，它有四大優(yōu)勢：性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、完美的集成功能。虛擬儀器是計算機技術和儀器測量技術相結合的產物，它充分利用了計算機強大的運算處理能力，突破了傳統(tǒng)儀器在數據處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制。目前，基于pc的a/d及d/a轉換，開關量輸入、輸出，定時計數的硬件模塊，在技術指標以及可靠性等方面已經相當成熟，而且價格，常用的傳感器及相應的調理模塊也趨向模塊化、標準化，因而減少了硬件的重復

22、開發(fā)，這使得使用者可以方便地對其進行硬件的維護、功能擴展和軟件的升級。虛擬儀器的特點如下：（1）具有可變性、多層性、自助性的面板。（2）強大的信號處理能力。（3）虛擬儀器的功能、性能、指標可由用戶定義。（4）具有標準的、功能強大的接口總線、板卡和相應軟件。（5）虛擬儀器有開發(fā)周期短、成本低、維護方便、易于應用等特點。 由于采用了圖形化編輯語言-g語言，labview產生的程序是框圖的形式，易學易用，特別適合硬件工程師、實驗室技術人員、生產線工藝技術人員的學習和使用，可以在很短的時間內學習和掌握并應用到實踐當中去。因此硬件工程師、現場工和程技術人員測試技術人員學習labview駕輕就熟，在很短的

23、時間內就能夠學會并應用labview，不必去記憶那些復雜的程序代碼。labview的表現形式和功能類似于實際的儀器，但labview的程序很容易改變設置和功能。因此labview特別適用于實驗室、多品種小批量的生產線等需要經常改變儀器和設備參數的功能的場合，以及對信號進行分析、研究、傳輸等場合?？偠灾?，由于labview能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠將煩瑣復雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便，深受用戶青睞，與傳統(tǒng)的編程語言比較，labview圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現出了

24、極高的效率。使用虛擬儀器產品，用戶可以根據實際生產需要重新構筑新的儀器系統(tǒng)。例如，用戶可以將原有的帶有rs-232接口的儀器、vxi總線儀器，以及gpib儀器通過計算機連接在一起，組成各種各樣新的儀器系統(tǒng)，由計算機進行統(tǒng)一的管理和操作4?？梢灶A見，由于labview這些其他語言無法比擬的優(yōu)勢，已經成為該領域的一朵奇葩，最終將引發(fā)傳統(tǒng)儀器的一場革命。1.4 國內外在該方向的研究現狀及分析自從五十年代初期電子計數器問世以來, 它的發(fā)展是非常迅速的, 就微波計數式頻率計而言, 由于空間技術、雷達技術、通訊技術、微波器件測量等方面的發(fā)展, 迫切需要微波頻率計適應這種發(fā)展的需要。要求頻率計數字化、快速自

25、動化, 寬頻帶、高精度, 因而促進了微波頻率計的性能不斷完善和提高。高速計數式頻率計的性能歸納起來有四大特點: 首先是寬頻帶性。例如1972年美國h公司的5340a型自動微波計數器,測試頻段為10赫茲18千兆赫茲,1976年美國雜志上發(fā)表syst-ron-donner公司生產的6054b型自動微波頻率計數器,頻率范圍是20兆赫茲至24千兆茲赫。日本武田理研公司研制的tr-5203型自動微波頻率計數器,頻率測量范圍10赫茲至32千兆赫茲,這是目前所能實現自動測量的頻率上限。由此看來,發(fā)展的趨勢是如何將測試頻率向毫米波和亞毫米波段擴展。第二是高精度。整機的測量精度主要決定于機內振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

26、當前鎖相技術的發(fā)展, 使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高。例如tr-5202型自動微波頻率計數器,測量的時基精度(3x10e-9/天),6054型自動微波頻率計數器的時基精度。第三是自動化。微波頻率計的發(fā)展,由手動測量逐步改進為半自動測量,現在發(fā)展到全自動化。第四是提高直接計數的頻率。我們知道微波頻率至今是不能直接計數的,要采用不同的方案將微波頻率降低,變成低頻后再直接測量。但顯示器上仍然獲得微波頻率的讀數。目前致力于提高直接計數的頻率,這樣可以簡化微波頻率測量的方案,便于測試頻率向高端發(fā)展。此外,自動微波頻率計數器除了測量連續(xù)高頻振蕩外,還要求能測試高頻脈沖信號,例如美國451型自動頻率計數器,

27、測量高頻脈沖可到18 千兆赫, 脈沖寬度小10毫微秒，這對于雷達導航系統(tǒng)的頻率測量是非常需要的。 國際上數字鑒頻的分類很多，按功能分類，分為通用型和專用型。測量某種單一功能的計數器，如頻率計數器，只能專門用來測量高頻各微波頻率，時間計數器，是以測量時間為基礎的計數器，其測時分辨率準確度很高。按頻段分類，分為低速計數器（f100mhz）和微波頻段計數器（1-80ghz或更高）5。目前，市場上的頻率計廠家可分為：中國大陸廠家、中國臺灣廠家、歐美廠家，其中歐美頻率計廠家所占的市場份額最大。歐美的頻率計廠家主要有：pendulum instruments 和agilent科技。pendulum ins

28、truments公司是一家瑞典公司，總部位于斯德哥爾摩。pendulum公司源于philips公司的時間頻率部門，在時間頻率測量的領域內具有40多年的研發(fā)生產經歷。pendulum instruments常規(guī)頻率計主要有cnt-91、cnt-90、cnt-81、cnt-85。同時，pendulum instruments公司還推出銣鐘時基頻率計cnt-91r、cnt-85r。以及微波頻率計cnt-90xl（頻率測量范圍高達60g）。agilent科技公司是一家美國公司，總部位于美國的加利福尼亞。agilent科技公司成立于1939年，在電子測量領域也有著70多年的研發(fā)生產經歷。agilent科

29、技公司的常規(guī)頻率計信號主要有：53181a、53131a、53132a。同時，agilent科技公司還推出微波頻率計：53150a，53151a，53152a（頻率測量范圍最高可達46g）。 國外在鑒頻器上的發(fā)展比我們國家要早，所以在這些領域內還領先于我們，目前我國尚缺少開發(fā)和研發(fā)的資金和投入，使得我國在這方面的發(fā)展顯得后勁不足，從而很多企業(yè)沒能形成很大的競爭力。我國的鑒頻方向的發(fā)展其實并不落后于發(fā)達國家太多，我國在這個領域發(fā)展是非常迅速的，數字化的發(fā)展也很快，甚至和發(fā)達國家的發(fā)展水平保持相當。數字鑒頻器已經應用于諸多高科技產品上，而高科技的快速發(fā)展也對鑒頻產生的更高的需求。今天的數字頻率計已

30、開始并正在向智能、精細、高速的方向發(fā)展，所以我們應加大投入的力度，抓住機遇，把自己的品牌做大做強。1.5 主要研究內容在數字鑒頻系統(tǒng)的設計中，引入了等精度測量的算法，提出了一套基于單片機的控制和數據處理的設計方案，同時還設計了一個比較器可變閾值的模塊，繼而完成了一套完整、具有較高精度、具有一定實用性、同時成本較低的設計方案。為了提高系統(tǒng)的性能，盡可能地降低測量誤差，本文仔細分析了整形閾值和鑒頻門寬設置的問題，分別提出了以下的解決方案。(1) 信號整形模塊是系統(tǒng)設計的重點和難點。高頻信號很容易受到外部環(huán)境的干擾，所以整形模塊對電路設計的要求是比較高的。本設計采用的是max961高速比較器，它的工

31、作速度高達220mhz，足以滿足設計需求，為了減小干擾，整形電路應該做成pcb板6，布線盡可能短，全用貼片形式封裝。(2) 在整形閾值調節(jié)模塊的設計中，引入了dac數模轉換技術，設置一個按鍵可調的模擬電壓輸出電路。閾值電壓是根據信號電壓幅值確定的，為max961設定一個恰當的閾值電壓能保證較好的鑒頻精度。 (3) 對于一些方波調制的間斷的正弦信號和脈沖包絡調制的正弦信號，考慮到它們寬度會對測量結果造成誤差，在fpga里應設置為上升沿實時觸發(fā)，實時對上升計數并讓單片機實時啟動定時器。1.6 本文結構按數字鑒頻器的頻段分類，本設計屬于中速計數器。本文將圍繞設計一個完整的正弦信號鑒頻系統(tǒng)的過程展開。

32、主要包括信號整形模塊、閾值調節(jié)模塊、頻率計數模塊和labview顯示模塊，本文設計的系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1-1所示。圖1-1 系統(tǒng)的總體結構框圖本文主要內容如下：第2章中，對整形和計數及顯示過程中的每個步驟進行了描述，并給出了每個步驟完成后實物效果圖。 第3章中，詳細介紹了等精度算法的相關內容，并給出了系統(tǒng)設計的流程，及在設計過程中遇到了一些問題和對應的解決方案。最后對畢業(yè)設計工作進行了總結。第2章 系統(tǒng)設計的思路2.1 系統(tǒng)硬件框圖圖2-1為系統(tǒng)硬件框圖。d觸發(fā)器用于信號的上升沿實時觸發(fā)，d相當鑒頻門寬；counter0和counter1是兩個32位計數器，clr=0時它們全被清0；“32

33、-8-*”用于將32位二進制分成四組每組8位進行輸出；m是二選擇一輸出允許模塊。程序開始運行時，先將clr和d置0，然后都置1，當待測信號出現上升沿時，en=1，counter0和counter1兩個計數器立即開始分別對標圖2-1 系統(tǒng)硬件框圖準信號和待測信號計數，同時52單片機也檢測到了en高電平，馬上啟動定時器，定時器的時間可在labview的控制界面中設定。當時間到達之后，置d=0，此時計數可能并沒有馬上停止計數，錯過測信號若干個上升沿后en變?yōu)?，這時計數器才停止工作。計數器停止計數后，通過r選擇允許哪組數輸出。r=0時，輸出counter0； r=1時，輸出counter1。ch是二

34、位二進制,接單片機的p10和p11（使用的時候p10和p11的值必須同時改變，否則在接收fpga數據的時候會出現混亂，從而導致錯誤。賦值的方法為：p1=x，x=03。所以當單片機接收數據的時候，其p1口被占用）。ch用于選擇4組8位二進制。q輸出的是8位二進制，接單片機p0口。最后將接收到的數據進行等精度計算處理7，再然后送到labview中顯示。等清度算法的分析如下：根據兩個計數器計數的時間相等得：誤差分析如下:在一次測量中，由于counter1計數的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在t時間內對fx的計數counter1無誤差；在此時間內couter0的計數最多相差一個脈沖，即|et|1

35、，則下式成立:counter1/fx=counter0/fscounter1/fxe=(counter0+et)/ fs所以有: fx= counte1* fs /counter0fxe= counte1* fs /(counter0+et)根據相對誤差公式有:fxe/fxe=|fxe-fx|/fxe，代入整理得:fxe/fxe=|et|/counter0，又因為:|et |1所以:|et |/counter01/counter0 即:fxe/fxe1/counter0其中:counter0=t* fs，由以上推導結果可得出下面結論:(1)相對測量誤差與頻率無關。(2)增大 t或提高fs，可以

36、增大ns，減少測量誤差，提高測量精度。(3)標準頻率誤差為fs/fs，由于晶體的穩(wěn)定度很高，標準頻率誤差可以進行校準。(4)等精度測頻方法測量精度與預置門寬度和標準頻率有關，與被測信號的頻率無關。在預置門時間和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度在整個測量范圍內保持恒定不變，而常規(guī)的直接測頻法 (在低頻時用測周法，高頻時用測頻法)，其精度會隨著被測信號頻率的下降而下降。2.2 系統(tǒng)設計流程2.2.1 系統(tǒng)整體軟件流程系統(tǒng)整體軟件流程圖如圖2-2所示。系統(tǒng)開始運行時，需由單片機對fpga進行初始化，把計數器和d觸發(fā)器清0，同時單片機的定時器也初始化。當外部信號出

37、現上升沿時，系統(tǒng)會很快檢測到en=1并開始啟動計數器和定時器，當時間到達設定的門寬后，單片機會關閉定時器，并使d觸發(fā)器輸出置0，計數器停止工作。然后單片機接收fpga的計數結果，并進行數據處理，完成處理后再發(fā)到labview中顯示。圖2-2 系統(tǒng)整體軟件流程圖fpga程序流程圖如圖2-3所示。當en=0，計數器計數完成后，通過單片機 i/o口使改變r的值。當r=0，此時fpga的二選一選擇器允許輸出counter0的數據，然后通過改變ch的值來選擇counter0中的數據，ch從0到3改變時，單片機的p0口會收到相應組的8位數據；當r=1，此時fpga的二選一選擇器允許輸出counter1的數

38、據，然后通過改變ch的值來選擇counter0中的數據，ch從0到3改變時，單片機的p0口會收到相應組的8位數據。圖2-3 fpga程序流程圖2.2.2 fpga軟件流程單片機程序流程圖如圖3-3所示。單片機初始化后，等待fpga的“en=1”信號，當en=1時，單片機馬上啟動定時器（本設計用的是22.1184m的晶振，理論上的最小定時時間為452ns），當定時器的計數時間到達設定的時間后，單片機置d=0，待測信號的下一個上升沿出現時，en=0，此時fpga的計數器已經停止工作了，它們都在等待單片機將數據取走。單片機通過改變r和ch的值來接收兩個計數器的數據，方法如下：r=0時：ch=00，通

39、過a=p0接收低8位。ch=01，通過b=p0接收815位。ch=10，通過c=p0接收1523位。ch=11，通過d=p0接收2431位。counter0=(d24)+(c16)+(b8)+a,還原為原來的32位數。圖2-4 單片機程序流程圖r=1時：ch=00，通過a=p0接收低8位。ch=01，通過b=p0接收815位。ch=10，通過c=p0接收1523位。ch=11，通過d=p0接收2431位。counter1=(d24)+(c16)+(b8)+a,還原為原來的32位數。得出counter0和counter1后，用等精度算法就能求出待測信號的頻率了。然后由單片機通過編寫串口程序將其發(fā)

40、送到labview是顯示。2.2.3 labview工作流程圖2-5為labview的軟件流程圖。labview的優(yōu)點不是不用寫復雜繁多的代碼，能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠將煩瑣復雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便。當在前面板中設置好鑒頻門寬后，按上系統(tǒng)總按鈕，整個鑒頻系統(tǒng)就能開始工作了。圖2-5 labview的工作流程圖2.3 本章小結本章給出了整個系統(tǒng)設計的體流程，并清晰地分析了系統(tǒng)是如何工作的，同時也對等精度作出了誤差分析，為整個系統(tǒng)設計提供了理論依據。第3章 以單片機為核心的控制器系統(tǒng)中的子模塊3.1 可調閾值

41、模塊3.1.1 dac0832與lm324dac0832芯片是具有兩個輸入數據寄存器的8位dac，可以直接與單片機連接，其主要有如下特性：（1）分辨率高8位；（2）電流輸出，建立時間為1us；（3）可雙緩沖輸入，單緩沖輸入和數字直接輸入；（4）單一電源+5+15v；（5）低功耗，25mw。3-1為其引腳分布圖。圖3-1 dac0832引腳圖 圖3-2 lm324引腳圖dac0832與微處理器完全兼容，這個da芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換容易控制等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得廣泛的應用。d/a轉換器由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉換電路及轉換控制電路構成。 dac082的引腳功

42、能如下： （1）d0d7：8位數據輸入線，ttl電平，有效時間應大于90ns（否則鎖存器的數據會出錯）。（2）ile：數據鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。（3）cs：片選擇信號輸入線（選通數據鎖存器），低有效。（4）wr1：數據鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ile、cs、wr1的邏輯組合產生le1，當le1為高電平時，數據鎖存器狀態(tài)隨輸入數據線變換，le1的負跳變時將輸入數據鎖存。（5）xfer：數據傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。（6）wr2：dac寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由wr2、xfer的邏

43、輯組合產生le2，當le2為高電平時，dac寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，le2的負跳變時將數據鎖存器的內容打入dac寄存器并開始d/a轉換。（7）iout1：電流輸出端1，其值隨dac寄存器的內容線性變化； （8）iout2：電流輸出端2，其值與iout1值之和為一常數； （9）rfb：反饋信號輸入線，改變rfb端外接電阻值可調整轉換滿量程精度； （10）vcc：電源輸入端，vcc的范圍為+5v+15v； （11）vref：基準電壓輸入線，vref的范圍為-10v+10v； （12）agnd：模擬信號地 dgnd：數字信號地lm324（如圖2-2b）是四運算放大器。放大器一般都有三大特點

44、：（1）開環(huán)放大倍數非常高，一般為幾千，甚至可高達10萬。在正常情況下，運算放大器所需要的輸入電壓非常小。 （2）輸入阻抗非常大。運算放大器工作時，輸入端相當于一個很小的電壓加在一個很大的輸入阻抗上，所需要的輸入電流也極小。 （3）輸出阻抗很小，所以，它的驅動能力非常大。lm324內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合.其特點如下：（1）內部頻率補償。（2）直流電壓增益高(約100db)

45、。（3）單位增益頻帶寬(約1mhz)、（4）電源電壓范圍寬：單電源(332v)； 雙電源(1.516v)。（5）低功耗電流，適合于電池供電。（6）低輸入偏流。（7）低輸入失調電壓和失調電流。（8）共模輸入電壓范圍寬，包括接地。（9）差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。（10）輸出電壓擺幅大(0至vcc-1.5v)。3.1.2轉換電路設計dac0832與51單片機的接口電路時，常用單緩沖方式與雙緩沖方式的單極性輸出。 圖3.3為單極性模擬電壓輸出電路，由于dac0832是8位（28=256）的d/a轉換器，由基爾霍夫定律列出的方程組可解得dac0832的輸出電壓v0與輸入數字量b的關系為：顯然

46、，dac0832輸出的模擬電壓v0與輸入的數字量b以及基準電壓vref成正比，且b為0時v0也為0，輸入數字量為255時，v0為最大值的絕對值輸出，且不會大于vref。8圖3-3 單極性模擬電壓輸出電路3.1.3 電壓按鍵加減圖3-4 按鍵電路圖電壓加減按鍵分別接外部中斷0和外部中斷1，單片機內部編寫防抖程序，按鍵接線圖如圖3.4所示。p3.2鍵是用來增加電壓量的，p3.3是用來減小電壓量的。單片機程序里已經設置好了防抖，使每按一次鍵的時候數據既不會變得太大，也不會變得太小。3.2 信號整形模塊3.2.1 tsg-17信號發(fā)生器tsg17(如圖3-5)型高頻訊號發(fā)生器能滿足業(yè)余、實驗室、生產線

47、等多方面的頻率要求，可調的內部調制頻率，可使生產線品質檢查員準確而容易聽出所選頻段。特性陳述:頻率范圍:a段：100 khz300 khzb段：300 khz1000 khzc段：1 mhz3.2 mhzd段：3 mhz35 mhz f段：332 mhz150 mhz （三次諧波可達到450 mhz）頻率準確度:5%輸出電平:無載時約100 毫伏輸出電平范圍:0100 mv可調 調制:1、內部：調幅約030%可調. 2、頻率范圍：150 hz1.5khz3、外部：50 hz20khz 低頻輸出:150 hz1.5 khz； 圖3-5 tsg17信號發(fā)生器約3 v、1000阻抗 tsg17信號發(fā)

48、生器 用于產生行測的正弦信號，本設計要求的是100mhz以內的鑒頻，但理論上是可以測到275mhz的。tsg17信號發(fā)生器輸出的信號電壓幅值在05v之間，無需放大，也無需濾波，只需通過dac閾值調節(jié)模塊適當調節(jié)max961的閾值即可。值得注意的是，示波器用于獲取信號的探頭線和接信號源信號源的輸出線應選些質量好的，否則信號會出現很大的衰減，導致示波器無法檢測到信號，就更不用談對信號進行整形了。圖3-6為信號發(fā)生器的信號波形。圖3-6 信號源正弦波波形3.2.2信號整形介紹及max961 一般當我們接收到一個信號的時候，它并不都是可以被我們直接觀察和分析的，而是只有通過一定的電路將其處理，使之成為

49、可讓我們易于觀察和分析的、穩(wěn)定的信號。當我們收到一個正弦信號時，要對其進行整形，簡單的說，就是將模擬信號轉換成數字信號，這樣才易于我們進行研究。一般的基本放大電路將電路中的各種影響纖毫的因素進行了理想化的考濾，但是實際的應用中，電路外接的電阻、電容及電源等器件的電壓也會隨著環(huán)境的變化而變化，而且連接的導線存在電阻、引線存在分布電容和分布電感、印刷電路板的絕緣介質存在漏電等，這些因素都會對信號的處理造成影響，特別是對高頻信號的處理。整形電路還應該包括濾波電路，濾波電路是一種對信號的頻率具有選擇性的電路，也是一種使有用信號通過、同時抵制無用信號成份的電路，在實際的電子系統(tǒng)中，外來的干擾信號多種多樣

50、，應該設法將其濾出或衰減到足夠小的程度，而在有些場合，有用的信號與其他信號混在一起，我們必須設法將有用信號分離出來，所以需要采用濾波電路來對信號進行濾波。濾波在通信、電子工作、工業(yè)控制和信號處理等領域得到了廣泛的應用。由r、l、c等原件組成的濾波電路叫做無源濾波器，而由集成運放和r、c組成的，通常不用電感，由于集成運放的開環(huán)增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很小，因此有源濾波電路的工作頻率不能太高。理想的濾波器在通帶內應該具有零衰減的幅頻響應和線性的相位響應，而阻帶應該具有無限大的幅度衰減，按照通常阻帶的的位置分布，濾波器常分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器，各種濾波器的實際頻率響應特性與理想

51、的頻率響應特性之間有一定的差別，濾波的實際任務就是去除信號中的無用成份，力求向著理想特性曲線逼近。最簡單的信號整形電路就是一個單門限電壓比較器，當輸入信號每通過一次零時觸發(fā)器的輸出就產生一次跳變。當輸入正弦波時，每過一次零，比較器的輸出端電壓就會產生一次跳變，輸出的電壓幅度受供電電源限制，因此輸出電壓的波形是具有正負極性的方波。這樣就完成了信號的整形工作。但是這樣的整形電路抗干擾能力差，由于干擾信號的存在，將導致信號在過零點時會產生多次觸發(fā)的現象，從而影響本設計系統(tǒng)中的fpga的計數，從而使誤差變得很大9。本設計采用的是max961高速比較器作為整形電路的核心，再配上必要的外圍電路整形效果還是

52、挺好的。圖3-7 max961引腳圖如圖3-7，max961是一種低功耗的含有內部滯回作用的高速電壓比較器，最佳工作電壓為35v，傳輸延遲達4.5ns,只要設置合適的閾值，它可以對mv級的模擬信號進行整形。當shdn為高電平時，max961關閉，此時shdn和輸出端為高阻態(tài);當shdn為低電平時，芯片正常工作，其它狀態(tài)都為高阻態(tài)。 le有很高的輸入阻抗，當le為低時，芯片沒有鎖存功能當le為高電平是，max961的輸出狀態(tài)將被鎖存起來。in+是閾值電壓的接入端，in-是信號的接入端，6、7口為整形信號輸出端，6為同相輸出端，7為反相輸出端。其主要應用于：單3v/5v系統(tǒng)、便攜式/電池供電系統(tǒng)、

53、閾值檢測器/鑒別器、gps接收機、線接收器、過零檢測器、高速采樣電路等。max961是高速器件，當處理高頻信號時，它對周圍環(huán)境的要求比較高，為此需做pcb板，使外圍電路的連線盡可能短。如圖3-8為max961的外圍連線和其pcb布局圖，3-9為pcb成品圖，3-10為實物接線圖。圖3-8 max961外圍連線和其pcb布局圖圖3-8中c1用于濾波，c2和c3用于去耦合。閾值電壓為vcc的1/10，當目標信號電壓較小時，模塊顯然不能滿足要求，使閾值電壓可調需接入dac0832閾值調節(jié)模塊（da模塊的輸出接max961的反相輸入端），根據實際情況在pcb板上作相應的修改。圖3-9 pcb成品圖腐蝕

54、電路板的前，要檢查碳粉是否完好地附在銅板上，如果有漏的或碳粉較薄的地方，應用碳筆在上面涂好，以免腐蝕的時候損壞電路中的連線。腐蝕的過程中還應該時刻觀察銅板的腐蝕情況，以免腐蝕過度。圖3-10實物接線圖為了保證模塊良好的工作效果，外接線的導線性能須很好，探頭和線的也必須接觸良好。3.3 計數模塊3.3.1 quartus ii 介紹quartus ii 是altera的綜合性pld/fpga開發(fā)軟件，支持原理圖、vhdl、verilog hdl以及ahdl（altera hardware description language）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入

55、到硬件配置的完整pld設計流程。quartus ii提供了完全集成且與電路結構無關的開發(fā)包環(huán)境，具有數字邏輯設計的全部特性，包括： (1)可利用原理圖、結構框圖、veriloghdl、ahdl和vhdl完成電路描述，并將其保存為設計實體文件； (2)芯片（電路）平面布局連線編輯； (3)logiclock增量設計方法，用戶可建立并優(yōu)化系統(tǒng)，然后添加對原始系統(tǒng)的性能影響較小或無影響的后續(xù)模塊； (4)功能強大的邏輯綜合工具 ；(5)完備的功能仿真與時序邏輯仿真工具； (6)定時/時序分析與關鍵路徑延時分析； (7)可使用signaltap ii邏輯分析工具進行嵌入式的邏輯分析； (8)支持軟件源

56、文件的添加和創(chuàng)建，并將它們鏈接起來生成編程文件； (9)使用組合編譯方式可一次完成整體設計流程； (10)自動定位編譯錯誤； (11)高效的期間編程與驗證工具； (12)可讀入標準edif網表文件、vhdl網表文件和verilog網表文件； (13)能生成第三方eda軟件使用的vhdl網表文件和verilog網表文件。altera quartus ii 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境, 由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，越來越受到數字系統(tǒng)設計者的歡迎3.3.2 vhdl語言介紹vhdl 的英文全名是 very-high-speed integrated circuit hardware description language，誕生于 1982 年。1987 年底，vhdl被 ieee 和美國國防部確認為標準硬件描述語言。vhdl主要用于描述數字系統(tǒng)的結構，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，vhdl的語言形式和描述風格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。vhdl的程序結構特點是將一項工程設計，或稱設計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分，及端口）和內部（或稱不可視部分），既涉及實體的內部功能和算法完成部分。在對一個設計實體定義了