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文檔簡介
本文介紹了一種以大規(guī)??删幊踢壿嬓酒瑸樵O計載體,由頂層到底層設計的多功能數(shù)字頻率計。該頻率計采用單片機與頻率測量技術相結合,大大提高了測量的精度。本文主要包括該頻率計的設計基礎和實現(xiàn)方法兩部分內容,描述了它的設計平臺、工作原理和軟硬件實現(xiàn)。在硬件上,利用公司的 器件為主控器;在軟件上,采用 硬件描述語言編程極大地減少了硬件資源的占用。該數(shù)字頻率計具有頻率測量、周期測量、脈寬測量和占空比測量等多種功能。仿真與分析結果表明,該數(shù)字頻率計性能優(yōu)異,軟件設計語言靈活,硬件簡單,速度快。關鍵詞等精度頻率計isthemastercontroller;Onthesoftware,usestheVHDLhardwaredescriptionlanguageprogramming,reducedhardwaresourceoccupancyenormously.Thisdigitalfrequencymeterhasthefrequencymeasurement,thecyclicalsurvey,thepulsewidthsurveyandthedutyfactorsurveyandsoonmanykindsoffunctions.Thesimulationandtheanalysisresultindicatedthatthisdigitalfrequencymeterperformanceisoutstanding,thesoftwaredesignlanguageisflexible,thehardwareissimple,thespeedisquick.KeywordsFPGAEqualPrecisionMeasurementFrequencymeterVHDL第一章概述 多功能計數(shù)器現(xiàn)狀 頻率測量方法簡介 第二章軟件開發(fā)平臺簡介的發(fā)展的特點語言結構實體( )結構體( )軟件設計簡介第三章硬件開發(fā)平臺現(xiàn)場可編程門陣列(G簡介可編程邏輯器件 現(xiàn)場可編程門陣列(G的器件結構與工作原理基于平臺的開發(fā)流程第四章多功能計數(shù)器的理論基礎和總體設計方案.常用頻率測量方法及其誤差分析 直1接測頻法 測2周法原理 等3精度測頻原理 脈沖寬度和占空比測量原理 總體設計 第五章多功能計數(shù)器的軟件設計和硬件設計..軟件設計 測頻專用模塊工作功能描述及程序5.1.脈2沖寬度和占空比測量模塊 5.1.3..G.A.T.E .測4頻/測周期實現(xiàn) 硬件設計 5.2.程1控放大電路 5.2.過2零比較電路 5.2.測3頻主系統(tǒng)實現(xiàn) 總結 謝辭 參考文獻 #第五章多功能計數(shù)器的軟件設計和硬件設計
軟件設計測頻時信號經(jīng)峰值檢波,/采樣后送入,選擇模擬開關對不同幅度段的信號進行程控放大。放大后的信號分別經(jīng)兩路比較器整形,然后送往內分別計數(shù),高頻時采用經(jīng)高頻比較器整形后的計數(shù)值,低頻時采用經(jīng)低頻比較器整形后的計數(shù)值,準確測得信號頻率。程序流程如圖5.所1示。初始化t-初始化t-測峰值檢技后的心D采樣數(shù)據(jù)選擇?!侗标P通逋計算相顯示高頻計數(shù)頻率 顯示低頻計數(shù)撕率圖5.1流程圖由于多功能計數(shù)器是一個需對數(shù)字信號進行測量和顯示的系統(tǒng),因此它需要設置控制電路、計數(shù)電路、鎖存電路和譯碼顯示電路等??刂齐娐返墓δ苁菍τ嫈?shù)電路、鎖存電路和譯碼顯示電路進行工作和時序的控制。其控制要求為:先使計數(shù)電路在內進行計數(shù),接著在下一個內鎖存計數(shù)的結果,然后再將鎖存的數(shù)據(jù)進行譯碼和顯示。在第一個測量顯示周期結束后,控制電路將再次發(fā)出控制信號,先對功能電路清零,然后使系統(tǒng)開始第二個測量周期的工作。計數(shù)電路是對被測頻率信號進行頻率計數(shù)測量的主功能電路。由于被測信號頻率是未知的,因此用計數(shù)電路測量時,一般使用多個輸出為4位2進制數(shù)的數(shù)字十進制計數(shù)器。此計數(shù)器從個位開始到高位分別進行計數(shù),使低位計數(shù)器的溢出位與高位計數(shù)器的輸入時鐘位相連。從計數(shù)器電路結構可知,該電路輸出信號是由低位到高位的多組4位2進制表示的十進制數(shù),用來分別表示被測信號的個、十、百、千??等位的數(shù)值。位數(shù)越高頻率測量的范圍也越寬,此測量范圍由計數(shù)電路內部的十進制計數(shù)器的個數(shù)來決定。鎖存電路的主要功能是對計數(shù)器計數(shù)輸出的數(shù)據(jù)進行鎖定保存。即使在前級計數(shù)電路的計數(shù)器清零以后,鎖存器依然有保存的數(shù)據(jù)存在,不會造成數(shù)據(jù)的丟失。鎖存電路中的鎖存器是對單個十進制計數(shù)器數(shù)據(jù)進行保存,因此鎖存器的個數(shù)由前一級計數(shù)電路的十進制計數(shù)器的個數(shù)決定。譯碼顯示電路由譯碼器和顯示器構成。譯碼器的功能是,將鎖存器保存并輸出的4位2進制代碼表示的十進制數(shù)進行譯碼轉換,將其轉換為能直接驅動數(shù)碼管顯示與其對應的十進制數(shù)字字符的輸出信號。顯示器由數(shù)碼管電路構成。由于被測信號可能具有多個位數(shù)的頻率,因此需要多個數(shù)碼管對其進行顯示。數(shù)碼管的個數(shù)可根據(jù)被測信號頻率的位數(shù)來決定。若采用動態(tài)顯示模式驅動數(shù)碼管,則可使數(shù)碼管依次顯示個、十、百、千等位的數(shù)字。若顯示的循環(huán)頻率足夠高,則看到的依然是多個數(shù)碼管同時顯示。采用動態(tài)顯示模式可大量減少單個數(shù)碼管的工作時間,亦可將動態(tài)顯示電路和譯碼電路結合在一起,減小系統(tǒng)譯碼電路的規(guī)模。測頻專用模塊工作功能描述及程序計數(shù)器模塊( )功能分析:計數(shù)電路是對被測頻率信號進行頻率計數(shù)測量的主功能電路。根據(jù)頻率的定義和測頻的基本原理,測量信號頻率必須由一個脈寬為的對輸入信號脈沖計數(shù)的允許信號,其測量結果為輸入信號在內的脈沖個數(shù),即輸入信號的頻率。由于被測信號頻率是未知的,因此用計數(shù)電路測量時。一般使用多個輸出為4位2進制數(shù)的數(shù)字十進制計數(shù)器。此計數(shù)器從個位開始到高位分別進行計數(shù),使低位計數(shù)器的溢出位與高位計數(shù)器的輸入時鐘位相連。從計數(shù)器電路結構可知,該電路輸出信號是由低位到高位的多組4位2進制表示的十進制數(shù),用來分別表示被測信號的個、十、百、千等位的數(shù)值。位數(shù)越高頻率測量的范圍也越寬,此測量范圍由計數(shù)電路內部的十進制計數(shù)器的個數(shù)來決定。控制模塊()功能分析:為實現(xiàn)系統(tǒng)功能,控制電路模塊需輸出三個信號:一是控制計數(shù)器允許對被測信號計數(shù)的信號;二是將前一秒計數(shù)器的計數(shù)值存人鎖存器的鎖存信號S三是為下一個周期計數(shù)做準備的計數(shù)器清零信號L上述三個信號產(chǎn)生的順序是:先提供計數(shù)信號,這種信號使計數(shù)器在內計數(shù);接著是提供鎖存信號,這種信號對計數(shù)值進行鎖存;最后是發(fā)出清零信號,這種信號可對計數(shù)器清零。計數(shù)器清零結束后又可重新計數(shù),計數(shù)進入第二個周期。不難看出,控制電路模塊實際上就是一個控制器,它需要一個周期為1的信號作為產(chǎn)生并控制控制器輸出的時基信號。5 FIN ?猾: START 二?也?:AND2 *h DFF ?—>CLK1CLK QCLR 小小叮 ? ppr-.in.iu ! 二二% FSD …嫩;—X陽 "叱I~>CLK20UTPUT ? 廣?pp4 LLG 1 J . 1.II ? /圖5.2測頻與測周期控制部分電路如圖所示,當觸發(fā)器的輸入端 為高電平時,若端來一個上沿,則端變?yōu)楦唠娖剑瑢ㄒ缓鸵?,同時被置為高電平作為狀態(tài)標志;在觸發(fā)器的輸入端 為低電平時,當端輸入一個脈沖上沿,一與一信號通道被切斷。脈2沖寬度和占空比測量模塊根據(jù)脈寬測量原理,設計如圖的3根據(jù)脈寬測量原理,設計如圖的3電路原理示意圖。該信號的上沿和下沿信號對應于未經(jīng)處理時的被測信號的50幅%度時上沿和下沿信號。被測信號從 端輸入, 為初始化信號, 為工作使能信號,圖中的端與 的輸入端 相連。其測量脈沖寬度的工作步驟是:向的 端送一個脈沖以便進行電路的工作狀態(tài)初始化。將的 置高電平,表示開始脈沖寬度測量,這時 的輸入信號為S在被測脈沖的上沿到來時, 的 端輸出高電平,標準頻率信號進入計數(shù)器 N在被測脈沖的下沿到來時, 的 端輸出低電平,計數(shù)器被關斷。由單片機讀出計數(shù)器 的結果,并通過上述測量原理公式計算出脈沖寬度。圖5.3脈沖寬度測量原理圖子模塊的主要特點是:電路的設計保證了只有 被初始化電平,然后在檢測到下沿時,過后才能工作,否則 輸出始終為零。只有在先檢測到上沿后 才為高電平,然后在檢測到下沿時,輸出高電平以便通輸出為低電平時;輸出高電平以便通知單片機測量計數(shù)已經(jīng)結束;如果先檢測到下沿,并無變化;在檢測到上沿并緊接一個下沿后,不再發(fā)生變化直到下一個初始化信號到來。占空比的測量方法是通過測量脈沖寬度記錄的計數(shù)值,然后將輸入信號反相,再測量其脈沖寬度,測得計數(shù)值,則可以計算出:占空比=N1/N1+N2其程序為:IFS=2THENPUL<='1';ELSEPUL<='0';ENDIF;IFS=3THENENDD<='1';ELSEENDD<='0';ENDIF;ENDPROCESS;A0<=F2ANDQQ(1);B0<=NOTA0;C0<=NOTF2;PROCESS(C0,CLR)BEGINIFCLR='1'THENQQ(1)<='0';ELSIFC0'EVENTANDC0='1'THENQQ(1)<='1';ENDIF;ENDPROCESS;PROCESS(A0,CLR)BEGINIFCLR='1'THENQQ(2)<='0';ELSIFA0'EVENTANDA0='1'THENQQ(2)<='1';ENDIF;ENDPROCESS;PROCESS(B0,CLR)BEGINIFCLR='1'THENQQ(3)<='0';ELSIFB0'EVENTANDB0='1'THENQQ(3)<='1';ENDIF;功能分析:控制電路的功能是對計數(shù)電路、鎖存電路和譯碼顯示電路進行工作和時序的控制。首先使計數(shù)電路在 內進行計數(shù),接著在下一個內鎖存計數(shù)的結果,然后再將鎖存的數(shù)據(jù)進行譯碼和顯示。在第一個測量顯示周期結束后,控制電路將再次發(fā)出控制信號,先對功能電路清零,然后使系統(tǒng)開始第二個測量周期的工作。測4頻/測周期實現(xiàn)被測信號脈沖從 模塊的 端輸入,標準頻率信號從 的端輸入, 的 是此模塊電路的工作初始化信號輸入端。進行頻率或周期測量的步驟:令,選擇等精度測頻,然后在的 端加一正脈沖信號以完成測試電路狀態(tài)的初始化。由預置門控信號將 的 端置高電平,預置門開始定時,此時由被測信號的上沿打開計數(shù)器 ,進行計數(shù),同時使標準頻率信號進入計數(shù)器 。預置門定時結束信號把 的 端置為低電平(由單片機來完成),在被測信號的下一個脈沖的上沿到來時, 停止計數(shù),同時判斷對的計數(shù)。計數(shù)結束后, 的 端將輸出低電平來指示測量計數(shù)結束,單片機得到此信號后,即可利用 、 分別讀回 和的計數(shù)值,并根據(jù)精度測量公式進行運算,計算被測信號的頻率或周期值。CONTRL袈"匚=5?在ND;'CHEKF…三5…腿"'FINPUTCONTRL袈"匚=5?在ND;'CHEKF…三5…腿"'FINPUT…… …理丁一CHOICE…尸二S二喳*.15……START…三2T2/clrjtr哈…ADRAADRBFSTD…產(chǎn)S”慨丁,再"—〉E而作‘…三5二贈■PINJ'JAME融P61 PIN_NAME圖5.4測頻模塊邏輯圖5.2硬件設計該系統(tǒng)硬件電路設計是由峰值檢波采樣、整形比較、寬帶通道放大、頻率測量、顯示等模塊構成。低頻比較器 對到 的信號整形效果較好,高頻比較器 對 以上的信號整形效果較好。為實現(xiàn)到 信號的頻率測量,該系統(tǒng)以為0?的信號,應將其經(jīng)峰值檢波、/轉換后選擇模擬開關通道進行程控放大,經(jīng)整形后測量,最后將測量結果送入顯示模塊。等精度頻率計的主系統(tǒng)如圖5.所5示,主要由6個部分構成:信號整形電路。用于對待測信號進行放大和整形,以作 器件的輸入信號。測頻電路。是測頻的核心電路模塊,可以由 器件擔任。的標準頻率信號源可通過倍頻所得接入 。單片機電路模塊。用于控制 的測頻操作和讀取測頻數(shù)據(jù),并作出
相應數(shù)據(jù)處理。安排單片機的口讀取測試數(shù)據(jù), 口向發(fā)控制命令。鍵盤模塊??梢杂?個鍵執(zhí)行測試控制,一個是復位鍵,其余是命令鍵。數(shù)碼顯示模塊??梢杂?個數(shù)碼管顯示測試結果,最高可表示百萬分之一的精度??紤]到提高單片機口的利用率,降低編程復雜性,提高單片機的計算速度以及降低數(shù)碼顯示器對主系統(tǒng)的干擾,可以采用串行靜態(tài)顯示方式或液晶顯示。程1控放大電路程控放大分為段,對0? 的小信號放大 倍,的小信號放大倍,?的信號不放大。選用路模擬開關3,的小信號放大倍,?的信號不放大。選用路模擬開關3,為0了采集與實現(xiàn)毫伏級信號,必須使用寬帶放大電路進行放大,故采用 公司6寬3帶7運放實現(xiàn)=的1放6寬3帶7運放實現(xiàn)=的1放2大0。圖2為6增3益7為1倍的放大電路,增益為6級3聯(lián)7即可實現(xiàn)。的0放大電路用2級程控放大電路圖過2零比較電路輸入信號送入進1行1輸入信號送入進1行1滯回比較,可較好消除邊緣毛刺,實現(xiàn)低頻信號整形。是1高1頻6比較器,輸入信號送入1滯1回6比較,獲得較為理想的高頻方波整形信號。故測頻時分兩段設計整形電路,整形電路將輸入的周期信號整形成同頻的方波輸入進行測頻。圖為滯1回1的周期信號整形成同頻的方波輸入進行測頻。圖為滯1回1比較電路,1外1同6電路與其相同。過零比較電路測3頻主系統(tǒng)實現(xiàn)測頻主系統(tǒng)原理如圖5.所7示,由單片機完成整個測量電路的測試控制、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出,一片 I完成各種測試功能。鍵盤信號由進行處理,它從 I讀回計數(shù)數(shù)據(jù)進行運算,并向顯示電路顯示測試結果。顯示器電路采用段 顯示器。在標準信號頻率為的情況下,其測量精度可達成,即能夠顯示近8位有效數(shù)字。系統(tǒng)的基本工作方式如下:圖 中的座為數(shù)顯與鍵控信號接口。由只完成串行顯示,其中 的 接個的輸出使能IN接第一片的串行數(shù)據(jù)輸入端(IN2按時鐘端(IN)。系統(tǒng)設置個鍵:下調、上調、時間、自校、占空比、脈寬、周期、頻率,其中“時間”鍵選定后可通過“下調”和“上調”鍵對預置門時間進行調節(jié)。通過一片401將4鍵控信息串行讀入單片機。F 為測頻標準頻率 信號輸入端。FIN為被 模塊放大整形后的被測信號。待測信號由“尸口”輸入。為自校頻率發(fā)生模塊, 為自校頻率輸入端。
=時)4當 時系統(tǒng)全清零功能,當?shù)纳咸貙?,進行脈寬測試計數(shù)。.):0脈寬計數(shù)結束狀態(tài)信號,結=束1。=時)4當 時系統(tǒng)全清零功能,當?shù)纳咸貙樱M行脈寬測試計數(shù)。.):0脈寬計數(shù)結束狀態(tài)信號,結=束1。.)2:自校/測頻選擇,測頻,自校。( ):當時,作為預置門閘,門寬可通過鍵盤由單片機控制, 時預置門打開;當 時, 有第二功能,此時,當時測負脈寬,當 時測正脈寬。利用此功能可分別獲得脈寬和占空比數(shù)據(jù)。N.等精度測頻計數(shù)結束狀態(tài)信號。若令 時計數(shù)結束。rR計數(shù)值讀出選通控制。若令 , ,則當、、2時可以從和口由低位至高位分別讀出兩組個位計數(shù)值。此多功能計數(shù)器實現(xiàn)了對頻率?、幅度0 ?的正弦信號精確測頻,其精度達到。同時,該計數(shù)器也實現(xiàn)了對正弦信號的周期和占空比的測量,并且能在液晶顯示器實時顯示當前信號的頻率、周期和占空比。該系統(tǒng)操作簡單,模塊化程度高,精度高,顯示界面友好,具有較強的可行性和實用性,具有良好的市場前景。白駒過隙,光陰似箭,四年時間轉瞬即逝。在這大學四年里,各位老師嚴謹求學的治學談度,廣闊的胸襟以及對學生的孜孜教誨,讓我深深銘記。老師高深的學術造詣,嚴謹?shù)目蒲凶黠L以及執(zhí)著的敬業(yè)精神值得我們永遠的學習。值此論文完成
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