【正文】 模塊利用起來，就能達(dá)到事半功倍的效果。VHDL 既能被人容易讀懂又能被計(jì)算機(jī)識(shí)別，作為技術(shù)人員編寫的源文件，既是計(jì)算機(jī)程序、技術(shù)文檔和技術(shù)人員硬件信息交流文件，又是簽約雙方的合同文件。整個(gè)過程通過 EDA 工具自動(dòng)完成，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。VHDL 語言描述能力強(qiáng)，覆蓋面廣，抽象能力強(qiáng)，所以用VHDL 語言作為硬件模型建模很合適。1986 年 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化組織開始工作，討論 VHDL 語言標(biāo)準(zhǔn)，歷時(shí)一年有余，于 1987 年 12 月通過標(biāo)準(zhǔn)審查，并宣布實(shí)施，即 IEEE STD 10761987[LRM87]。由政府牽頭，VHDL 工作小組于 1981 年 6 月成立，提出了一個(gè)滿足電子設(shè)計(jì)各種要求的能夠作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 HDL。美國政府為了降低開發(fā)費(fèi)用，避免重復(fù)設(shè)計(jì)，國防部為他們的超高速集成電路提供一種硬件描述語言，期望 VHDL 功能強(qiáng)大、嚴(yán)格、可讀性好。HDL 發(fā)展的社會(huì)根源是美國國防部電子系統(tǒng)項(xiàng)目有眾多的承包公司。 第五章 CPLD 測頻專用模塊 CPLD 數(shù)字電路設(shè)計(jì) VHDL 語言簡介VHDL 語言的英文名全名是 Very High Speed Integrate Circuit Hardware Description Language 即超高速集成電路硬件描述語言。但 RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。此外，AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。/PSEN：外部：來自反向振蕩器的輸出。另外，該引腳被略微拉高。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào) P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P0 口：P0 口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。圖 43 AT89C51 管腳 VCC：供電電壓。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。在特殊的條件下由外部設(shè)備對(duì) ROM 進(jìn)行寫的操作在單片機(jī)正常工作條件下，只能讀，不能把數(shù)據(jù)寫進(jìn)去。 單片機(jī)部分 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析當(dāng)我們在編程器中把一條指令寫進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，然后取下單片機(jī)，單片機(jī)就可以執(zhí)行這條指令，那么這條指令一定保存在單片機(jī)的某個(gè)地方，并且這個(gè)地方在單片機(jī)掉電后依然可以保持這條指令不會(huì)丟失，這就是單片機(jī)內(nèi)部的只讀存儲(chǔ)器即 ROM（READ ONLY MEMORY） 。（3） BLCK 為測頻標(biāo)準(zhǔn)頻率 50MHZ 信號(hào)輸入端，由晶體振蕩源電路提供。系統(tǒng)設(shè)置 5 個(gè)功能鍵：占空比、脈寬、周期、頻率和復(fù)位。系統(tǒng)的基本工作方式如下：（1） P0 口是單片機(jī)與 CPLD 的數(shù)據(jù)傳送通信口， P1 口用于鍵盤掃描，實(shí)現(xiàn)各測試功能的轉(zhuǎn)換；P2 口為雙向控制口?？梢杂?7 個(gè)數(shù)碼管顯示測試結(jié)果，最高可表示百萬分之一的精度?？梢杂?5 個(gè)鍵執(zhí)行測試控制，一個(gè)是復(fù)位鍵，其余為命令鍵。單片機(jī)的 P0 口直接讀取測試數(shù)據(jù)，P2 口向 CPLD 發(fā)控制命令。（3） 單片機(jī)電路模塊。是測頻的核心電路模塊，可以由 CPLD 或 FPGA等 PLD 器件擔(dān)任。用于對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以便作為 PLD 器件的輸入信號(hào)。電路系統(tǒng)原理框圖如圖 31 所示，其中單片機(jī)完成整個(gè)點(diǎn)測量電路的測試控制、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出；CPLD/FPGA 完成各種測試功能；鍵盤信號(hào)由 AT89C51 單片機(jī)進(jìn)行處理，它從 CPLD/FPGA 讀回計(jì)數(shù)器并進(jìn)行運(yùn)算，向顯示電路輸出測量結(jié)果；顯示器電路采用七段 LCD 動(dòng)態(tài)顯示。測量電路在檢測到脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)打開計(jì)數(shù)器，設(shè)脈沖寬度為 ,計(jì)算公式為 wxT sfN? 占空比測量模塊測一次脈沖信號(hào)的脈寬，記錄其值為 ,然后將信號(hào)反向，再1wxT測一次脈寬并紀(jì)錄其值為 ,通過下式計(jì)算占空比 [6]：2wxT 占空比= 21xw?第四章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 等精度數(shù)字頻率計(jì)涉及的計(jì)算包括加、減、乘、除，耗用的資源較大，用一般中小規(guī)模 CPLD/FPGA 芯片難以實(shí)現(xiàn)。 脈寬測量模塊在進(jìn)行脈沖寬度測量時(shí)，首先經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，限制只有信號(hào)的 50%幅度及其以上才能輸入數(shù)字測量部分。本系統(tǒng)采用硬件同步分頻技術(shù)，即在門控開啟有效上升沿時(shí)刻，對(duì) 32 位計(jì)數(shù)器清零。n??1?n其誤差量級(jí)與177。通常處理方法是對(duì)高頻待測信號(hào)進(jìn)行 分頻后，供單片機(jī)計(jì)數(shù)采n樣。 硬件同步分頻，消除“分頻誤差”硬件同步分頻是消除“分頻誤差” 、提高系統(tǒng)分辨率的保證。 位測量信號(hào)相位指兩個(gè)同頻率正弦波間的相位角之差。 時(shí)間測量在脈沖周期 ，脈沖寬度 ，占空比 ，兩個(gè)脈沖的時(shí)間pTwTpwT間隔 等測量中，都要應(yīng)用時(shí)間測量。對(duì)于不同范圍的被測周期信號(hào)，可以通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù) M 的大小，達(dá)到相近的測量精度，也就有相近的測量時(shí)間且不會(huì)太長。由上式可得： 第二項(xiàng)誤差取決于晶體穩(wěn)定度，第一項(xiàng)為計(jì)數(shù)器的量化誤差，故該項(xiàng)主要取決于 的大小。記數(shù)值MTNrx?與被測信號(hào)的周期成正比， 反映了 個(gè)信號(hào)周期的平均值。 從以上討論可知，計(jì)數(shù)器測周的基本原理剛好和測頻相反，即由被測信號(hào)控制主門開門，而用時(shí)標(biāo)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以實(shí)質(zhì)上也是比較測量法。圖 33 測量周期的原理框圖它與測頻基本結(jié)構(gòu)是相同的，只是把晶體振蕩產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)的位置互換了一下。所以為了提高測量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，即減小 誤差的影響，可改成先測周期 ，然后計(jì)算1?xT。經(jīng)過綜合考慮，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，選用此種方案，即用等精度測頻法來實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的測量。當(dāng)預(yù)置門信號(hào)為低電平時(shí)，隨后而至的sf被測信號(hào)的上升沿將使兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。當(dāng)預(yù)置門控信號(hào)為高時(shí)，經(jīng)整形后的被xf測信號(hào)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。 圖 32 等精度測頻法原理圖圖中，預(yù)置門控信號(hào)是寬度為 的一個(gè)脈沖，CNT1 和 CNT2prT是兩個(gè)可控計(jì)數(shù)器。所謂計(jì)數(shù)相關(guān)就是使門控信號(hào)與待測信號(hào)同步。為了在整個(gè)測頻范圍內(nèi)獲得相同的測量精度，除了傳統(tǒng)的測量方法外，采用了雙計(jì)數(shù)器，即等精度計(jì)數(shù)器。 等精度測頻法在通常的直接計(jì)數(shù)器中，整個(gè)測頻范圍內(nèi)的測量精度是不同的。 倍頻法是指把頻率測量范圍分成多個(gè)頻段，使用倍頻技術(shù)，根據(jù)頻段設(shè)置倍頻系數(shù)，將經(jīng)整形的低頻信號(hào)進(jìn)行倍頻后再進(jìn)行測量，對(duì)高頻段則直接進(jìn)行測量。 組合測頻法是指在高頻時(shí)采用直接測頻法，低頻時(shí)采用直接測量周期法測信號(hào)的周期，然后換算成頻率。如果被測頻率很低，為達(dá)到一定的測量精度，就要求閘門開放時(shí)間大的難以忍受，即一次測量過程的時(shí)間很長，失去了使用意義。一般總誤差可采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即為減小第二項(xiàng)誤差可采用高精度的參考晶體振蕩器。門控信號(hào)的作用時(shí)間 時(shí)非常準(zhǔn)確的，以它作為時(shí)間基準(zhǔn)（時(shí)基）T，它由時(shí)基信號(hào)發(fā)生器提供。圖 31 電子計(jì)數(shù)器測頻原理框圖首先,把被測信號(hào)①(以正弦波為例)通過脈沖形成電路轉(zhuǎn)變成脈沖②(實(shí)際上變成方波即可),其重復(fù)頻率等于被測頻率 ,然后,將它加到xf閘門的一個(gè)輸入端。頻率，即單位時(shí)間內(nèi) 周期信號(hào)的發(fā)生次數(shù)，以參考晶體振蕩??s1提供了測量時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，分頻后通過控制電路去開啟與關(guān)閉時(shí)間閘門。第三章 測量原理 頻率測量模塊 直接測頻法單片機(jī)具有程序運(yùn)算功能，且頻率為周期的倒數(shù)，使頻率測量與周期互通。由于計(jì)數(shù)門的開啟與等待信號(hào)同步，因此不會(huì)有 誤1??差。頻率測量采用等精度測量法，此法的測量精度與測量的頻率無關(guān)，無論在低頻還是高頻測量時(shí)，其精度都相同。該方案利用了可編程和大規(guī)模集成的特點(diǎn)，使電路大為簡化，但測量精度不高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能價(jià)格比減低，系統(tǒng)功能擴(kuò)展受到限制。方案二：系統(tǒng)開發(fā)采用可編程器件作為信號(hào)處理及系統(tǒng)控制中心，完成包括計(jì)數(shù)、門控、顯示等一系列工作。方案一：對(duì)頻率范圍寬的周期信號(hào)進(jìn)行頻率測量，為了提高精度而采取不同頻段采用不同測試方式的原則。頻率和周期的測量可以通過單片機(jī)轉(zhuǎn)化，測量脈沖寬度也就是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)。 方案論證頻率、周期、脈寬檢測是電子測量的基本項(xiàng)目。.測量范圍 信號(hào)：脈沖s1~.0?波；幅度： ；脈沖寬度：≥100uS；測試精度 V5~.0；測試誤差 。頻率： ，測試誤差： 。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器。由于數(shù)字電路的飛速發(fā)展，所以，數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展也很快。所以， “數(shù)字量”不是連續(xù)變化的量，其大小往往并不改變，但在時(shí)間分布上卻有著嚴(yán)格的要求，這是數(shù)字電路的一個(gè)特點(diǎn)。反之亦然。這種工作方式的信號(hào)，可以表達(dá) 2 種截然不同的現(xiàn)象。甚至可能完全不同。集成電路的類型很多，從大的方面可分為模擬和數(shù)字集成電路兩大類。數(shù)字集成電路具有結(jié)構(gòu)簡單（如其中的晶體管是工作于飽和與截止 2種狀態(tài)，一般不設(shè)偏置電流）和同類型電路單元多（如一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)需要很多同類型的觸發(fā)器和門電路）的特點(diǎn)，因而容易是高集成度和歸一化。供消費(fèi)用的微波爐和電視、先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過程中無一不用到數(shù)字技術(shù)。尤其是采用等精度測量原理，即一種基于單片機(jī)的利用雙