【正文】 IF TCLK39。139。 END PROCESS。 END IF。139。139。 ELSIF TCLK39。139。 END PROCESS。 END IF。139。139。ELSIF BCLK39。039。139。 DATA = BZQ(7 DOWNTO 0) WHEN SEL=000 ELSE 標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)低8位輸出BZQ (15 DOWNTO 8) WHEN SEL=001 ELSE BZQ (23 DOWNTO 16) WHEN SEL=010 ELSE BZQ(31 DOWNTO 24) WHEN SEL=011 ELSE 標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)值最高8位輸出TSQ(7 DOWNTO 0) WHEN SEL=100 ELSE 待測頻率計數(shù)值最低8位輸出SQ (15 DOWNTO 8) WHEN SEL=101 ELSE TSQ (23 DOWNTO 16) WHEN SEL=110 ELSE TSQ(31 DOWNTO 24) WHEN SEL=111 ELSE 待測頻率計數(shù)值最高8位輸出TSQ (31 DOWNTO 24)。SIGNAL SS: STD_LOGIC_VECTOR (1 DOWNTO 0)。 計數(shù)使能SIGNAL MA, CLK1, CLK2, CLK3: STD_LOGIC。 標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器SIGNAL TSQ : STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)。 8位數(shù)據(jù)讀出END etester。 由低電平變到高電平時指示脈寬計數(shù)結(jié)束SEL:IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)。 測頻或測脈寬控制17START:OUT STD_LOGIC。 清零和初始化信號CL:IN STD_LOGIC。 標(biāo)準(zhǔn)頻率時鐘信號clock2，50MHZTCLK:IN STD_LOGIC。 USE 。頻率計CPLD部分的VHDL程序設(shè)計如下：LIBRARY IEEE。16 頻率計測控時序被測頻率值為，標(biāo)準(zhǔn)頻率值為Fs,設(shè)在一次預(yù)置門時間Tpr中對被測信號計數(shù)值為Nx,對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值為Ns,則下式成立: (31)不難得到測得的頻率為: (32)最后通過控制SEL選擇信號和64位至8位的多路選擇器MUX，將計數(shù)器BHZ和TF中的兩個32位數(shù)據(jù)按照SEL[2..0]的編碼次序，分8次依次讀入單片機，并按照各個模塊的計算公式進行計算和顯示。而且，CL寬度的改變以及隨機的出現(xiàn)時間造成的誤差最多只有BCLK信號的一個時鐘周期，如果BCLK由精確穩(wěn)定的晶體振蕩器發(fā)出，則任何時刻的絕對測量誤差只有億分之一秒。當(dāng)Tpr秒后，預(yù)置門信號被單片機置為低電平，但此時兩個計數(shù)器并沒有停止計數(shù)，一直等到被測信號的上升沿到來時，才通過D觸發(fā)器將這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。然后由單片機發(fā)出允許測頻命令，即令預(yù)置門控信號CL為高電平，這時D觸發(fā)器要一直等到被測信號的上升沿通過時Q端才被置1（即令START為高電平），與此同時，將同時啟動計數(shù)器BZH和TF，進入計數(shù)允許周期。測頻原理說明如下：測頻開始前，首先發(fā)出一個清零信號CLR，使兩個計數(shù)器和D的觸發(fā)器置零，同時通過信號ENA，禁止兩個計數(shù)器計數(shù)。BZH和TF模塊是兩個可控的32位高速計數(shù)器，BENA和ENA分別是他們的允許信號端，高電平有效。單片機的編程又由三部分構(gòu)成：對CPLD的數(shù)據(jù)讀取及控制信號輸出，鍵盤電路的掃描以及數(shù)碼管顯示輸出。14當(dāng)測頻率時，有顯示指示，為了保證頻率計有足夠的顯示時間，并且在打開門控信號之前，要先清零，以使測量數(shù)字計數(shù)器每次從零開始計數(shù)。ZLG7289是一片具有串行接口的，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的顯示驅(qū)動芯片，同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示的全部功能。這樣，完成所要求的測量誤差已經(jīng)綽綽有余。由公式(28)及其討論可知，多周期同步等精度測量法所達到的測量精度和系統(tǒng)時鐘源的精度量級相近。(4) Fx為被測信號輸入，此待測信號是經(jīng)放大整形后輸入CPLD的。(2) 7個LED數(shù)碼管組成測量數(shù)據(jù)顯示器，另一個獨立的數(shù)碼管用于狀態(tài)顯示。P3口利用鍵盤顯示管理芯片ZLG7289作為數(shù)碼管顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。其中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；CPLD完成各種測試功能；鍵盤信號由89C51單片機進行處理，它從CPLD讀回計數(shù)器數(shù)據(jù)并進行運算，然后向顯示電路輸出測量結(jié)果。由于等精度數(shù)字頻率計涉及到的計算包括加、減、乘、除，耗用的資源比較大。根據(jù)以上條件，查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)8位單片機89C51的指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足要求。有時被測信號中含有較高的直流分量，為了保證通道放大器正常工作，輸入信號應(yīng)通過隔直流電容耦合到輸入級的輸入端，為此還要加上交、直流耦合切換開關(guān)S1。為了防止輸入信號過大而損壞后面的元器件，在輸入端加上由一個470電阻和兩個二極管組成的限幅保護電路。整形級選用輸出為TTL電平的高速集成雙壓比較器MAX902來構(gòu)成，它比TTL電路有觸發(fā)靈敏度高、因而可降低放大級增益的優(yōu)點；上面已討論過，根據(jù)手冊提示，使用高速電壓比較器時必須保證輸入信號的壓擺率大于手冊上所給的最小容許值，以免在比較器輸出信號的前后沿部位產(chǎn)生振蕩。14因為模擬通道部分所用的器件都是帶寬高速器件，為了防止寄生振蕩，在每個器件的電源引腳附近到地之間均需要加上去耦電容，每組去耦電容由兩種電容并聯(lián)起來，以取得良好的寬頻帶寬去耦效果。集成運放MAX4016在閉環(huán)增益為1時的帶寬為150MHz，當(dāng)A2增益為（150MHz/4）和15MHz（150MHz/10）。第一級反相放大器期的增益10 兩種值，由開關(guān)S2切換，第二級反相放大器的增益4，因此級聯(lián)后的增益40兩種值?？梢娬斡秒妷罕容^器時放大級所需的增益有所降低。若再考慮頻率設(shè)計指標(biāo)提出的 最小輸入信號幅度的峰值，不難求出所要求的放大級的增益。將和SR=。因為在本通道中，電壓比較器整形級是設(shè)計過零觸發(fā)方式的，因此必須對輸入信號過零處的壓擺率予以審查。因為后面的整形級采用了電壓比較器，所以放大級的增益應(yīng)根據(jù)頻率計指標(biāo)提出的最小輸入信號幅度（）和電壓比較器所要求的輸入電壓的最小壓擺率來決定。 頻率計穩(wěn)壓電源電路2 信號放大整形電路信號放大整形電路包括放大級和整形級兩部分。7805驅(qū)動電流可達１Ａ，運行時電流200～300mA，7805溫度有50度左右。5V的直流穩(wěn)壓電源?？梢杂?個數(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?個鍵執(zhí)行測試控制，一個是復(fù)位鍵，其余是命令鍵。本模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器，產(chǎn)生50MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號直接進入CPLD。用于控制CPLD的測頻操作和讀取測頻數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。是測頻的核心電路模塊，由CPLD器件擔(dān)任。用于對待測信號進行放大和整形，以便作為CPLD的輸入信號。 (b) 多周期同步等精度測量法時序圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)頻率計的設(shè)計要求，我們可將整個電路系統(tǒng)劃分為幾個基本模塊。7。以典型數(shù)據(jù)為例，頻率的不確定度通常為~，假定時鐘頻率為10MHZ，若閘門時間選為1S，則的177。假定，輸入通道放大器的制作工藝較高，它所產(chǎn)生的噪聲可以忽略，這時觸發(fā)誤差僅由被測量信號本身的質(zhì)量所決定，即由外因決定。1量化誤差，只有計數(shù)器在同步門T周期的177。1量化誤差、時鐘的不確定度和同步門的觸發(fā)誤差時，根據(jù)式(26)和式(27)可以推導(dǎo)出倒數(shù)計數(shù)器的測頻、測周期誤差的計算公式： (28)上式中R=20㏒，為被測信號與噪聲比，k為多周期倍率。該測試方法需要的除法功能運算，對于使用微處理器的儀器來說，是不難實現(xiàn)的。1量化誤差的相對值（177。1量化誤差。由于，則被測頻率和周期分別為： (26) (27)式(26)中=1/，為時鐘的周期。為時鐘脈沖的頻率。首先由相應(yīng)的控制電路給出閘門開啟信號，此時計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時才真正開始7計數(shù)。由此，當(dāng)引入多周期同步等精度測量法時，可以較好的解決這個問題。根據(jù)式(23)、(24)可以導(dǎo)出計算中界頻率的公式如下： (25) 為了獲得較高的測量準(zhǔn)確度，當(dāng)≥時,直接測頻,間接測周期；當(dāng)≤時,直接測周期,間接測頻。經(jīng)以上分析可知，直接測周期法在低頻段精度高，直接測頻法在高頻段有著很高的精度。采用多周期測量可以有效的降低觸發(fā)誤差的影響。要降低觸發(fā)誤差就必須增大信噪比R，并采用多周期測量，還可以在整形電路中采用具有滯回特性電路來減小噪聲的影響。1。1量化誤差；此外由于晶振的不確定度，時標(biāo)的周期T0也存在誤差；最后，由于被測輸入信號噪聲的影響，使經(jīng)B通道放大整形后的脈沖周期中還引入了一種觸發(fā)誤差。由于主門的“與”功能，它的輸出端只有在閘門信號k期間有時標(biāo)脈沖輸出，并送到計數(shù)器去計數(shù)，計數(shù)器的值為N。(a)為計數(shù)式直接測周期的原理框圖。1誤差的影響的減小，閘門時間（也即基準(zhǔn)頻率）自身的準(zhǔn)確度對測量結(jié)果的影響不可忽略，這時可以認(rèn)為是計數(shù)式直接測頻率準(zhǔn)確度的極限。1誤差對測量結(jié)果的影響減小，測量準(zhǔn)確度越高。在一定時，閘門時4間T越長，測量準(zhǔn)確度越高。若再考慮由晶體振蕩器引起的閘門時間誤差，對式(21)進行誤差的累積與合成運算后，可以得到直接測量測頻率誤差的計算公式如下： （22）上式右邊第一項為量化誤差的相對值，其中=177。該測量方法由于主門的開啟時間與被測信號之間不同步，而使計數(shù)值N帶有177。設(shè)計數(shù)器的值為N，由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率為=N/Ts (21)各種中規(guī)模計數(shù)器集成電路就非常適合于這種場合的應(yīng)用，如CD451CD4017等。設(shè)計時通過晶體震蕩器和分頻器的配合，可以獲得10S、1S、。主門的另一個輸入端送來的是來自門控雙穩(wěn)的閘門時間信號Ts。其中主門具有“與門”的邏輯功能。利用電子計數(shù)式測量頻率具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速 ,以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列優(yōu)點 ,所以下面將重點介紹電子計數(shù)式測量頻率的幾種方法。電容充放電式計數(shù)法是利用電子電路控制電容器充放電的次數(shù) ,再用電磁式儀表測量充放電電流的大小 ,從而測出被測信號的頻率值。測量方法大致可分為如下幾類：表21 頻率測量方法模擬法 數(shù)字法直讀法比較法電容充放電式電子計數(shù)式電橋法諧振法差頻法示波法拍頻法李沙育圖形法測周期法直讀法又稱無源網(wǎng)絡(luò)頻率特性測量法。2第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 頻率測量的方法的研究頻率的測量實際上就是在1s時間內(nèi)對信號進行計數(shù)，計數(shù)值就是信號頻率。課題要求運用單片機或者CPLD技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)直接測量頻率方法和等精度測量頻率的方法，實現(xiàn)高頻和低頻的測量，本系統(tǒng)設(shè)計的基本指標(biāo)如下。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。閘門時間也可以大于或小于一秒。1 數(shù)字頻率計的基本原理頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，對比測量其他信號的頻率。MCS—51系列單片機具有體積小，功能強，性能價格比較高等特點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領(lǐng)域。隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，用單片機通過軟件設(shè)計，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄈ〈@部分電路不僅能彌補上述不足，而且性能也將大有提高。 課題研究的意義與作用數(shù)字頻率計數(shù)器又稱通用計數(shù)器，是電子測量領(lǐng)域中最常見的測量儀器之一。頻率測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。人們將許多參數(shù)的測量轉(zhuǎn)換為頻率量來測量和處理。在電子測量中，頻率的測量精確度是非常高的。 equal precisionII目錄III目 錄第一章 引言 1 課題研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 課題研究的意義與作用 1 數(shù)字頻率計的基本原理 1 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo) 2 基本指標(biāo) 2 發(fā)揮部分 2第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3 頻率測量的方法的研究 3 數(shù)字化直接測量頻率的原理 3 數(shù)字化直接測量周期的原理 4 組合法測量頻率的原理 5 多周期同步等精度測量的原理 6 系統(tǒng)硬件設(shè)計 8 穩(wěn)壓電源電路 9 信號放大整形電路 10 單片機控制電路 11 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號源 13 數(shù)碼管顯示模塊 13第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 15 CPLD測頻專用模塊的設(shè)計 15 頻率計CPLD部分的VHDL程序 16III 頻率計CPLD部分的仿真 22 單片機控制與運算程序的設(shè)計 24 單片機主程序的設(shè)計 24 頻率、周期計數(shù)子程序的設(shè)計 25 脈寬、占空比子程序的設(shè)計 18 鍵盤掃描及數(shù)碼管顯示子程序的設(shè)計 30第四章 仿真方法及調(diào)試 32 系統(tǒng)調(diào)試的環(huán)境 32 軟硬件的調(diào)試 32 系統(tǒng)的硬件驗證 32 小結(jié) 32 系統(tǒng)