【正文】 ................................................................................................................ 24 附錄一：元器件清單 ......................................................................................................................... 25 附錄二：程序清單 .............................................................................................................................. 26 附錄三：原理圖 .................................................................................................................................. 26 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 引言 課題分析 在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中 ,數(shù)字系統(tǒng)所占的比例越來越大。而數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。隨著可編程邏輯器件 (CPLD) 的廣泛應(yīng)用 , 以 EDA 工具為開發(fā)平臺 , 利用 VHDL(Very HighSpeed Integrated CircuitHardware Description Language, 超高速集成電路硬件描述語言 ) 工業(yè)標準硬件描述語言 , 采用自頂向下 ( Top to Down) 和基于庫 ( Library based) 的設(shè)計 , 設(shè)計者不但可以不必了解 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 , 而且將使系統(tǒng)大大簡化 , 提高整體的性能和可靠性。 等精度頻率計在國內(nèi)外發(fā)展概況 目前發(fā)達國家在電子產(chǎn)品開發(fā)中 EDA工具的利用率已達 50％，而大部分的 ASIC和 CPLD已采用 HDL (Hardware Description Language——硬件描述語言 )設(shè)計。 CPLD(Complex programmable LogicDevice,復(fù)雜可編程邏輯器件 )是可編程邏輯器件 , 它是在 PAL 等邏輯器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及 實時在檢驗等優(yōu)點 ,因此 ,可廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原理設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。 CPLD 的邏輯功能模塊包括 32 位計數(shù)器，長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 數(shù)據(jù)選擇器和 D 觸發(fā)器等邏輯塊，各邏輯模塊用硬件描述語言 VHDL 來描述其功能。最后對 CPLD 芯片進行編程 ,以實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計要求。若在一定時間間隔 T 內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為 N，則其頻率可表示為 TNf /? 。此方法在低頻段的相對測量誤差較大。這種方法僅適用于低頻信號的測量。 Max+Plus II 簡介及 VHDL 語言簡介 Max+plusII 是 Altera 公司推出的的第三代 PLD 開發(fā)系統(tǒng) (Altera 第四代 PLD 開發(fā)系統(tǒng)被稱為： QuartusII，主要用于設(shè)計新器件和大規(guī)模 CPLD/FPGA).使用 Max+plusII 的設(shè)計者不需精通器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其設(shè)計速度非?？?。設(shè)計處理一般在數(shù)分鐘內(nèi)內(nèi)完成。 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速 集成電路硬件描述語言）誕生于 1982年，是由美國國防部開發(fā)的一種快速設(shè)計電路的工具，目前已經(jīng)成為 IEEE（ The Institute of Electrical and Electronics Engineers）的一種工業(yè)標準硬件描述語言。從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進行系統(tǒng)方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級用 VHDL對電路的行為進行描述，并進行仿真和糾 錯，然后在系統(tǒng)一級進行驗證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化 工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，下載到具體的 CPLD器件中去，從而實現(xiàn)長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 可編程的專用集成電路（ ASIC）的設(shè)計 ]17[ 。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。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。應(yīng)用 VHDL進行工程設(shè)計的優(yōu)點是多方面的。強大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和 設(shè)計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 3. VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用功能。 4. 對于用 VHDL 完成的一個確定的設(shè)計，可以利用 EDA 工具進行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把 VHDL描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。 本設(shè)計的指導(dǎo)思想 本設(shè)計采用等 精度測頻原理 ,采用自上向下的設(shè)計方法，用 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)的主控部件，實現(xiàn)整個電路的測試信號控制、數(shù)據(jù)運算處理、控制數(shù)碼管的顯示輸出。在 MAX+PLUSⅡ 平臺上，用 VHDL 語言編程完成了 CPLD 的軟件設(shè)計、編譯、調(diào)試、仿真和下載。用戶可以根據(jù)需要選擇想要的時鐘頻率 ]8[ 。具體要求如下： （ 1）本設(shè)計對頻率的測量實現(xiàn)等精度測量 ,測頻范圍： 100MHZ之間，測頻精度：測頻全域相對誤差恒為百萬分之一。 （ 3）脈寬測試功能：測試范圍 ～ 1s，測試精度 。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 2 等精度頻率計的方案選擇及原理分析 基于傳統(tǒng)測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的變化而變化。測周法的測量精度將隨被測信號頻率的升高而降低，在實用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且在整個頻率 區(qū)域能保持恒定的測試精度。被測信號 Ｆ x經(jīng)放大整形以形成時標 Bx，晶振經(jīng)分頻形成時基 TR。此方案為傳統(tǒng)的測頻方案，其測量精度將隨被測信號頻率的下降而降低。測 周期時，晶振 Ｆ R經(jīng)分頻形成時標 Bx，被測信號經(jīng)放大整形形成時基 TR 控制閘門。但該方法在被測信號的周期較短時，其精度將大大下降。圖中，被測信號 Ｆ x經(jīng)放大整形后可形成時標 Bx，而將時標 Bx經(jīng)編程處理后可形成時基 TR。此方案的閘門時間隨被測信號的頻率變化而變化，但測量精度將不會隨著被測信號頻率的下降而降低。用 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)的主控部件，實現(xiàn)整個電路的測試信號控制、數(shù)據(jù)運算處理、控制數(shù)碼管的顯示輸出。在 MAX+PLUSⅡ 平臺上，用 VHDL 語言編程完成了 CPLD 的軟件設(shè)計、編譯、調(diào)試、仿真和下載。 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)組成原理框圖如圖 22 所示 。單片機對整個測試系統(tǒng)進行控制，包括對鍵盤信號的讀入與處理 ， 對 CPLD測量過程的控制，測量結(jié)果數(shù)據(jù)處理 ； 最后將測量結(jié)果送 LED 顯示輸出。電源部分采用直流 5V 電壓供整個系統(tǒng)使用 ， 單片機由外接 12MHz 標準晶振提供時鐘電路。設(shè) T 為被測長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 周期， TS為時標，在 TX 期間計數(shù)值為 N，可以根據(jù)以下公式來算得被測信號周期： sx NTT ? 。 （ 2）等精度周期測量方法：本方法在測量電路和測量精度 上與等精度頻率測量完全相同，只是計算公式不同，用周期 T 代換等精度頻率測量公式中的頻率倒數(shù)即可。 式中 TX 為被測信號周期的測量值， NS， NX分別與（ 1）中的 NS， NX 含義相同。 脈沖寬度測量 在進行脈沖寬度的測量時，首先經(jīng)信號處理電路進行處理， 然后送入測量計數(shù)器進行測量。由下式 ： TWX=NX/FS。 周期脈沖信號占空比的測量 測一個脈沖信號的脈寬，記其值為 TWX1，信號反相后，再測一次脈寬并記錄其值 TWX2，通過以下公式計算： 占空比 = %100*)]/([ 211 wxwxwx TTT ? 在預(yù)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(nèi)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），測量精度會隨著被測信號頻率的下降而下降。預(yù)置門是指同時啟動或停止標準頻率信號計數(shù)器和被測信號計數(shù)器的門控信號。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 3 等精度頻率計硬件設(shè)計 鍵盤控制模塊 按鍵接口電路 ,因為按鍵數(shù)量較少 ,所 以采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。 八個按鍵分別為測頻 、 測周期 、 測占空比 、 測脈寬 、 自校五個功能鍵和 、 1秒、 10秒 三個時間按鍵。 鍵盤控制電路 如圖 31 所示 。根據(jù)實際亮度需求每段 LED 接 5K 的限流電阻。 。測試結(jié)果輸出顯示模塊如圖 32所示 。AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C51長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 ]1[ 。 （ 2）豐富強大的外部接口性能： 32 可編程 I/O 線，可編程串行通道，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 EPM7128SLC84 具有 68 個用戶可使用 I/O接口。實現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小設(shè)計產(chǎn)品的體積 ,具有可編程和實現(xiàn)方案容易改動的特點。 等精度頻率計系統(tǒng) 原理 該模塊主要完成單片機對 CPLD 的控制。 （ TF）： TF=0時等精度測頻， TF=1時測脈寬。 （ START）：當 TF=0 時，作為預(yù)置門閘，門寬由鍵盤輸入值決定， START=1 時預(yù)置門打開， START=0 時關(guān)門；當 TF=1 時， START 有第二功能，此時，當 START=0 時測負脈寬，長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 當 START=1時測正脈寬，利用此功能可分別獲得脈寬和站空比數(shù)據(jù)。 （ EEND）：等精度測頻計數(shù)結(jié)束狀態(tài)信號， EEND=0時計數(shù)結(jié)束。若令 AD=[ADRA， ADRB]，則當 AD=00，01， 10， 11 時可從 P0 口和 P2 口由低 8 位至高 8 位分別讀出兩組 4 個 8 位計數(shù)值。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40IC1AT89C511 2Y112M30C430C5IO6IO8IO9IO10IO11IO12IO4IO5IO15IO16IO17IO18IO20IO21IO22IO24IO25IO27IO28IO29IO30IO31IO33IO34IO35IO36IO37IO39IO40IO41IO44IO45IO46IO48IO49IO50IO51IO52IO54IO55IO56IO57IO58IO60IO61IO63IO64IO65IO67IO68IO69IO70IO73IO74IO75IO76IO77IO79IO80IO81GNDINT42GNDINT82GNDIO7GNDIO19GNDIO32GNDIO47GNDIO59GNDIO72VCCINT ( V ONLY)3VCCINT ( V ONLY)43VCCIO ( V OR V)13VCCIO ( V OR V)26VCCIO ( V OR V)38VCCIO ( V OR V)53VCCIO ( V OR V)66VCCIO ( V OR V)78INPUT/GCLK183INPUT/GCLRn1INPUT/OE184INPUT/OE2/GCLK22TDI/IO