数字频率计的研究Digital frequency of research学 生: 专 业：电子信息工程 班级 学号： 指导 教师： 学 院: 电子信息工程摘 要数字频率计是专门用于测量信号频率的装置，并用十进制数显示。数字频率计是一种传统的测量仪器，广泛应用于学校教学、工厂和公司中。它不仅可以测量正弦波、方波和尖脉冲信号的频率，还能对其它多种物理量进行测量。例如机械振动频率，转动体的转动速度等，均可先转换成电信号，然后用频率计测量。本设计采用的数字频率计是专门用于测量信号频率的装置，并用十进制显示，它具有测量迅速、精度高、技术方便等优点。它不仅可以测量正弦波、方波和尖脉冲信号的频率，而且还能对其它多种物理量进行测量。系统用MSC51单片机作为控制核心，门控信号由定时计数器产生，但由于单片机的技术频率有采用限，所以需要高频信号进行硬件分频处理，AT89C51完成运算、控制及显示功能；为克服通用数字电路集成度低、电路安装布局不便的缺点，采用CPLD完成逻辑处理功能，使电路大为简化；用模拟输入通道实现信号的自动增益控制计较宽的测频范围关键词: CPLD 频率计 AT89C51 VHDL MSC51ABSTRACTDigital frequency meter is used to measure the signal frequency devices, and decimal number display. Digital frequency is a kind of traditional measuring instrument, widely used in teaching, factories and schools in the company. It not only can measure sine pulse, and pointed the pulse signal frequency, it can also on other measure multi-physical quantity. Such as mechanical vibration frequency, rotating speed of the rotation, etc., to convert, and then use frequency signal measurement program.This design USES digital frequency meter is used to measure the signal frequency devices, and that, it has the decimal measurement, high precision and fast technology convenience etc. It not only can measure sine pulse, and pointed the pulse signal frequency, but also to other measure multi-physical quantity. System using MSC - 51 SCM as control core, door control signals generated by timing counter, but because the technology is adopted MCU frequency, so need high frequency signal processing, hardware, control and complete AT89C51 display function, To overcome the common digital circuit, low installation layout integration circuit faults, using the inconvenience of logic function, complete CPLD greatly simplified the circuit, In analog input signal channel of automatic gain control of the wide range of frequency measurement careKeyword: CPLD frequency meter AT89C51 VHDL MSC - 51目 录第一章 绪 论11.1引言11.2 发展前景2第二章 设计技术方案要求32.1技术指标及要求32.2方案论证3第三章 测量原理53.1频率测量模块53.1.1直接测频法53.1.2 组合测频法63.1.3 倍频法63.1.4 等精度测频法63.2周期测量模块83.2.1周期测频法83.2.2 时间测量93.2.3 位测量93.2.4 等精度周期测量法103.2.5 硬件同步分频，消除“分频误差”103.3脉宽测量模块103.4占空比测量模块11第四章 系统整体设计方案及硬件实现124.1系统整体设计方案124.2 单片机部分134.2.1单片机内部结构分析134.2.2 AT89C51单片机14第五章 CPLD测频专用模块175.1 CPLD数字电路设计175.1.1 VHDL语言简介175.1.2 VHDL程序结构185.1.3 VHDL程序基础195.2 VHDL语言程序设计195.2.1 测频/测周的实现205.2.2 控制部件设计205.2.3 计数部件设计215.2.4 脉冲宽度测量和占空比测量模块设计21结 论23参 考 文 献24附 录 125致 谢33第一章 绪 论1.1引言在电子技术领域内,频率是一个最基本的参数,频率与其它许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。而且,目前在电子测量中,频率的测量精度是最高的。数字频率计是专门用于测量信号频率的装置，并用十进制数显示。它具有测量迅速、精度高、读数方便等优点。它不仅可以测量正弦波、方波和尖脉冲信号的频率，而且还能对其它多种物理量进行测量。例如机械振动频率、转动体的转动速度等，均可先转换成电信号，然后用频率计测量。基于传统测频原理的频率计的测量计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低,在使用中有较大的局限性,而等精度频率计不但具有较高的测量精度,而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。本系统以单片机AT89C51为核心设计了一种用于频率、周期和时间间隔测量的多功能测频仪器，利用单片机的数学运算和控制功能，结合大规模可编程逻辑器件(CPLD)，实现了测量中的量程自动切换，具有占空比、频比、周比、时间差测量等功能。尤其是采用等精度测量原理，即一种基于单片机的利用双计数器“相关计数”和“硬件同步分频”的高精度不等的缺陷，实现了高低频率的等精度的测量，极大地提高了测量精度。1.2 发展前景在电子系统非常广泛应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。数字集成电路具有结构简单（如其中的晶体管是工作于饱和与截止2种状态，一般不设偏置电流）和同类型电路单元多（如一个计数系统需要很多同类型的触发器和门电路）的特点，因而容易是高集成度和归一化。由于数字集成电路与电子计算机的发展紧密相关，因而发展很快，目前已是集成电路中产量最高、集成度最大的一种器件。集成电路的类型很多，从大的方面可分为模拟和数字集成电路两大类。虽然它们都可模拟具体的物理过程，但其工作方式有着很大的不同。甚至可能完全不同。电路中的工作信号通常是用电脉冲表示的数字信号。这种工作方式的信号，可以表达2种截然不同的现象。如以有脉冲表示“1”，无脉冲便表示“0”；以“1”表示“真”，则“0”便表示“假”，等等。反之亦然。这就是“数字信号”的含义。所以，“数字量”不是连续变化的量，其大小往往并不改变，但在时间分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。数字式频率计基于时间或频率的A/D转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种新型的数字测量仪器。由于数字电路的飞速发展，所以，数字频率计的发展也很快。通常能对频率和时间两种以上的功能数字化测量仪器，称为数字式频率计(通用计数器或数字式技术器)在电子测量技术中，频率是一个最基本的参量，对适应晶体振荡器、各种信号发生器、倍频和分频电路的输出信号的频率测量，广播、电视、电讯、微电子技术等现代科学领域。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。、第二章 设计技术方案要求2.1技术指标及要求1、频率测试功能为频率测量；.测量范围有信号：方波、正弦波它的幅度：；频率：；他的.测试误差：周期测量，.测量范围为信号：方波、正弦波他的幅度：。频率：，测试误差：。2、脉宽测试功能，测试范围。.测量范围 信号：脉冲波；幅度：；脉冲宽度：100uS；测试精度 ；测试误差 。3、占空比测试功能：测量占空比为1% 99%。2.2方案论证频率、周期、脉宽检测是电子测量的基本项目。频率测量是关键。频率和周期的测量可以通过单片机转化，测量脉冲宽度也就是计量标准脉冲个数。要实现频率测量系统的设计，结合当前条件及实现方法的可行性，可得出多种设计方案。方案一：对频率范围宽的周期信号进行频率测量，为了提高精度而采取不同频段采用不同测试方式的原则。在低频采用测量周期的方法，在频率较高时则采用测量频率的方法。方案二：系统开发采用可编程器件作为信号处理及系统控制中心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。原理框图如图2-1。该方案利用了可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但测量精度不高，导致系统性能价格比减低，系统功能扩展受到限制。 图2-1 原理框图方案三：系统采用MCS-51单片机作为控制核心，门控信号由定时计数器产生，但由于单片机的计数频率有限，所以需对高频信号进行硬件预分频处理，AT89C51完成运算、控制及显示功能；为克服通用数字电路集成度低，电路安装布局不便的缺点，采用CPLD完成逻辑处理功能，使电路大为简化；用模拟输入通道实现信号的自动增益控制及较宽的测频范围。频率测量采用等精度测量法，此法的测量精度与测量的频率无关，无论在低频还是高频测量时，其精度都相同。采用双计数器电路，使两个计数器相关计数，在硬件上同步分频实现等精度高精度的频率测量。由于计数门的开启与等待信号同步，因此不会有误差。基于上述分析，方案三实现简单方便，且在高低频段等精度，通用性好，所以采用方案三。第三章 测量原理3.1频率测量模块3.1.1直接测频法单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，使频率测量与周期互通。频率测量原理如图2-1所示。频率，即单位时间内周期信号的发生次数，以参考晶体振荡提供了测量时间的标准，分频后通过控制电路去开启与关闭时间闸门。闸门开启时，经放大整形后的测量信号进入计数器开始计数，闸门关闭后，停止计数。图 3-1 电子计数器测频原理框图首先,把被测信