基于单片机和CPLD的等精度频率计

学号******编号********研究类型应用研究分类号TM935.13**********************学士学位论文（设计）Bachelor’sThesis论文题目基于单片机和CPLD的等精度频率计作者姓名**指导教师****所在院系*****专业名称***************完成时间2009年5月15日I湖北师范学院学士学位论文（设计）诚信承诺书中文题目：基于单片机和CPLD的等精度频率计外文题目：FrequencymeterforequalprecisionbasedonCPLDandMCU学生姓名**学号******院系专业****班级0503学生承诺我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。学生（签名）：2009年5月15日指导教师承诺我承诺在指导学生毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人核查，该生毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。指导教师（签名）：2009年5月15日湖北师范学院2009届物理与电子科学学院学士学位论文（设计）II目录摘要....................................................................................................................11前言.....................................................................................................................22等精度频率测量原理分析................................................................................32.1等精度频率测量原理.............................................................................32.2等精度频率测量的误差分析.................................................................43系统方案............................................................................................................53.1方案提出及比较.....................................................................................53.2系统整体方案..........................................................................................63.3单片机与CPLD连接方案......................................................................73.4单片机定时及数据处理方案.................................................................83.5CPLD计数方案.......................................................................................94方案实现............................................................................................................94.1CPLD设计...............................................................................................94.2单片机设计............................................................................................124.3关键源代码分析....................................................................................135仿真及测试......................................................................................................145.1仿真分析................................................................................................145.2测试结果与分析...................................................................................156致谢..................................................................................................................16参考文献..............................................................................................................17**********学士学位论文（设计）评审表......................................................18*********2009届物理与电子科学学院学士学位论文（设计）1基于单片机和CPLD的等精度数字频率计**（*************物理与电子科学学院，***********）摘要：在现代信号分析和处理领域中，高精度的频率测量具有非常重要的意义。本文详细论述了一种基于CPLD和单片机的等精度数字频率计的设计原理及过程，对CPLD和单片机的有关知识也作了简要介绍。本设计用51单片机作为数据处理和控制的核心，利用可编程逻辑器件ATF1504设计相应的硬件电路，实现高精度的频率测量。关键词：等精度CPLD单片机定时器中图分类号：TM935.13FREQENCYMETERFOREQUALPRECISIBASFDONCPLDANDMCU********(*********,***********,China)Abstract:Frequencymeasurementiselectronicmeasurementtechnology.Inmodernsignalanalysisandprocessingareas,high-precisionmeasurementoffrequencyisveryimportant.Inthispaper,wedetailthedesignprocessonthesamedigitalfrequencyaccuracy,andalsobrieflyintroduceCPLDandmicrocontroller-relatedknowledge.Inthedesign,weusemini51boardasadevelopmentplatform,usingtheprogrammablelogicdeviceATF1504todesignthehardwarecircuit.Keywords:accuracy,CPLD,microcontroller,timer*********2009届物理与电子科学学院学士学位论文（设计）2基于单片机和CPLD的等精度数字频率计1前言由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，频率计拥有非常广泛的应用范围。在传统的生产制造企业中，用户可以通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。另外，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，这些物理量往往需要相当精确的数据，所以对频率计的精确度和误差稳定度的要求很高。因此，高精度频率计的设计与研究具有很大的现实意义。常用的直接测频方法主要有测频法和测周期法两种。测频法就是在确定的闸门时间内，记录被测信号的变化周期数。测周期法需要有标准信号的频率，在待测信号的一个周期内，记录标准频率的周期数得到待测频率。这两种方法的计数值会产生±1个字误差，并且测试精度与计数器中记录的数值有关。为了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法；对于高频信号采用测频法，因此测试时很不方便，所以人们提出等精度测频方法。等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。融合以上两种方法的优点，可兼顾低频与高频信号，但较以上两种方法而言，等精度频率测量有较高的测量精度，且误差不会随着被测信号频率的改变而改变。因为它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，测除了对被测信号计数所产生±1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。*********2009届物理与电子科学学院学士学位论文（设计）32等精度频率测量原理分析2.1等精度频率测量原理频率测量一般原理：基准定时器加计数器，关键是如何实现高精度的基准定时与计数器同步控制，常规依靠软件查询判断控制是很难达到精度要求的，必须用硬件逻辑实现。等精度频率测量原理框图如图1所示。图1等精度频率测量原理框图图中计数器1和计数器2是2个可控的32Bit计数器，EN是它们的计数允许信号端，高电平有效。基准定时器频率信号从计数器1的时钟输入端CLK输入，设其频率为Fb；待测信号经前端放大、限幅和整形后，从计数器2的CLK输入，测量频率为Fx。测量仿真波形图如图2所示。测量开始，t0时刻单片机发出一个清零信号CLR，使2个32b的计数器和D触发器置0，t1时刻单片机再发出测量启动信号Gate，即使图中D触发器输入置数D为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿t2时刻，Q端才被置1，使计数器1和计数器2的EN同时为1，将启动计数器计数，系统进入计数允许周期。这时，计数器1和2分别对被测信号和基准频率信号同时计数。当一段时间过后，t3时刻单片机发出停止信号，即D触发器置数D为低电平，但此时2个32b的计数器仍然没有停止计数，一直等到随后而至的被测信号的上升沿t4时刻到来时，才通过D触发器将这2个计算器同时关闭。*********2009届物理与电子科学学院学士学位论文（设计）4Tct0t1t2t3dtdtt4nTx图2测量仿真波形图由图所示的测频时序图可见，Ga