数字频率计 大学生电子设计竞赛 高精度 等精度.doc

简易数字频率计（B题） 摘要：整个频率测量系统由信号前端处理功能模块、CPLD测频功能模块、键盘显示模块等几个部分组成。信号前端处理功能模块通过峰值检测电路、低通滤波器、信号放大器、整形电路几个处理环节获得适合频率测量的方波信号，频率测量核心部分采取单片机+CPLD的方式，巧妙的实现了对于正弦波和方波的高精度的等精度频率测量。整个系统能够实现的频率测量范围为0.1Hz10MHz，信号的幅度范围为0.3V5V，相对测量误差小于0.002%，测量所得频率值通过液晶进行十进制数字式显示，此频率计还具有自校功能，并可手动设定显示刷新时间。关键词：等精度频率测量、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、高精度数字频率计Abstract:Key words: 目 录1方案论证与选择31.1设计要求31.2总体方案比较31.3系统总体结构框图41.4系统工作原理42单元电路设计42.1信号前端处理功能模块42.1.1信号判断及通道选择部分41)前、后端峰值检测电路42)低通滤波器电路的设计53)通道选择电路62.1.2信号放大器72.1.3信号整形电路82.2CPLD测频功能模块92.2.1接口电路92.2.2时钟电路92.2.3等精度测频的原理102.2.4测频系统的误差分析112.3键盘、显示模块112.4电源的设计123软件设计134系统测试及改进方案134.1测试使用的仪器134.2指标测试与测试结果144.3误差分析175结论18参考文献18附录1 主要元器件清单19附录2 程序清单19附录3 印制版图19附录4 系统使用说明191 方案论证与选择1.1 设计要求设计并制作一台数字显示的简易频率计。1.1.1 基本要求1) 频率测量a 测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V5V；频率：1Hz1MHzb 测量误差0.1%2) 显示器 十进制数字显示，显示刷新时间110秒连续可调，对上述三种测量能分别用不同颜色的发光二极管指示。3) 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。1.1.2 发挥部分1) 扩展频率测量范围为0.1Hz10MHz（信号幅度0.5V5V），测量误差降低为0.01%（最大闸门时间10s）。2) 在1Hz1MHz范围内及测量误差1%的条件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干扰的措施。1.2 总体方案比较方案一：利用测周期法需要有标准信号的频率fs,在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns,则被测信号的频率为：fx=fs/Ns。这种方法的计算数值产生1个脉冲误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Ns有关。为了保证测试精度，测频率法仅适用于低频信号的测量。方案二：利用测频法测频法就是在确定的闸门时间Tw内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）Nx，则被测信号的频率为：fx=Nx/Tw。这种方法的计数值会产生1个脉冲误差，并且测试精度与计数器记录的数值Nx有关，且不适合低频信号的测量。方案一、二缺点都较为明显，应用中可以综合两个方案，利用单片机的定时器和计数器通过测频率与测周期相结合的方法实现频率测量，设定一个中界频率fm，当 被测信号频率fx fm时, 直接测频, 间接测周; 当 fx fm时, 直接测周，间接测频。此方法所需的外部电路相对较少，但测量精度不高，并随着测量信号的频率发生变化，且受限于单片机的工作频率，计数器无法实现较高频率的测量（单片机自带计数器输入时钟的频率通常只能是系统时钟频率的几分之一甚至几十分之一）。方案三：利用单片机+CPLD的方式实现等精度频率测量CPLD可以实现高速的计数功能，可以用来测量较高的信号频率，可以很好的弥补单片机计数功能的不足；针对频率测量的需要，利用CPLD编程灵活的特点可以对其计数功能加以优化和加强，实现等精度频率测量，且测频精度高。等精度的实现可以简单的表达为，在设定的闸门时间内，分别对待测输入信号和基准频率信号进行计数，并保证对待测输入信号的计数值刚好为整数个，即保证绝对误差只有基准频率信号的1误差，这样只有保证基准信号频率高且稳定，即可实现频率测量的高精度和等精度。此方案不仅测量精度高，而且实现了全部测量范围内的等精度频率测量。比较几个方案优缺点，选择方案三来完成简易数字频率计。1.3 系统总体结构框图图1-1 系统总体结构框图1.4 系统工作原理待测信号（正弦波或方波）经过信号前端处理模块，获得与待测信号同频率的方波信号，所得信号送往CPLD功能模块，结合单片机的控制，实现了对这一信号频率的等精度测量，并通过显示模块显示出测得频率的十进制数值和设定的显示刷新时间，通过键盘模块可以设定显示刷新时间。2 单元电路设计2.1 信号前端处理功能模块这一功能模块主要又分为三部分：信号判断及信道选择部分、信号放大器和信号整形电路。组成框图如图2-3所示：2.1.1 信号判断及通道选择部分这一部分的作用是对输入信号频率高低进行判断，决定输入信号是否要经过低通滤波器再送往信号放大器。具体实现过程是先对未经处理的输入信号进行峰值检测，即前端峰值检测，获得电压值V1，与此同时，对经过低通滤波器滤波后的信号进行峰值检测，即后端峰值检测，获得电压值V2。根据低通滤波器的幅频特性可以知道，如果V2/V10.7,那么就说明输入信号频率低于设计的低通滤波器的截止频率，需要经过低通滤波器滤除高频干扰信号，再送往放大器；如果V2/V10.7,那么就将已经经过低通滤波器滤波处理过的信号送往放大器；如果V2/V10.7,那么就将输入信号直接送往信号放大器。图2-8 通道选择电路2.1.2 信号放大器 鉴于系统对于高频信号放大的需要，我们选择高速宽带运算放大器AD8005实现信号放大功能，AD8005高速特点显著，3 dB带宽高达270Mhz（G = +1时），转换速率（摆率）高达280 V/s，可以满足系统对于高频信号放大的要求。 图2-9 信号放大电路具体电路实现如下图2-9所示： 信号测量的幅度范围是0.3V5V，再考虑到低频信号可能经过低通滤波器而有所衰减，输入放大器的最小的有效输入电压大约为0.30.7=0.21V，通过电阻RF和RG的选取将放大倍数设定为（RF+RG）/RG=660/100=6.6倍，则幅度最小值将达到0.216.6=1.386V，便于后续的整形处理。2.1.3 信号整形电路信号整形电路是通过高速比较器的迟滞比较完成的，具体实现如下图2-10所示：图2-10 信号整形电路应用中，选择了LM361这款高速比较器，它速度高（最大转换时间仅为20 ns），输出为TTL电平，接口方便，其功能示意图如下： 图2-11 LM361功能示意图实际电路中，为了提高抗干扰能力和系统的稳定性，加入正反馈，构成迟滞比较器，信号整形电路中R2所在支路即为正反馈支路，可调精密电位器RW1用于设定迟滞比较器的基准电压，即基准电压即为电源电压经电位器RW1分压后的电压值，而RW2用于调节迟滞宽度，迟滞特性可表示成图2-12,如下：图2-12 迟滞比较特性则 迟滞宽度=（2-1）可见,通过调节电位器RW2可以实现对于迟滞宽度的调整。电路中，R3起的作用是，确保无论RW2处于什么位置，都有一定的迟滞宽度存在。C14、C15、C16都取为10f，是滤波小电容。2.2 CPLD测频功能模块CPLD测频功能模块是实现等精度频率测量的核心与关键，电路中选择MAX7000系列中的EPM7128S芯片完成等精度频率测量功能。在Quartus II 5.0软件环境下对CPLD测频功能模块进行仿真，得知整个CPLD系统需要80多个宏单元，且MAX7000S系列为5V供电，接口方便，根据以上，选择EPM7128S芯片。它有2500个可用门，128个宏单元，8个逻辑阵列块，100个用户IO引脚，能够提供组合传输延迟时间能快至50 ns，其16位计数器的频率为147.1MHz，刚好满足系统的需要。MAX7000S器件具有MAX7000E的增强特性，是通过工业标准4引脚JTAG接口实现在线可编程的。2.2.1 接口电路图2-13表示出了EPM7128S的JTAG接口电路： 图2-13 EPM7128S接口电路2.2.2 时钟电路使用有源晶振为其提供的工作频率，电路实现如下图2-14所示：图2-14 EPM7128S时钟电路2.2.3 等精度测频的原理图2-15 等精度频率计测控时序下面结合图2-14和图2-15说明一下等精度测频的原理：图2-16 等精度频率计主控结构图2-15中“预置门控信号”CL由单片机发出。可以证明，在0.1-1秒间选择的范围内，CL的时间宽度对测频精度几乎没有影响，在此设其宽度为Tpr。RZH和TF模块时两个可控的32位高速计数器，BENA和ENA分别是他们的计数允许信号端，高电平有效。标准频率信号从BZH的时钟输入端BCLK输入，设其频率为Fs;经整形后的被测信号从与BZH相似的32位计数其TF的时钟输入端TCLK输入，设其真实频率值为Fxe,被测频率为Fx。等精度测频原理说明如下：测频开始前，首先发出一个清零信号CLR，使两个计数器和D触发器置零，同时D触发器通过信号ENA禁止两个计数器计数。这是一个初始化操作。然后由单片机发出允许测频的命令，即令预置门控信号为高电平，这使D触发器要一直等到被测信号的上沿通过时，Q端才被置1（即令START为高电平）；与此同时，将同时启动计数器 BZH和TF，进入“计数允许周期”。在此期间，BZH和TF分别对被测信号（频率为Fx）和标准频率信号（频率为Fs）同时计数。当Tpr秒后，预置门信号被单片机置为低电平，但此时两个计数器并没有停止计数，一直等到随后而至的被测信号的上升沿到来时，才通过D触发器将这两个计数器同时关闭。由图2-16波形可见，CL的宽度和发生的时间都不会影响计数使能信号（START）允许计数的周期总是恰好等于待测信号TCLK的完整周期数这样一个事实。这正是确保TCLK在任何频率条件下都能保持恒定精度的关键。而且，CL宽度的改变以及随机的出现时间造成的误差最多只有BCLK信号的一个时钟周期，如果BCLK由精度稳定的晶体振荡器（假设100MHz）发出,则任何时刻的绝对测量误差只有10ns。.(2-2)设在一此预置门时间Tpr中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号的计数值为Ns,则下式成立：可由此得到测量的频率为：（2-3）最后通过控制SEL选择信号和64位至8位的多路选择器MUX64-8，将计数器BZH和TF中的两个32位书记分8次读入单片机并按以上计算式即可求得信号频率值。 2.2.4 测频系统的误差分析先分析绝对测量误差，通过对于等精度测频原理的分析可以知道，误差主要来自于CL宽度的改变以及随机的出现时间造成的误差，最多只有BCLK信号的一个时钟周期，实际电路中，采用高精度有源晶振，频率为50MHz,则任何时刻的绝对测量误差只有20ns。再分析相对测量误差，假设闸门时间为0.1秒，又Fx =（Fs/Ns）*Nx，而误差来自于Ns的1误差，所以有相对测量误差=（2-4）而Ns=0.1* Fs,从而求得此情况下相对测量误差可达五百万分之一，满足题目发挥部分对于误差的要求。2.3 键盘、显示模块通过键盘实现对显示刷新时间的设定信号频率显示功能用1602模块实现：它与单片机的接口如图2-17所示：D0-D7为数据口，E，RW，RS为控制信号，可以实现测得频率数值和门限宽度的同时显示。图2-17 显示模块电路2.4 电源的设计1) MEGA128单片机需要+5V电源供电2) 信号前端处理部分中，放大器需要+5V和-5V电源供电，整形电路需要+5V、+15V和-15V电源供电3) CPLD芯片EPM7128需要+5V电源供电在电路实现上，+15V和-15V由系统外部提供，除EPM7128所需+5V电源单独提供外，其它+5V电源由LM7805提供，而-5V电源由LM7905提供，如图2-1所示，电路实现简便,工作可靠。D3、D4分别作为+5V和-5V的电源指示灯，C2、C3、C4、C5为滤波小电容。图2-1 电源电路考虑到CPLD芯片EPM7128用电量较大（工作电流可达200 mA），使用REG1117-5单独为CPLD芯片EPM7128供电，REG1117-5是一款低压差电源芯片，正常工作时输出电流可以达到800mA,满足要求。电路实现如图2-2所示，输入+15V，稳定输出+5V。其中，C1和C2取为0.1F，起滤波作用，C0作用是储能，在必要时提供电流，改善瞬态响应。D1起保护作用，防止外部电源接反，对电路带来损害。图2-2 EPM7128电源电路3 软件设计频率计程序流程图如图3-1,本程序通过与硬件配合实现频率的测量并且利用一个定时器中断与一个I/O口的中断,巧妙的实现了在有信号输入的情况下显示频率值,在没有信号输入的情况下显示为0的功能,很好的完成了本题的要求.4 系统测试及改进方案4.1 测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表4.1所示表4.1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1F120型数字合成函数信号发生器1南京盛普仪器科技有限公司2TDS1012双踪示波器1泰克科技（中国）有限公司3FLUKE 15B 万用表1美国福禄克公司4联想PC 计算机1P3.0GHZ、 512M内存11图3-1 程序流程图4.2 指标测试与测试结果测试方法：通过F120型数字合成函数信号发生器产生特定幅度和频率的方波或正弦波送往频率计的信号输入端进行测量，由频率计的液晶显示屏读出测得的频率值，记下频率值后，改变幅度值或频率值继续进行测量。先对方波信号频率进行测量：1） 幅度=1.000V，方波表 4.2 测试数据12） 幅度=0.200V，方波表 4.3 测试数据23） 幅度=5.000V，方波表 4.4 测试数据3由以上三组数据可见，对于方波频率的测量本系统达到了题目中的基本要求和发挥部分的要求，达到了要求的测量范围和测量精度，测量误差小于0.002%。在此基础上，又对方波小信号的频率进行了测量，结果如下：表 4.5 测试数据44） 幅度=0.060V，方波 由表格中所示的测量结果可见，在500Hz-10MHz频率范围可以实现对方波小信号频率的高精度测量，测量误差小于0.002%。再对正弦信号频率进行测量：1） 幅度=5.000V，正弦波表 4.6 测试数据5表 4.7 测试数据62） 幅度=0.500V，正弦波 由以上两组数据可见，对于正弦波频率的测量本系统达到了题目中的基本要求和发挥部分的要求，达到了要求的测量范围和测量精度，测量误差小于0.0015%，对于幅度为0.5V的正弦波信号频率的测量范围可做到0.3Hz-35MHz。在此基础上，又对正弦波小信号的频率进行了测量，结果如下：3） 幅度=0.050V，正弦波表 4.8 测试数据7由表格中所示的测量结果可见，在1000Hz-5MHz频率范围可以实现对正弦波小信号频率的高精度测量，测量误差小于0.1%。4.3 误差分析系统的测量误差满足并超过了发挥部分的相关要求，但并未达到理论分析的精度（相关的理论分析见文中2.24）。下面对原因进行分析：1） 频率测量数值整体存在线性偏移，原因主要在于函数信号发生器和频率计的晶振的提供的时钟频率存在不一致性，可以通过软件修正进一步减少由此带来的误差。（由于显示方式设置的不是十分合适，频率较小时可以读取的有效位数不足，无法反映这种线性偏移）2） 信号前端处理部分也是误差的来源之一。比如在整形处理过程中，参考电压如果在处理过程中有较大的漂移，将给频率的测