频率计开题报告

1 / 14频率计开题报告武汉大学珞珈学院本科生毕业论文开题报告毕业论文题目 数字频率计系统设计 系： 电子信息科学系 学号： XX05060 姓名：一、论文选题的目的和意义数字频率计是计算机、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。在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成，计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在电子技术中，频率是最基本的参数之一，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，因此频率的测量就显得尤为重要。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动等优点，是频率测量的重要手段之一。为了实现智能化的技术，测频实现宽领域，高精度的频率计，一种有效的方法是将单片机用于频率计的设计中去。单片机数字频率计以其可靠性高，体积小，价格低，功能全等优点，广泛的应用于各种智能仪器中，这些智能仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化传统仪器中的开关和按钮被键盘所代替，测试人员在测量时只需按2 / 14需要按的键，省掉了很多繁琐的人工操作，而采用 lcd 液晶显示器能够清楚明了的显示出测得的实验数据。二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势研究现状：随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于抵挡产品要求使用操作方便，量程宽，可靠性能搞，低价格。而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，搞稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。在测试通讯、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成3 / 14技术任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的频幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器。我们应该视测试需要正确的选择，以达到最经济和最佳的应用效果。发展趋势：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实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。在人们的生活中频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量是频率较低，误差较大。频率仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的引用范围。在传统生产制造企业中，频率计被广泛应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出4 / 14的频率变化，用于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，还可以用来对电台的跳帧信号进行分析。对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用 MAXIM 公司的 ICM7240 来设计频率计。但由于 这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很搞的频率要求，而测量精度也受到芯片本身的限制。提出的用 AT8C52 单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计。三、论文的主攻方向、主要内容、研究方法及技术路线本设计主攻方向为以电子测量中的测频法、测周法、测相差法为基本原理，以相关计数法测频为主要实现手段，以设计高频宽低误差的时间测量系统为目标。目的在于设计出一个高频宽，低误差的时间参数测量系统。具体实现功能和技术指标如下：频率测量5 / 14a）测量范围 信号：方波、正弦波幅度：5 V频率：10MHzb）测试误差%周期测量 周期脉冲信号占空比测量a）测量范围 频率：1Hz15kHz幅度：5V占空比变化范围：10%90%b）测试误差1小信号放大和整形电路其中，频率测量、周期测量应实现电路实模型及相应软件的设计和调试，对于周期脉冲信号占空比测量应完成仿真电路设计。四、毕业论文的进度安排第一阶段：阅读指定的电子测量的教材，详细了解时间参数测量的原理和误差来源，对论文中所涉及的各种测量方案以及测量的实现难点着重研读，打下理论基础。查找相关资料，基本形成总体设计的框架。第二阶段：选择测量方案，设计出基于电子计数器实现的频率测量系统，了解电子计数器的特性和设计中应注意的事项。6 / 14第三阶段：熟悉和掌握微处理器彷真平台的应用环境，搭建设计电路，编写测试软件完成对电路的功能与指标的测试和优化。第四阶段：在优化系统设计的同时撰写毕业设计论文。第五阶段：完成毕业设计论文的撰写，上交指导教师和评阅教师，反馈意见后修改论文。第六阶段：检查和修改论文以达到规范化的要求，准备答辩。五、毕业论文应收集的资料及主要参考文献1. 蒋焕文、孙续. 电子测量 . 中国计量出版社. ；2. 刘国林、殷贯西.电子测量.机械工业出版社. 3. 孙焕根 .电子测量与智能仪器 . 浙江大学出版社. 19924. 古天祥、王厚军等. 电子测量原理 . 机械工业出版社. 5. 郭允、苏秉炜. 脉冲参数与时域测量技术. 中国计量出版社. ；6. 美 D.霍布沙尔. 电子仪器的电路设计 . 科学出版社 . 7 / 147. 黄秉英. 时间频率的精确测量 .中国计量出版社. 8. 美 Kevin Skahill. 可编程逻辑系统的 VHDL设计技术 . 东南大学出版社.9. 高书莉、罗朝霞. 可编程逻辑设计技术及应用 .人民邮电出版社. 10. 程云长、王莉莉. 可编程逻辑器件与 VHDL语言 . 科学出版社. 11. 陆玉新、傅崇伦. 电子测量 . 国防工业出版社 . 12. 刘克刚.复杂电子系统设计与实践.电子工业出版社，指导教师签名： 年 月日本科生毕业设计开题报告书题 目 宽频带频率计设计姓 名 唐 兴 成学 号 408109060226学院信息工程学院专 业 电子信息工程指导教师 王 军 芬2016 年 3 月 20 日8 / 14杭州电子科技大学 毕业设计开题报告 题 目学 院专 业姓 名班 级 学 号 指导教师数字频率计的设计与实现 通信工程学院 通信工程 孔冬滨 12083414 12081423 易志强一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义课题的意义在电子技术中，频率是最基本的参数之一，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，因此，频率的测量就显得更为重要。近年来,在现代电子系统设计领域中,电子设计自动化已成为重要的设计手段。简单的搭建电路已经不适应大规模电路设计要求。EDA 的可编写程序设计硬件电路设计，可重复下载的优势非常明显。这样做既可节省时间又能避免不必要的资源浪费。数字频率计的设计,其功能是实现信号的频率、周期、占空比以及脉宽等指标的测量，在电子测量、航海、探测、军事等众多领域的应用范围广泛。数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比9 / 14较大的延时，造成测量误差、可靠性差。而采用 FPGA 现场可编程门阵列为控制核心，通过硬件描述语言 VHDL 编程，在 Quartus II 仿真平台上编译、仿真、调试 ，并下载到FPGA 芯片上，通过严格的测试后，能够较准确地测量方波、正弦波、三角波、矩齿波等各种常用的信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量，并且将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。本课题采用的是等精度数字频率计，在一片 FPGA开发板里实现了数字频率计的绝大部分功能，它的集成度远远超过了以往的数字频率计。又由于数字频率计最初的实现形式是用硬件描述语言写成的程序，具有通用性和可重用性。 所以在外在的条件的允许下，只需对源程序作很小的改动，就可以使数字频率计的精度提高几个数量级。同时对于频率精度要求不高的场合，可以修改源程序，使之可以用较小的器件实现，从而降低系统的整体造价。国内外现状及发展趋势我国在这个领域的发展是极其迅速，现在的技术实际已是多年来见证。我国现阶段电子产品的市场特点，电子数字化发展很快，数字频率计已经应用于高科技等产品上面，可以不夸张的说没有不包含有频率计的电子产品。我国的 CD、VCD、DVD 和数字音响广播等新技术已经大量进入市场，而在今天这些行业中都必须用到频率计。到今天10 / 14频率计已开始并正向智能、精细的方向发展。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实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。在人们的生活中频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量是频率较低，误差较大。频率仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的引用范围。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：研究的基本内容：数字频率计是数字电路中的一个典型应用,实际的硬件设计用到的器件较多,连线比较复杂,而且会产生较大的延时,造成测量误差、可靠性差。随着可编程逻辑器件的广泛应用,以 EDA 工具为开发平台,利用 VHDL 工业标准硬件描述语言,采用自顶向下 和基于库的设计,设计者不但可以11 / 14不必了解硬件结构设计,而且将使系统大大简化,提高整体的性能和可靠性。数字频率计的原理框图如图 1 所示。主要由 5 个模块组成,分别是:脉冲发生器电路、测频控制信号发生器电路、计数模块电路、锁存器、译码驱动电路。图 1 数字频率计的原理框图数字式频率计的测量原理有两类：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法即测周期法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，通常采用计数器、数据锁存器及控制电路实现，并通过改变计数器阀门的时间长短在达到不同的测量精度；间接测频法适用于低频信号的频率测量，本设计中使用的就是直接测频法，即用计数器在计算 1s 内输入信号周期的个数。根据频率的定义和频率测量的基本原理,通过 VHDL语言编程设计一款 8 位能以十六进制方式显示的频率计，再添加一块模板，把频率计改为 8 位十进制方式显示的频率计，此电路的计数器必须是 8 个 4 位的十进制计数器，并用 EDA 软件仿真。可能遇到的问题：在接受信号脉冲时，有效脉冲不能使电路处于初始化；12 / 14在低频率时候，脉冲会有衰减，使得测量不能正常记录；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，测试时很不方便；单片机程序和 FPGA 语言程序无法完美结合。解决方法：检查电路，并且及时调整输入时钟；可以采用直接测量频率的方法；采用等精度频率测量方法具有测量精度，测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化；并且结合现场可编程门阵列 FPGA 具有集成度高、高速和高可靠性的特点，使频率的测频范围可达到100MHz，测频全域相对误差恒为 1/1000000。通过继续学习 FPGA 语言，使之能够与其他的程序达到完美结合。三、研究步骤、方法及措施：研究方法:根据频率定义，测量 1 s 内被测信号经过的周期数即为该信号的频率。因此，本设计应主要解决三个问题：产生一个标准的时钟信号作为闸门信号；在闸门信号有效时间范围内对输入的信号进行计数；对所得的数据进行处理，并将其显示。13 / 14运用自顶向下的设计思想, 编程时分别对控制、计数、锁存、译码等电路模块进行 VHDL 文本描述 ,使每个电路模块以及器件都以文本的形式出现 ,然后通过编译、波形分析、仿真、调试来完善每个器件的功能。单个器件制作完成后 , 然后将它们生成库文件 ,并产生相应的符号 ,最后用语言将各个已生成库文件的器件的各个端口连接在一起 ,从而形成了系统主电路的软件结构。在上述工作的基础上 ,再进行波形分析、仿真调试便完成整个软件设计。图 2 传统测频原理图图 3