数学建模论文-频率计

数学建模论文-------频率计摘要：

本次试验通过对数字频率计原理的掌握，利用已有的数字电路设计知识，配合相应的软件，如ISE软件的使用（设计输入、仿真、实现），了解可编程逻辑器件（FPGA）的一般情况，通过

VHDL语言的描述来设计满足要求的数字频率计。并根据实验结果对误差的来源进行分析和计算

数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此数字频率计在测量物理量方面应用广泛。

本实验报告介绍了使用VHDL开发FPGA的一般流程和频率计的基本原理和相应的测量方案，采用了一种基于FPGA的数字频率的实现方法。该设计的频率计能准确的测量频率在1Hz到100MHz之间的信号。使用ModelSim仿真软件对VHDL程序做了仿真，并完成了综合布局布线，最终下载到芯片Spartan3A

and

Spartan3AN上取得良好测试效果，圆满完成实验测试。

关键字：FPGA，VHDL，ISE，ModelSim软件，频率测量，数字频率计。提出问题：频率计是如何设计并运行的正文：一．利用数学公式进行误差分析1.直接测量法误差

从公式(1-1)可知，上述测频方法的测量误差，一方面决定于闸门时间T准不准，另一方面决定于计数器计得的数准不准。根据误差合成方法，从公式(1-1)可得:公式(4-2)中第一项是数字化仪器所特有的误差，而第二项是闸门时间的相对误差，这项误差决定于石英振荡器所提供的标准频率的准确度。现分述如下：2.

±1误差

在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，所以它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，在相同的主门开启时间内，计数器所计得的数却不一定相同，当主门开启时间T接近甚至等于被测信号周期Tx的整数倍N倍时，此项误差为最大，图

1-1

画出的就是这种情况。计算公式式中T为闸门时间，fx为被测频率。从公式(1-3)可知，不管计数值N多少，其最大误差总是±1个计数单位，故称“±1个字误差”，简称“±1误差”。而且fx一定时，增大闸门时间T，可减小±1误差对测频误差的影响。当T选定后，fx越低，则由±1误差产生的测频误差越大。3.

误差比较

与分析电子计数器测频时的误差类似，根据误差传递公式，并结合图

1-2可得：根据图

1-2

测周原理

所以,公式(1-5)可写成从公式(1-6)可见，测量周期时的误差表达式与测频的表达式形式相似，很明显Tx愈大(即被测频率愈低)，±1误差对测周精确度的影响就愈小。二．设计要求

目的：本次试验通过对数字频率计原理的掌握，利用已有的数字电路设计知识，配合相应的软件，如ISE软件的使用（设计输入、仿真、实现），了解可编程逻辑器件（FPGA）的一般情况，通过vhdl语言的描述来设计满足要求的数字频率计。并根据实验结果对误差的来源进行分析和计算。以此提高自己的系统设计能力。

指标：

1.被测输入信号：方波

2.测试频率范围为：10Hz～100MHz

3.量程分为三档：

第一档：闸门时间为1S时，最大读数为999.999KHz

第二档：闸门时间为0.1S时，最大读数为9999.99KHz

第三档：闸门时间为0.01S时，最大读数为99999.9KHz。

4.显示工作方式：

a、用六位BCD七段数码管显示读数。

b、采用记忆显示方法

c、实现对高位无意义零的消隐。1．原理图2．单元电路设计

1.分频模块

VHDL程序：

library

IEEE;

use

IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

use

IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

use

IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity

fenpinqi

is

Port

(

clk

:

in

STD_LOGIC;

clk10

:

out

STD_LOGIC;

clk100

:

out

STD_LOGIC;

clk1000

:

out

STD_LOGIC);

end

fenpinqi;architecture

Behavioral

of

fenpinqi

is

signal

counter2:Integer

range

1

to

2400000:=1;

signal

counter3:Integer

range

1

to

240000:=1;

signal

counter4:Integer

range

1

to

24000:=1;

signal

clk00:Std_Logic:='0';

signal

clk000:Std_Logic:='0';

signal

clk0000:Std_Logic:='0';

begin

PROCESS(clk)begin

IF

clk'event

and

clk='1'

THEN

IF

Counter2=2400000

then

counter2<=1;

clk00<=not

clk00;

else

counter2<=counter2+1;

end

if;

end

if;

end

process;

PROCESS(clk)begin

IF

clk'event

and

clk='1'

THEN

IF

Counter3=240000

then

counter3<=1;

clk000<=not

clk000;

else

counter3<=counter3+1;

end

if;

end

if;

end

process;

PROCESS(clk)begin

IF

clk'event

and

clk='1'

THEN

IF

Counter4=24000

then

counter4<=1;

clk0000<=not

clk0000;

else

counter4<=counter4+1;

end

if;

end

if;

end

process;

clk10<=clk00;

clk100<=clk000;clk1000<=clk0000;

end

Behavioral;生成符号：

本模块采用的是元器件调用，先写好fenpinqi

模块然后在主程序中调用，把其中的变量改作2400000、240000和24000即可分成1kHZ、100HZ和10HZ等

的方波信号，其中1kHZ信号用做后面的显示电路的扫描信号，分频器模块仿真波形如下：2.闸门选择器生成符号：通过拨码开关选择需要100HZ、10HZ或者1HZ

的信号来测量被测频率，当拨动开关为“011"时表示选择的是1HZ的测频信号、

“101”时输出为10HZ的测频信号、“110”时输出为100HZ的测频信号。

仿真波形如下：3．门控电路生成符号：本模块的作用是产生相应的门控信号计数器使能信号gate、计数器清零信号reset和锁存器锁存信号latch以实现对后面计数器和锁存器的控制。gate信号和reset信号以及latch信号均用时序逻辑来产生。

仿真波形如下：4．计数器本模块产生的10进制的计数器，通过级联产生0至999999的计数器。计数器符号如下总体符号：这样产生的是同步计数器，使用同样地时钟、同样地清零信号。前一级的输出carry输出至下一级的使能端上。输出端的进位作为溢出信号输出，加D触发器的目的是为了使溢出信号能够保存至下一个清零信号有效。从而能有足够的时间显示溢出。

十进制计数器仿真波形：5．锁存器

本模块是锁存器，用来存储计数器输出的数据和溢出信号，在latchin信号有效的时候开始锁存输入信号，同时前面锁存的信号也就被更新掉。以此实现所需功能。

锁存器仿真波形如下：6.数据选择器：生成符号：7.六进制计数器：生成符号：8.小数点控制器：小数点控制器仿真波形：9.译码器：生成符号：10.反相器，使能生成符号：显示控制电路，用1kHZ的信号产生6进制的计数器来控制小数点显示电路和数据选择器。6进制计数器送到3_8译码器输入端来控制位选，译码器用来把选择的数据译成7段码控制段选。三、设计实现

1

顶层设计

采用符号图方法，通过线连接起来就形成了顶层图。2管脚分配

管脚分配如下：

NET

"nCS"

LOC

=

D7;

NET

"DIG<0>"

LOC

=

F8;NET

"DIG<1>"

LOC

=

D8;

NET

"DIG<2>"

LOC

=

E7;NET

"SEG<0>"

LOC

=

A11;

NET

"SEG<1>"

LOC

=

B12;NET

"SEG<2>"

LOC

=

A12;

NET

"SEG<3>"

LOC

=

C12;

NET

"SEG<4>"

LOC

=

C13;

NET

"SEG<5>"

LOC

=

A13;NET

"SEG<6>"

LOC

=

B14;

NET

"dp"

LOC

=

C11;NET

"clk48MHz"

LOC

=

T8;

NET

"sel1"

LOC

=

M8;

NET

"sel10"

LOC

=

E6;

NET

"sel100"

LOC

=

F7;

NET

"f_x"

LOC

=

A14;

NET

"overout"

LOC

=

C10;

NET

"gateout"

LOC

=

A10;3下载过程：

双击Generate

Program

File，把未用的管脚置高，准备就绪后就可以运行Configure

Device，选择要下载的位文件（.bit）便可开始下载了。五、测试结果六．结论本实验主要利用VHDL语言完成基于FPGA的数字频率计的设计与实现。本实验利用ISE进行综合和利用ModelSim对设计进行了仿真，分析，并最终下载到Spartan3A

and

Spartan3AN系列芯片中，实现了对频率的测量。

基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制HYPERLINK"/detail.h