cpld数字频率计综合设计

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1、计数式数字频率计的CPLD实现21目录一、概述4二、题目要求5三、设计方案的选择53.1频率测量方案比较63.1.1直接测量法63.1.2组合测频法63.1.3倍频法63.2.1直接测量误差73.2.2标准频率误差83.2.3脉冲宽度测量理论误差分析8四、单元电路设计84.1整波电路模块84.2计数模块94.3脉冲测量模块94.4数据变换模块104.5量程选择模块104.6译码模块10五、方案的实现11六、测试和调试126.1硬件调试12216.2硬件测试126.3测试数据记录表166.4测量结果分析17七、实验元器件清单17八、实验程

2、序17九、结束语25参考文献2521计数式数字频率计的CPLD实现一、概述数字频率计是数字电路中的一个典型应用，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。实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用AHDL语言，将使整个系统大大简化，提高整体的性能和可靠性。采用ADHL编程设计实现的数字频率计，除被测信号的整形部分、键输入部分和数码显示部分以外，其余全部在一片CPLD芯片上实现，整个系统非常精简

3、。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有高速、精确、可靠和抗干扰性强等优点。本文用AHDL在CPLD器件上实现一种8位数字频率计测频系统，能够用十进制数码显示被测信号的频率，不仅能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率，而且还能对其他多种物理量进行测量。具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。二、题目要求基本要求：测量频率范围：100Hz~100MHz，测量相对误差：≤1%；测量信号：方波峰峰值3~5V(与TTL兼容)，闸门时间：1s；显示控制：静态8位七段LED显示，且要求显示稳定，刷新时

4、间与闸门时间相同。提高要求：测量频率范围：100Hz~100MHz和1Hz~1MHz两档，相应的闸门时间为1s和100ms，用一开关量选择控制。显示控制：动态扫描8位七段LED显示，且要求显示无闪烁，内容刷新时间与闸门时间相同。三、设计方案的选根据频率计的设计要求，电路系统可划分为几个基本模块，如图1.1所示计数方式频率输出被测信号脉冲宽度测量电路译码器数据转换21显示器量程1HZ~1MHZ和100HZ~100MHZ由开关K选择图1.1频率计组成模块框图3.1频率测量方案比较3.1.1直接测量法大家都知道，如果根据基本原理实现对频率的数

5、字化测量，是一种直接测量的手段，这种方法比较简单，如果能满足设计要求的话，应该作为首要的选择方案。下面我们简单分析一下使用该方法是否能满足设计要求，把被测频率信号经脉冲整形电路处理后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间T(以秒计)内，被计数的脉冲送到十进制计数器进行计数。设计数器的值为N，则可以得到被测信号频率为f=N/T，经过对照数字化直接测量频率的原理我们可以发现，本测量在低频率段的相对测量误差较大，即在低频率段不能满足本设计的要求。3.1.2组合测频法是指在高频时采用直接测量法，低频时采用直接测量周期法测信号的周期，然后换算成

6、频率。这种方法可以在一定程度上弥补方法(1)的不足，但是难以确定最佳分测点，而且电路实现比较复杂。3.1.3倍频法是指把频率测量范围分成多个频率段，使用倍频技术，根据频率段设置倍频系数，将经过整形的低频信号进行倍频后再进行测量，对高频率段则直接进行测量，倍频法比较难以实现。经过分析我们选择第二种方法测量，在1HZ~1MHZ量程上采用直接测量周期法测信号的周期，然后换算成频率，在100HZ~100MHZ量程上采用直接测量法。3.2理论误差分析3.2.1直接测量误差若所测频率值为fx,被测频率的真实值为fxe,标准频率为fs,在一次测量中,

7、预置门时间为Tpr,被测信号计数值为Nx,标准频率信号计数值为Nx.21由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的,因此在Tpr时间内对fx的计数Nx无误差,在此时间内的计数Ns最多相差一个脉冲,即∆et≤1,则下式成立:fx/Nx=fs/Ns----------(式3.1)fxe/Nx=fs/(Ns+∆et)----------(式3.2)可以分别推得fx=fsNx/Ns----------(式3.3)fxe=fsNx/(Ns+∆et)----------(式3.4)根据相对误差公式有

8、δ

9、=∆fxe/fxe=(fxe-fx)/

10、fxe----------(式3.5)经过整理可以得到∆fxe/fxe=∆et/Ns----------(式3.6)因为∆et≤1,故∆et/Ns≤1/Ns,即∆et/Ns≤1/NsNs=Tprfs----