低频数字相位(频率)测量的CPLD实现[1].pdf

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1、低频数字相位(频率)测量的CPLD实现陈明杰（重庆工商大学计算机与信息工程学院，重庆400067）摘要：以单片机和CPLD为核心，设计了低频相位（频率）检测系统。系统由CPLD相位频率测量模块、单片机和显示模块三个部分组成。利用VHDL语言设计了高速的测频测相模块，并下载到CPLD中，通过与单片机的独立接口，将测量到的数据传送到单片机中，由单片机完成计算和显示的功能。重点介绍了测频测相系统原理框图，CPLD中的测频测相模块原理框图，简要介绍了单片机控制程序、计算程序。采用CPLD配合单片机的设计方案，具有造价较低、速度高、精度高的优点，并且可以通过软件下载而达到仪器硬件升级的

2、目的。关键词：频率测量；相位测量；CPLD；单片机中图分类号：TP216.1文献标识码：A在电子测量技术中，测频测相是最基本的测量之一。相位测量仪是电子领域的常用仪器，当前测频测相主要是运用等精度测频、PLL锁相环测相的方法。研究发现，等精度测频法具有在整个测频范围内保持恒定的高精度的特点，但是该原理不能用于测量相位。PLL锁相环测相可以实现等精度测相，但电路调试较复杂。因此，选择直接测相法作为低频测相仪的测试方[1、2、3、4]法。设计的低频测相仪，满足以下的技术指标：a.频率20-20KHz；b.输入阻抗≥100KΩ；c.相位测量绝对误差≤1度；d.具有频率测量和数字显示

3、功能；e.显示相位读数为0度--359度。1系统工作原理rightAclrP0,P2xcout[7..0]]单显BCPLD片示Add07128机板控制线Add1CLKAdd2图1测频测相系统原理框图Figure1frameofmeasurefrequencyphasesystem系统工作原理如图1所示，系统运行时，首先由单片机通过clr控制线送清零信号，启动CPLD的计数模块，在设计的CPLD内部控制模块作用下，记录AB两相的相差间隔时间内的标频个数（测相计数器），同时也记录下A相一个周期内的标频个数（测频计数器），此后测频和测相计数器处于保持状态，同时送出right信号表明

4、完成测频测相的计数，单片机可以读数据。单片机和CPLD的数据采用独立接口方式，这样设计比较灵活，可以不受单片机总线时序的影响。由ADD[0..2]进行控制，分别读取测频测相计数器中的19位数据，并存于单片机中，进行后续的计算。单片机完成数据的运算后，将所得数据转化为10进制，送到显示板进行显示。显示板共有8个数码管，其中，前5位用于显示频率（最大为20000Hz）,后三位显示相位（最大为359度）。在CPLD设计中，根据计算，选取测频、测相计数器长度均为19位，在标频信号为10MHz时，相位测量精度小于1度。若只用89C51，其自带的计数器只有16位，且不易同时实现测频测相的

5、功能。故选用CPLD实现其测频测相的计数功能，并设计了独立的数据接口，以便与单片机[5、6]交换数据。2CPLD测频测相模块工作原理如图2所示，利用VHDL语言设计了完成测频测相计数功能的数字芯片。整个芯片由测频ADD[0..2]A测频计数器数据选择器xcout[7..0]A控制部分BrightclrB测相计数器clkA测试用分频器faoutBfbout图2CPLD测频测相内部原理框图Figure2frameofmeasurefrequencyphaseusingCPLD计数器、测相计数器、控制部分、数据选择器和测试用分频器5个部分组成。控制部分主要是利用状态机原理，设计了检

6、测一个测频周期的控制电路。在clr信号为高时，启动测频测相计数器，此时，状态机处于计数工作状态；当A相第一个上升沿到来时，测频测相计数器同时启动，开始计数；当B相第一个上升沿到来时，控制部分控制测相计数器停止计数；当A相第二个上升沿到来时，控制部分控制测频计数器停止计数，同时送出计数完成信号right；此后测频测相计数器处于保持状态。单片机读数时，通过设置add[0..2]数据选择器的地址选通端，依次送出测频计数器中的19位数据，8位一组，从xcout[0..7]端口送出，单片机需分3次读完测频计数器中的19位数据，数据选通端设置为001，010，011；同理，单片机也需分3

7、次读完测相计数器中的19位数据，数据选通端设置为100，101，110。为了测试方便，设计了测试用分频器，该分频器系数可以在VHDL源程序中改动，如为1000，则将测试时用的标频信号10M进行1000分频，分频后频率为10KHz，正好处于20-20KHz范围内。3单片机程序如图3所示，系统上电后，首先由单片机送出清零信号，启动CPLD中的测频测相计数器，CPLD进行测频测相的计数，单片机查询到right=1，则表明计数器完成计数工作，开始读取CPLD中的数据。否则，就等待。单片机通过控制CPLD中数据选