基于CPLD的数字频率计的设计

基于CPLD的数字频率计的设计摘要频率是电子技术中最基本的参数之一，与其他电参量的测量方案及结果关系非常密切。其中数字频率计在各方面领域都有很广泛的运用，随着科技的发展与生活的提高，数字频率计的需求也将大大提升。目前直接测频方法有两种：测频法和测周期法。测频法是在确定的时间Tw内,记录被测信号的变化周期数Nx，则测得的频率为：fx=Nx/Tw。测周期法需有标准信号频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数。则测得的频率为：fx=fs/Ns。本课题主要选择以CPLD为核心器件，VHDL为编程语言，采用测频法设计一个简单实用的数字频率计，以计数器、译码器为核心，由内部分频输入信号、信息锁存、数字显示等功能模块组成，可以实现简单的频率测量。关键词CPLD，频率计，计数，仿真波形ABSTRACTFrequencyofelectronictechnologyinoneofthemostbasicparameters,andotherelectricalparametersandresultsofthemeasurementschemeveryclosely.Inwhichallaspectsofdigitalfrequencymeterinthefieldhaveaverywidelyused,withthedevelopmentoftechnologyandlifeimproved,thedemandfordigitalfrequencymeterwillalsobegreatlyenhanced.Directmeasurementofthecurrentfrequencyintwoways:frequencymeasurementmethodandtestcyclemethod.FrequencymeasurementmethodisindeterminingthetimeTw,therecordnumberofcyclesthesignalchangesinNx,thenthemeasuredfrequencyis:fx=Nx/Tw.Theneedforstandardtestcycleapproachsignalfrequencyfs,acycleintheTxsignalundertest,Therecordednumberofcyclesthestandardfrequency.Themeasuredfrequencyis:fx=fs/Ns.ThemainsubjectchosenasthecoredeviceCPLD,VHDLasaprogramminglanguage,frequencymeasurementmethodusingasimpleandpracticaldesignofdigitalfrequencymetertocounter,decodercore,fromtheinnerpartofthefrequencyoftheinputsignal,theinformationislatched,figuresshowotherfunctionalmodules,asimplefrequencymeasurementcanbeachieved.KeyWords：CPLDFrequencyCounterCountSimulationwaveform目录一、绪论............................................................11.1课题背景及其意义..................................................11.1.1设计背景......................................................11.1.2设计目标......................................................11.1.3设计意义......................................................11.2设计思路..........................................................21.2.1软件方面......................................................21.2.2硬件方面......................................................21.3数字频率计的发展..................................................21.3.1数字频率计的分类...............................................31.4数字频率计的相关概念..............................................51.5数字频率计实现的主要方法..........................................6二、设计内容...........................................................7三、设计方案步骤......................................................83.1信号输入..........................................................83.2时基控制模块......................................................83.3分频器模块........................................................93.4计数器模块........................................................93.5锁存器模块.......................................................103.6译码器模块.......................................................113.7调试.............................................................113.7.1软件调试.....................................................113.7.2硬件调试.....................................................12四、设计总结..........................................................13五、参考文献..........................................................14六、附录...........................................................156.1附录1总电路图.................................................156.2附录2程序代码.................................................166.2.1时基控制模块程序代码...........................................166.2.2分频器模块程序代码............................................176.2.3计数器模块程序代码............................................196.2.4锁存器模块程序代码............................................206.2.5译码器模块程序代码............................................216.2.6顶层文件程序代码..............................................216.3附录3实物图...................................................23七、答谢...........................................................231一、绪论1.1课题背景及其意义1.1.1设计背景转眼间大学的学习生涯即将结束，为了检验对这四年所学知识掌握运用的程度，针对电子信息专业课程的要求，培养出能利用所学理论知识与实践相结合，能独立思考，锻炼动手等方面的能力，基于个人爱好及所掌握的知识，本设计选择基于CPLD的数字频率计的设计。1.1.2设计目标（1）频率测量范围：1——9999Hz。（2）输入被测信号幅度Vi100mV。（3）测量1s时间内的脉冲数。（4）测量误差5%。1.1.3设计意义因电子技术的飞跃发展，由分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已开始渐渐被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动测量、控制、显示电路广泛应用于各类电子产品和设备。数字系统、设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。数字频率计便是其中一员，在通信测量设备系统中它是必2不可少的测量仪器，可用于测量各种波形的频率，在生产应用中可以测量产品的数量等，总之数字频率计的应用离不开我们的生活。1.2设计思路1.2.1软件方面通过Quartus错误!未找到引用源。设计与仿真的方法，设计各个模块方案，编出适合的程序，软件仿真通过后，与硬件电路连接起来，不断编译与调试，直到软硬件资源能配合起来为止。重点研究在于设计出合理的方案。1.2.2硬件方面以CPLD芯片EPM240为核心与数码管显示器共同搭建完整的硬件电路，通过下载已调试好的程序到硬件电路中，实现对输入信号频率的测量。1.3数字频率计的发展从传统的电子测量仪器来看，示波器用于频率测量得出的测量精度比较低，误差也比较大。频谱仪能准确的测量被测信号频率并显示它的频谱，但其测量速度比较慢，不能实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。与此相比，频率计能够快速的、准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有广泛的应用范围。在生产制造企业中，频率计广泛的应用于生产线的生产测试中。它能快速捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，所以通过频率计的测量，可以准确迅3速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量安全。在计量实验室中，频率计用于对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试领域中，频率计既可以用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，也可以用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。得益于大规模、超大规模数字集成电路技术、数据通信技术以及单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的崭新阶段。其功能得到了进一步的扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。1.3.1数字频率计的分类目前数字频率计的种类很多，其功能和用途也很广，所以按照仪器的功能划分可分为通用型与专用型。按频率段分类可分为低、中、高和微波频率计之分。（1）按功能分类如表1-1所示：表1-1功能分类4通用型是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相应插件