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1、基于MATLAB的数字频率计设计1绪论1.1本课题研究背景数字式频率计即DFM-Digital Frequency Meter，也称为数字频率表或电子计数器。它不仅是电子测量和仪器仪表专业领域中测量频率与周期、测量频率比和进行计算的重要仪器，而且要比示波器测频更方便、经济得多，特别是现代电子计数器产品与组件和具有多种测量功能的数字式频率计，已广泛应用于计算机系统，通讯广播设备，生产过程自动化测控装置、带有LED、LCD数字显示单元的多种仪器仪表以及诸多的科学技术领域。随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展， EDA技术是现代电子设计技术的核心，它应用工具软件上完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑
2、优化、及仿真测试等设计，以实现既定的硬件系统功能。EDA技术使设计者的产品开发周期大大缩短，产品的性价格比提高，从而在电子设计领域越来越广泛的应用。在电子信息技术的今天，对电信号的测量精度要求越来越高，大部分频率计采用普通门电路或可编程逻辑器件作为信号处理系统的控制核心，存在结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端。在大量的产品开发、研制和电子仪表生产与试验工作中，多是需要自行设计测频与计数电路的组件单元，有时不必购置上述贵重的专用测频计数仪器。1.2本课题研究现状随着科学技术的不断发展，对测试技术提出了一系列新的要求。60年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，结合电测技术创造出了完全新的
3、数字式仪表。它在测试方法、原理、仪器结构和操作方法上完全与前面所讲的模拟仪表不同，在质的方面也有很大的飞跃；70年代以来，把微型计算机的功能引入数字仪表，产生了新型智能化仪表，它具有程序控制、信息储存数据处理和自动检修功能，使数字仪表向高准确度、多功能、高可靠性和低价格方面大大迈进了一步。经查阅数字式频率计设计的许多有关文献，人们对数字式频率计有很多研究，但总不能得到一个比较满意的设计方法。其中提出了一种用多功能电子表改装的数字频率计，它以电子表为核心，通过各自的单元电路构成，采用普通元件如电阻、电容、三极管等，如图1-1为简易数字频率计的电路图。这种原始搭建电路的设计方法在如今已经没有人使用
4、了，它虽造价低廉，但稳定性就比较差，因此这种方法不能得到广泛使用1。多周期同步测盘法的基本思路是使被测信号与闸门之间实现同步化，从而从根本上消除了在闸门时间内对被测信号进行计数时的正负1量化误差，使测量精度大大提高。倒数计数器就是基于该方法而设计出来的一种具有创新思想的测频、测周期的仪器。它采用多周期同步测量法，即测量输入多个(整数个)周期值，再进行倒数运算而求得频率。其优点是：可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。在选择多周期同步等精度测量法的情况下。按照自顶向下的设计方法，可以画出该频率计的系统框图，如图1-2所示。根据测周期、频率的原理，可以将总体框图分为三个子系统：输人通道(
5、即前置整形电路)该部分主要由模拟电路组成的；多周期同步等精度频率、周期的测量、控制及功能切换(中间部分)，该部分基本上由数字硬件电路组成；单片机及外围电路，包括单片机、数码显示2。基于MSP430F449的数字频率计设计利用前置分频器SAB6456A和高速数字分频器74HC390的分频功能，结合新型的MSP430F449单片机，给出了一种新颖的、全自动的数显测量射频频率的设计方案。MSP430F449采用16位RISC结构，具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，性能价格比很高。它的特点包括：超低的功耗、较强的运算能力、丰富的片上外设、方便高效的开发环境。该设计主要分两部分：分频和
6、计数。首先，输入信号限幅后经SAB6456A分频，256分频后的信号再经两片74HC390高速分频器进行1000分频，此时模拟信号变为低频数字信号，频率在10kHz以下；其次，分频后的信号直接接入MSP430F449单片机，利用内部的16位定时器A来定时和计数。该定时器可分为几个部分：计数器部分，捕获和比较寄存器及输出单元。其中计数器有4种工作模式，3个捕获和比较寄存器。利用计数器的连续计数模式和上升沿捕获模式，在定时器中断中计数N个脉冲信号时间，再除N得到频率。设计电路框图如图1-3所示3。用VHDL硬件描述语言实现数字式频率计，相比传统的电路系统的设计方法，VHDL具有多层次描述系统硬件功
7、能的能力，支持自顶向下（Top to Down）和库（LibraryBased）的设计特点。从系统设计入手，在顶层进行系统方框图的划分和结构设计，在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述，并进行仿真和纠错，然后在系统级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，下载到具体的CPLD器件中去，从而实现可编程的专用集成电路的设计。频率计内部逻辑图如图1-4所示。但VHDL独特的语言程序也对于初学者来说有一定的难度4。1.3本文研究内容与方法本文在掌握数字频率计的基本原理基础上，通过MATLAB的Simulink交互式动态工具箱，设计出能广泛应用于仿真实验的数字式频率计，并成功
8、仿真调试出数字式频率计。频率测量范围在1HZ至1GHZ的频率计，误差小于1HZ，测量精准时间在5秒钟以下。2频率计原理2.1数字频率计的基本原理介绍频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其它信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒，闸门时间也可以大于或小于1秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其它周期性变化的信号5。从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求
9、，得到如图 2-1所示的电路框图。下面介绍框图中各部分的功能及实现方法（1）时钟源时钟源用来提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。它通常由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。然而在本课题中的时钟源有所不同，它是一个斜率为1的线性电压。（2）波形整形电路波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用施密特触发器进行整形。波形整形电路可以将输入的任何波形（包括正弦波、三角波、锯齿波等）整形为矩形脉冲波的输出波形，其输出频率与原来的相同，电压幅值横为1V。例如图2-2中，（a）为输入为100HZ的正弦波信号，经波形整形电路后，得到如图（b）中的脉冲波形，其频率与输入信
10、号完全相同。（3）建立计数器在本课题中，其计算频率的原理是先通过计算波形的周期，然后在通过求倒的方法得出频率。这里的计数器其实就是将时钟源信号与整形后的脉冲信号进行整合，得到一个如同阶梯的波形，其波形的横坐标为时间值，纵坐标为电压值。（4）求电压差值以脉冲周期信号的上升（或下降）沿为门控，截取在时钟源信号上的差值U，这个差值其实就是脉冲信号的周期T，即待测信号的周期。（5）计算频率将上面计算出的电压差值U，也就是待测信号的周期T，可以通过周期求倒数，就可以得到待测信号的频率F，即F=1T。（6）确定信号为周期信号确定周期信号是否标准的周期信号，将上述的阶梯形信号再次通过信号的整形，若阶梯形信号
11、为标准的周期变化，其输出就恒为1，否则就输出为0。（7）数值显示将计算是的频率与确定的周期信号的值相乘，得到最终的值，在显示模块上显示出待测信号的周期。2.2本章小结本章节主要介绍数字式频率计的原理，以及本文设计数字式频率计的流程框图，从信号的接收到最后输出显示结果的全过程，以及每个过程中的作用和工作状态等。了解到了频率计的过程以后，对后面的频率计设计有基础性的作用。3 MATLAB简介3.1 MATLAB概述MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数
12、据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C语言，FORTRAN语言等其它语言简捷得多。当前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎，除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改
13、或加入自己编写程序构造新的专用工具包16。3.2 MATLAB产生的历史背景在70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期，身为美国 New Mexico大学计算机系系主任的Cleve Moler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学
14、生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵(matrix)和实验室(labotatory)两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。1983年春天，Cleve Moler到Standford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师John Little.John Little敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。同年，他和Cleve Moler，Steve Bangert一起用C语言开发了第二代专业版。这一代的MATLAB语言同时
15、具备了数值计算和数据图示化的功能。1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类：一类是数值计算型软件，如MATLAB，Xmath，Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，Mathematica，Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精确解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算，文字处理，可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科，多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争， MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位。在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最
