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1、题 目智 能 化 频 率 测 量 技 术 的 研 究TitleThe research of intelligent frequency measure technique摘 要频率是电子测量技术领域中的一个最基本参量，因此频率测量技术有着极其重要的作用，它在工业、农业、航天、军事等各个领域有着广泛的应用。近年来随着光电技术的飞速发展，利用光电测频的方法更被人们重视起来。本文论述了基于虚拟仪器的数字式自校准光照度计的系统组成、基本工作原理。还讨论了利用MCS-51单片机进行智能控制的基本方法，使光电测频实现智能化。文中还对光电测频的基本机理、接口方式和控制程序进行了具体介绍，尤其重点讲述了基于
2、FPGA的高速高精度测频方法的研究。以FPGA为核心的高速高精度的频率测量，不同于常用测频法和测周期法，不仅消除了直接测频方法中对测量频率需要采用分段测试的局限，而且在整个测试频段内能够保持高精度不变。又由于采用FPGA芯片来实现频率测量，因而具有高集成度、高速和高可靠性的特点。此系统经调试后能自动显示测量的光照度值和所测频率，实现了光电测频的自动化和智能化，对于实际应用意义重大。关键词： 照度计 FPGA 自校准ABSTRACTFrequency is a basic parameter in electronic measurement, for this reason frequency
3、 measure technique has got very important function, it have got extensive application in the industry, agriculture, aviation and military realm.Photoelectricity technique has been developed very fast in recent years, so the frequency measure with photoelectricity technique were valued by people. Thi
4、s text discusses a form of illuminometer of numerical shape and automatic calibration and working principle. At a time, it gives a control way using MCS-51 single Microcontrollor, Which make the frequency measure with photoelectricity to be intelligent.This paper also give the basic principal, inter
5、face manner and control procedures of the frequency measure with photoelectricity, particularly discuses a new method of super-speed high accuracy frequency measures according to the FPGA. The super-speed high accuracy frequency measure with FPGA is different from common method of frequency measure
6、and period method, it not only dissolves the demand of section testing in the directly frequency measure, but also keeps high accuracy in the whole test. Again because of adoption FPGA to realize the frequency measure, it has high gathering degree, high speed and high dependability. This system afte
7、r adjust can show automatically that the measured light shines and the frequency measured, it realizes the automation and intelligence in the frequency measure with photoelectricity, it is important for the actual application.Key words: illuminometer FPGA automatic calibration目 录摘要ABSTRACT目录第一章 绪 论1
8、第二章 计数式测频电路的基本原理22.1频率测量电路基本组成22.2直接计数式测频电路的测量原理及误差分析32.3倒数计数式计频电路的测量原理5第三章 自校准光照度计的基本原理7第四章 基于FPGA的高速高精度频率测量的研究94.1 测频原理及误差分析94.2 硬件设计12第五章 光照度计与计算机接口15第六章 数字式自校准光照度计的单片机控制176.1 系统组成176.2 8253的自校准测量接口176.3关于ALE信号186.4 显示器与键盘19第七章 软件设计20第八章 基于虚拟仪器的光照度计22结 论24致 谢25参考文献26第一章 绪 论频率的测量是现代科学技术中不可忽视的一环，如何
9、能更好的测定频率是人们一直在探讨的话题，测频的方法也多种多样，常用的直接测频方法在实用中有较大的局限性，其测量精度随着被测信号频率的下降而降低，并且对被测信号的计数要产生1个数字误差。而采用等精度频率测量方法具有测量精度高，测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化的优点。近年来随着光电技术的飞速发展，利用光电测频的方法更被人们重视起来。照度通常用于光度测量和照相技术。常见的照度计所采用的器件是光电池。在实际制作时，为了使其符合人的视觉灵敏度，通常对光信号还要进行一定的光学处理。当光线照射到光电池表面时，光电池把入射照度按一定比例转变为电流，使联结在电路内的电流表指针发生偏转，这样即可读出相应
10、的光照度值。这种模拟量的照度计结构比较简单，精确度不高，要求光学系统和光电处理电路的性能必须十分稳定，否则，将引起测量上的误差。本文论述了基于虚拟仪器的数字式自校准光照度计的系统组成、基本工作原理, 还讨论了利用MCS-51单片机进行智能控制的基本方法，使光电测频实现智能化。文中重点讨论了利用现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)进行高速高精度测频的方法，FPGA具有集成度高、高速和高可靠性的特点，使频率的测频范围可达到01Hz100MHz，测频全域相对误差恒为11000000。下面论述对光照度信号进行数字化处理的可行性方案，以及利用光照度计和F
11、PGA芯片进行等精度测频的讨论，同时充分利用单片机体积小、控制功能强的特点，实现了对光照度的自动校准和自动测量，最后讨论了利用虚拟仪器对本系统的模拟。第二章 计数式测频电路的基本原理计数式测频电路的基本原理是将频率实行A/D转换，然后把数字量脉冲的个数，进行数字计数，最后把计数结果，以单位时间内脉冲个数之量值，用数字显示器直接显示出来。2.1频率测量电路的基本组成频率测量电路的最基本的五大部分是：输入通道、主门、计数和显示、闸门时间产生电路以及控制电路。如图2-1图2-1 计频电路的基本组成输入通道的作用是接受被测信号，并对被测信号进行放大和整形，通过电平转换后，产生TTL电平的矩形脉冲，然后
12、送往主门。主门（又称闸门）在频率计数过程中，是实现量化的比较电路。有了主门才能进行频率的量化比较，实现频率的数字转换。计数显示电路的任务是来自主门的脉冲进行计数，并将计数结果以数字形式显示出来。闸门时间产生电路是为数字式计频电路提供比较法进行测量，也就是将被测信号与一系列的标准时间信号进行比较。控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的互作，使各部分电路按一定的规律有条不紊的自动完成整体互作。2.2直接计数式测频电路的测量原理及误差分析直接计数式测频电路的测量原理：频率是指单位时间内震动的次数。从测量的角度看，及在标准的时间内，测得被测信号的脉冲数。其测量频率的方框图如图2-2所示。
13、图2-2 直接计数式测频电路的原理图被测信号fx送入A通道，经放大整形后，使每个周期形成一个脉冲，这些脉冲加到主门的A输入端；闸门时间产生电路输出的门控信号，加到主门的B输入端。在主门开启时间内，脉冲信号通过主门，进入计数器。则计数器计得的数就是要测的频率值。如果主门开启时间为T秒，计数器累计的数字为N，则被测的频率fx为： (2-1)主门启闭时间又称闸门时间。显然对某一被测频率fx而言，选用的闸门时间愈长，所测得数字N也愈大。由（2-1）式可得： (2-2)可见频率的测量，实质上是把被测频率fx与作为量化单位的标准频率（闸门时间T）f进行比较，得到整数量化的数字N。频率测量的误差分析：由式（
14、2-1）可知测频电路的原理，是严格按公式进行的。所以由N 和T两个变量而决定频率fx。根据误差理论中的相对误差公式有： (2-3)当t0且T=NTx时，排在闸门信号T两端的两个被测脉冲信号，可能同时进入主门，则计得的数值为N+1；但这两个脉冲也可能同时被排挤在主门外，这样记得的数值为N-1。可见，最大的计数误差为： N=1 （2-4）又因：，所以（23）式中的第一项可写成： (2-5)式中：T为闸门时间。fx为被测频率。从（2-4）式可知，计数式测频电路不管计得的数字多大，它的最大误差总是1个计数单位，即1误差。且当被测频率fx一定时，其值与闸门时间T成反比。由于采用了石英晶体探头作为膜厚控制，由2-2理论分析可知：晶体的基频越高，控制的灵敏度也越高，但基频过高时，晶体会做得太薄，太薄的晶体片易碎。所以选用的晶
