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1、 基于CPLD和单片机的频率测量计的设计毕业论文目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 频率计基础知识11.1.1 对灵敏度和准确度的要求11.1.2 测量仪器的准确度的选择21.1.3 微波计数器的使用21.2 技术背景与发展趋势31.3 EDA技术的发展与其应用41.4 单片机概论51.5 频率计的设计容和意义62 设计理论基础82.1 CPLD/FPGA 设计意义82.1.1 EDA82.1.2 CPLD(复杂可编程逻辑器件)82.1.3 FPGA（现场可编程门阵列）92.1.4 FPGA和CPLD的选择92.2 频率测量原理92.2.1 频率测量102.2.2 周期测量102.
2、2.3 等精度测频法112.3 方案设计132.3.1 基于单片机的方案132.3.2 基于CPLD/FPGA和单片机相结合的方案142.3.3 方案论证与选择153 单元模块设计163.1 系统组成163.2 键控制模块173.2.1 串行输出移位寄存器（74LS165）173.2.2 键盘电路183.3 显示模块193.3.1 显示电路设计193.3.2 74LS164(串入并出移位寄存器)213.4 电源模块213.5 输入信号整形模块223.5.1 信号整形电路223.5.2 施密特触发器233.6 单片机主控模块243.6.1 AT89C51单片机性能243.6.2 单片机控制电路3
3、13.7 测频模块的工作原理与设计323.7.1 CPLD的结构与功能介绍323.7.2 CPLD引脚分布333.7.3 CPLD模块逻辑设计343-8 其它电路354 软件设计364.1 MAS+plus概述364.2 MAX+plus使用VHDL实现系统功能的全过程364.2.1 电子系统的设计方法364.2.2 “自顶向下”与“自底向上”的设计方法374.2.3 VHDL语言简介394.2.4 频率计的VHDL设计394.3 CPLD模块仿真414.4 下载验证414.5 单片机的汇编语言编程424.5.1 单片机主程序424.5.2 测频子程序434.5.3 显示子程序444.5.4
4、键盘扫描子程序454.5.5 时间值输入子程序464.5.6 延时子程序465 误差分析476 社会效益与经济效益分析49结论50参考文献51附录52附录单片机控制程序清单52附录元器件清单63附录电路原理图64附录程序流程图65 / 1 绪论1.1 频率计基础知识电子计数器是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算器的技术水平，决定电子计数器价格高低的主要依据。目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。 随着科学技术的发展，用户对电子计数
5、器也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品， 则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。在测试通讯、微波器件或产品时，常常需要测量 频率，通常这些都 是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测量不同类型的信号，必须
6、了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成计数任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的 计数器性能和价格会有所差别，因此需要根据其附加特性或价格来慎重选择。1.1.1 对灵敏度和准确度的要求为了测量微波频率， 频率计必须在测量频率点上有足够的灵敏度，因为有些仪器的实际性能比说明书给出的指标要好些，这样当测量临界信号时才可能有更多的灵活性。例如，微波计数器说明书给出在20gHZ时灵敏度为-25dbm，那么完全可以成功地用来测量该频率点上-30d
7、bm的信号。当然，如果计数器的额定最高频率为18gHZ，那么由于计数器电路不能工作在18gHZ以上，你甚至不能用它测量在20gHZ上0dbm的信号。因此，如果要做精确的测量，一定要保证被测信号的频率和幅度在测量仪器的指标围之。说明书上的测试性能指标给出了测量仪器的“准确度”和“分辨率”。准确度指标说明仪器的读数接近实际信号频率的程度；而分辨率指标说明多么小的频率变化可能在仪器上显示出来。假如需要在15gHZ有1HZ的分辨率，仪器必须至少显示11位数。高分辨率可以快速测出更小的漂移值和不稳定值，但这时的读数不能完全代表仪器的准确度。1.1.2 测量仪器的准确度的选择仪器的频率测量准确度取决于时基
8、。大多数仪器使用的10mHZ参考振荡器具有10-7或 10-8的频率准确度和稳定度。高分辨率比高精度更容易实现，因为增加显示位数比制造更稳定的振荡参考源要容易的多。为了提高仪器的测量准确度和稳定度，可以购买一个具有小型恒温槽的参考振荡器作为时间基准。好的恒温槽温度可以稳定到零点几度，这样就可以保证在外部温度变化时振荡器的频率变化相当小。当然，仪器的固有准确度取决于制造的精度以与校准实验室对时基振荡器的校正；准确度主要取决于晶振的热稳定性，而与老化关系不大。通过使用铯束频率标准或gps信号作为一个参考频率源送入整个系统的所有仪器，可最大限度地提高频率测量准确度，这样在测量仪器中就不需要有精确的时
9、基而可以达到10-12到10-14的频率测量准确度，也就是说，可以达到比仪器最高分辨率高得多的频率测量准确度。可能影响计数器选择和应用的还有另外几个值得考虑的特性，如：采样时间、测量速度和跟踪速度，这些特性可能影响测量结果的准确与对结果的与时处理。1.1.3 微波计数器的使用如果要测量的信号中有噪声、 谐波或寄生分量， 尽量不要使用微波计数器。在选择测量仪器之前必须了解待测信号的所有特性， 附非肯定待测信号是纯净（无噪声干扰）、平稳、单一频率成分，否则应该在制订测试方案前用频谱分析仪先观测待测信号中的干扰信号与噪声电平，然后看计数器的性能是否能允许这些干扰并仍能成功地完成频率的测量。例如：当前
10、出现的干扰信号比被测信号至少大6db时，计数器测得的是这个干扰信号，这就导致了错误的测量结果。一般来说，对干扰信号和噪声可以使用计数器的附件来抑制。如果被测频率变化小于百分之几，可以考虑在计数器输入端安装一个滤波器，以抑制不需要的信号（图1）。如果需要测量的几个信号的频率值相差很大，可以使用可调带通滤波器或高通、低通滤波器依次测量每一个信号的频率。这样可以避免一直占用频谱分析仪，因为频谱仪的价格可能是那些附件价格的1020 倍。 如果知道待测信号的大概频率（a），就可以用滤波器抑制已知的干扰信号(b)，而在计数器量程之外的其他信号（c）或低电平信号(d)不会对待测信号的频率测量产生干扰。图1-
11、1Fig.1-1在某些特殊的测试场合，可能需要其它附件，比如用一个射频放大器来放大低电平的信号，或通过一个外接的混频器来测量超出计数器测量围的频率，当然，有些计数器能够直接测量100gHZ以上的频率。在机动车的防撞雷达和低功率通讯中继站就需要这种性能的频率计来测量。还有些计数器可以测量信号电平、周期、脉宽和脉冲频率，选择这样的计数器可以使测试方案中使用的测试仪器更少。由于微电子技术和计算机技术的发展，微波频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率围不断扩大，功能不断地增加。一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示；对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需
12、要正确地选择，以达到最经济和最正确的应用效果。1.2 技术背景与发展趋势当今，单片微型计算机技术迅速发展，由单片机技术开发的计数设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。企业迫切需要大量熟练掌握单片机技术并能开发、应用和维护管理这些智能化产品的高级工程技术人才。单片机以体积小、功能强、可靠性高、性能价格比高等特点，已成为实现工业生产技术进步和开发机电一体化和智能化测控产品的重要手段。由于微电子技术和计算机技术的发展，数字频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率围不断扩大，功能不断地增加。同时随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于低档产品
13、要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品， 则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。1.3 EDA技术的发展与其应用21世纪人类将全面进入信息化社会对微电子信息技术和微电子VLSI基础技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。而集成电路(IC)技术在微电子领域占有
14、重要的地位。伴随IC技术的发展，电子设计自动化(Electronic Design Automation EDA)已经逐渐成为重要设计手段，其广泛用于模拟与数字电路系统等许多领域。20世纪末，数字电子技术得到了飞速发展，有力地推动和促进了社会生产力的发展和社会信息化的提高，数字电子技术的应用已经渗透到人类生活的各个方面。从计算机到手机，从数字到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化到航天技术，都尽可能采用了数字电子技术。微电子技术，即大规模集成电路加工技术的进步是现在数字电子技术发展的基础。目前，在硅片单位面积上集成的晶体管数量越来越多，1978年推出的8086微处理器芯片集成的晶体管数
15、是4万只，到2000年推出的Pentium4微处理器芯片的集成度达4200万只晶体管。原来需要成千上万只电子元器件组成的一台计算机主扳或彩色电视机电路，而现在仅用几片超大规模集成电路就可以代替，现代集成电路已经能够实现单片电子系统SOC(System On a Chip)的功能。现代电子设计技术的核心是EDA(Electronic Design Automation)技术。EDA技术就是依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编辑、化简、分割、综合、优化、和仿真直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片中实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工
