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1、山东理工大学 毕业设计（论文）题 目：基于CPLD的频率计设计学 院： 电气与电子工程学院专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号: 指导教师： 毕业设计（论文）时间：二一三 年 2月 20日 6 月8日 共 16 周5 摘要频率检测是电子领域里最基本的测量，也是最重要的测量。由于频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以得到相对较高的测量精度，因此频率测量方法的研究也受到越来越多的关注。基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，本次设计中共提出了四种设计方案，通过论证最终决定用等精度的测量方法来完成本次频率计的设计。 在本次设计中选择AT89C51单片机和CPLD的结合来实
2、现。其中单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出;CPLD主要完成频率测量功能，频率的测量范围在1HZ1MHZ之间，其中测量误差在1HZ;键盘信号由AT89C51单片机进行处理，它从CPLD读回计数数据并进行运算，向显示电路输出测量结果;显示器电路采用5段LED动态显示，由1个74HC138译码器和74HC573锁存器驱动5个数码管。关键词: 频率计，EDA技术，CPLD，单片机，等精度测量AbstractFrequency detection is the most basic in the electronics field measurement, which is the
3、most important measurement. Due to frequency signal transmission, strong anti-jamming capability, easy can get relatively high measurement precision, so frequency measurement methods of research have also been more and more attention. Based on the traditional principle of frequency meter frequency m
4、easurement accuracy will be along with the decline of the measured signal frequency is reduced, the design of the communist party of China puts forward four kinds of design scheme, through the argument finally decided to use equal precision measurement method to complete the design of frequency mete
5、r.In this design choose the combination of the AT89C51 single-chip microcomputer and CPLD to implement. The single-chip microcomputer control, the entire measurement circuit test data processing and display output; CPLD main complete frequency measurement function, frequency of measurement range bet
6、ween 1 hz to 1 MHZ, which measurement error in 1 hz; Keyboard signals are processed using single-chip computer AT89C51, it read back from CPLD count data and calculation, the measurement results to display circuit output; 5 LED dynamic display, display circuit used by 1, 74 hc138 decoder and 74 hc57
7、3 latch drive five digital tube.Key Words: frequency meter, EDA technologythe, CPLD and single chip microcomputer, such as precision measurement目录摘要IAbstractII第一章 概述1第二章 系统设计方案与论证22.1 测量原理32.1.1 直接测频法32.1.2 测周期法42.1.3 倍频法42.1.4 等精度测频法42.2 系统设计指标62.3 系统总体设计框图6第三章 硬件电路设计83.1系统的组成83.2 系统的基本工作方式93.3 CPL
8、D测频专用模块93.3.1 CPLD的结构与功能介绍93.3.2 CPLD测频专用模块逻辑设计103.3.2.1测频/测周期的实现113.3.2.2控制部件设计113.3.2.3计数部件设计123.3.2.4脉冲宽度测量和占空比测量模块设计123.4 单片机主控模块硬件电路设计133.4.1 AT89C51单片机133.4.3七段LED数码管183.4.4 74HC573锁存器193.4.5 单片机与LED显示模块的设计19第四章 单片机控制与运算程序的设计224.1程序流程图及相关程序22结 论28参考文献29致 谢30第一章 概述测频一直以来都是电子和通讯系统工作的重要手段也是重要内容。在
9、生活中，频率的测量随处可见，每天都在接触，并且可以直接或间接地根据测量频率来获取我们想要得到的信息。因此频率的测量就显得非常重要了，使用较高精度的方法来测量频率就更加重要了。比如在我们的日常生活中最常见设备时钟就是频率测量的应用，根据测量频率来计算时间，我们在科研中常用的GPS设备通过测量频率也在进行GPS点与GPS卫星距离的计算，从而计算出GPS坐标。测量频率的方法大约可分直接频率测量法与间接频率测量法。直接测频法常常使用测频率法与测周期法。然而测频率法与测周期法计数值都会出现正负1 个字的误差。而以中界频率为界限，对于低频的信号使用测周期法，对于高频的信号使用测频法，这样可以确保测试的准确
10、性。间接测量频率的方法大多是使用等精度测量，此方法是在直接频率测量法下发展的，测量精度非常高。等精度频率测量法的闸门时间并不是一个固定的值，而是与被测信号同步，是被测信号周期的整数倍。因此，清除了计数所产生的正负1 个字的误差，并且测试频段的等精度测量一直保持完全准确，实测精度不会跟所测信号频率变化而发生变化。早先的数字频率计大部分由分立元件组成，它的测量范围、精度以及速度都受到非常多的限制。单片机的开发和应用改变了测量所带来的限制，可是单片机本身也受到一些因素影响，因此在电子领域单片机不能得到突飞猛进的发展。快速发展的大规模可编程逻辑设备技术可以将多量逻辑功能汇集在一个单一的芯片中。根据不同
11、的需要，可以提供从几百至上百万之多的逻辑门数目，从根本上解决了单片机的先天性限制问题。在设备选择上，使用Atmel公司生产的AT89C51单片机和EPM7128SLC84-15。AT89C51是一种带4K字节FLASH的低电压、高性能8位CMOS单片机。该器件采用非易失存储器制作技术，并且与MCS-51引脚和指令集相兼容。编程器可以对芯片上的FPEROM重复编程，1000写/擦循环，并且具有工作电压范围广、可编程串行通道，数据可存储10年等特点。EPM7128SLC84-15是使用氧化物半导体EZPROM 的先进的技术制造的第二代MAX产品。它可以迅速重新编写和确保可编程擦除100次。EPM7
12、128SLC84-15是嵌入式CPLD，可以在系统内编程，宏单元数为128个，逻辑块为8个。使用汇编语言编写单片机软件，用VHDL语言描述来实现CPLD内部丰富的数据层次和结构模型。频率测量仪器的性能也是不一样的。使用等精度测量原理，单片机的良好控制功能和CPLD的高速可靠性相结合，使频率测量仪电路简洁，速度更快，功能全面，精度提高，有效防止干扰。第二章 系统设计方案与论证2.1 测量原理2.1.1 直接测频法在特定的一段时间内测某个周期信号的重复变化次数N，其频率表示为f=N/T，是传统的频率测量方法。它的原理框图见图2-1。在此测量方式中，被测信号的频率发生改变，它的精度也随之发生改变。根
13、据频率（每单位时间周期信号发生的次数）的基本定义，由图中知道测量的时间基准，分频过后可以让时间闸门开启或关闭。闸门若开启则开始计数，闸门若关闭则停止计数。若闸门开放时间为T，计数值为N，则被测频率FN/T。但若被测信号频率过低则存在测量精度与实时性之间的矛盾。例如，被测信号为10HZ, 0.01的精度。由=1/（N-1）*100%10000。则最短的闸门时间T=N/F=10000/10=1000s,我们完全无法接受这样的测量。通过计算对10KHZ 以下的信号用测频法测量反应的时间会大于或等于10秒的时间，低频为了得到准确的频率值，甚至要等到几个小时，必然不可行。因此，这种方法不适用于低频信号的
14、频率测量。图2.1 直接测频法原理框图2.1.2 测周期法测量周期法的原理与测频法大致相同，互换晶振与被测信号。T1=N*T，T为时基信号，被测信号的周期T1与计数值N成正比。这种方法误差比较大,而最大误差也是 =1/(N-1)*100%。如果完成测量精度在0.01以下，则由 =1/(Ns-1)*100%10000。可以通过计算得到结论：测周期法适合于测量低频信号，而对高频信号毫无作用。可见，要使传统频率测量达到高精度标准，必须按照指定的界限划分，以中界频率为界限,对低频段的信号测量使用测周期法，对高频段的信号测量使用测频法。2.1.3 倍频法 把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数，将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，对高频段则直接进行测量。倍频法较难实现。2.1.4 等精度测频法等精度测频法实现方式可用图2.1.4说明。图2.1.5 等精度测频法原理图若所测频率值为fx，其真实值为fxe，标准频率为fs，一次测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上跳沿触发的，因此在Tpr时间内对fx的计数Nx无误差，在此时间内的计数Ns最多相差一个脉冲，即et1，则下式成立：=可分别推得根据相对误差公式有经过整理可得到因为，故，即2.2 系统设计指标在传统测量频率的方法中，被测信号的频率发生变化，它的测量精度也发生变化。使用局限很大
