等精度数字频率计的设计李艳秋摘要基于传统测频原理的频率计的测量精度将随着被测信号频率的下降而降低，在实用中有很大的局限性，而等精度频率计不但有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。
运用等精度测量原理，结合单片机技术设计了一种数字频率计，由于采用了屏蔽驱动电路及数字均值滤波等技术措施，因而能在较宽定的频率范围和幅度范围内对频率，周期，脉宽，占空比等参数进行测量，并可通过调整闸门时间预置测量精度。
选取的这种综合测量法作为数字频率计的测量算法，提出了基于FPGA 的数字频率计的设计方案。
给出了该设计方案的实际测量效果，证明该设计方案切实可行，能达到较高的频率测量精度。
关键词等精度测量，单片机，频率计，闸门时间，FPGAⅡABSTRACTAlong with is measured based on the traditional frequency measurement principle frequency meter measuring accuracy the signalling frequency the drop but to reduce, in is practical has the very big limitation, but and so on the precision frequency meter not only has teaches the high measuring accuracy, moreover maintains the constant test precision in the entire frequency measurement region. Using and so on the precision survey principle, unified the monolithic integrated circuit technical design one kind of numeral frequency meter, because has used the shield actuation electric circuit and technical measure and so on digital average value filter, thus could in compared in the frequency range and the scope scope which the width decided to the frequency, the cycle, the pulse width, occupied parameter and so on spatial ratio carries on the survey, and might through the adjustment strobe time initialization measuring accuracy. Selection this kind of synthesis measured the mensuration took the digital frequency meter the survey algorithm, proposed based on the FPGA digital frequency meter design proposal. Has produced this design proposal actual survey effect, proved this design proposal is practical and feasible, can achieve the high frequency measurement precisionKeywords Precision survey, microcontroller, frequency meter, strobe time，field programmable gate arrayⅡ目录目录摘要 (I)ABSTRACT··························································································I II1 绪论 (1)2 系统设计方案 (2)2.1系统设计方案的选择 (2)2.1.1 频率测量模块 (2)2.1.2 周期测量模块 (4)2.1.3 脉宽测量模块 (4)2.1.4 占空比测量模块 (4)3 系统总体设计方案 (5)4 CPLD/FPGA测频专用模块的VHDL程序设计 (6)4.1 测频模块逻辑结构 (6)4.2 各模块功能和工作步骤如下： (6)4.2.1 测频/测周期的实现 (7)4.2.2 控制部件设计 (7)4.2.3 脉冲宽度测量和占空比测量模块设计 (7)4.2.4 电路显示模块 (8)4.2.5 数码管的编码表 (10)5 单片机控制与运算程序的设计 (11)5.1 AT89C51RC单片机简介 (11)5.2 软件调试系统 (19)5.3具体试验过程 (20)5.3.1 第一次测试 (20)5.3.2 第二次计算 (22)5.4 系统调试的方法 (23)5.4.1 调试的软/硬件 (23)5.4.2 系统的仿真结果 (23)5.5 设计技巧分析 (25)5.6 系统扩展思路 (25)6 VHDL程序语言和FPGA简介 (26)6.1 vhdl程序语言介绍: (26)6.2 FPGA 简介 (28)6.3 VHDL 在FPGA中的运用 (29)攀枝花学院本科毕业设计（论文）目录结论 (32)附录A：单片机程序和VHDL程序 (33)参考文献 (56)致谢 (57)IV1 绪论1 绪论测量频率是电子测量技术中最常见的测量之一。
不少物理量的测量, 如时间、速度等都涉及到或本身可转化为频率的测量。
目前, 市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计, 但价格不菲。
而在实际工程中, 并不是对所有信号的频率测量都要求达到非常高的精度。
目前, 有三种常用的数字频率的测量方法: 直接测量法(以下称M法) 、周期测量法(以下称T法) 和综合测量法(以下称M /T法) 。
M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数, 进行换算得出被测信号的频率。
T法是通过测量被测信号一个周期时间计时信号的脉冲个数, 然后换算出被测信号的频率。
这两种测量法的精度都与被测信号有关, 因而它们属于非等精度测量法。
而M /T法它通过测量被测信号数个周期的时间, 然后换算得出被测信号的频率, 克服了测量精度对被测信号的依赖性。
M /T法的核心思想是通过闸门信号与被测信号同步, 将闸门时间τ控制为被测信号周期长度的整数倍。
测量时, 先打开预置闸门, 当检测到被测信号脉冲沿到达时, 标准信号时钟开始计数。
预置闸门关闭时, 标准信号并不立即停止计数, 而是等检测到被测信号脉冲沿到达时才停止, 完成被测信号整数周期的测量。
测量的实际闸门时间与预置闸门时间可能不完全相同, 但最大差值不超过被测信号的一个周期。
12 系统设计方案2.1系统设计方案的选择根据频率计的设计要求，我们可将整个电路系统划分为几个模块，频率测量模块，周期测量模块，脉宽测量模块，和占空比测量模块。
标准频率发生电路采用高频率稳定度和高精度的晶镇作为标准频率发生器。
如图所示。
各模块的实现均有几种不同的设计方案。
13.1 频率计组成模块框图号 图2.1 频率计组成模块框图 2.1.1 频率测量模块①直接测频法：把被测频率信号经脉冲整形电路处理后加到闸门的一个出入端，只有在闸门开通时间T （以秒计）内，被计数的脉冲送到十进制计数器进行计数；设计数器的值为N ，则可得到被测信号频率为f=N/T ，经分析，本测量在低频率的相对测量误差较大，即在低频段不能满足本设计的要求。
②组合测频法：这种方法可以在一定程度上弥补方法（1）中的不足，但是难以确定最佳分测点，且电路实现较复杂。
③倍频法：是指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在进行测量，对高频段则直接进行2 系统设计方案3 测量。
倍频法较难实现。
④等精度测频法：其实现方式可用图2.2来说明。
图中，预置门控信号是宽度为TPR 的一个脉冲，CNT1和CNT2是两个可控计数器。
标准频率信号从CNT1的时钟输出端CLK 输入，其频率为fs ，经整形后的被测信号从CNT2的时钟输入端CLK 输入，设其实际频率为fx ；当预置门控信号为高时，经整形后的被测信号的上升沿通过D 触发器的Q 端同时启动计数器CNT1和CNT2。
CNT1和CNT2分别对被测信号（频率为fs ）和标准频率信号（频率为fx ）同时计数。
当预置门信号为低时，随后而至的被测信号的上升沿将两个计数器同时关闭。
设在一次预置门时间Tpr 内对被测信号的计数值为Nx ，对标准信号的计数值为Ns 。
则下式成立：fx/Nx=fs/Ns由此推得：fx=fs*Nx/Ns13.2 等精度测频法原理框图标准频预置门清零信被测信图2.2 等精度测频法原理框图若所测频率值为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fx/Nx=fs/Ns ，则下式成立： fxe/Nx=fs/Ns+△et可分别推得 fx=fs*Nx/Ns fxe=fs*Nx/Ns+△et根据相对误差的公式有：△fxe/fxe=fxe-fx/fxe经整理可得到：△fxe/fxe=△et/Ns2 系统设计方案因△et≤1，故△fxe/f xe≤1/Ns Ns=Tpr*fs根据以上分析，我们可知等精度测频法具有三个特点：1，相对测量误差与被测频率的高低无关；2，增大Tpr或fs可以增大Ns，减少测量误差，提高测量精度；3，测量精度与预置门宽度和标准频率有关，与被测信号的频率无关，在预置门和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下，等精度测量法的测量精度不变；经过综合考虑，结合设计需求，选用第④种方案，即用等精度测频法来实现本设计频率测量。