简易数字频率计题解1997年B题.ppt

《简易数字频率计题解1997年B题.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易数字频率计题解1997年B题.ppt（42页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、简易数字频率计题解1997年B题 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 赛赛 题题 任任 务务 书书（一）（一）任务任务 设计并制作一台数字显示的简易频率计设计并制作一台数字显示的简易频率计。（二）（二）要求要求1.基本要求基本要求(1)(1)频率测量频率测量 a.测量范围测量范围 信号：方波、正弦波 幅度：0.5V5V注 频率：1Hz1MHz b.测试误差测试误差0.1%(2)(2)周期测量周期测量 a.a.测量范围测量范围 信号：方波、正弦波 幅度：

2、0.5V5V注 频率：1Hz1MHz b.测试误差测试误差0.1%（3）脉冲宽度测量脉冲宽度测量 a.a.测量范围测量范围 信号：脉冲波 幅度：0.5V5V注 脉冲宽度100s b.b.测试误差测试误差0.1%（4）显示器显示器 十进制数字显示，显示刷新时间110秒 连续可调，对上述三种测量功能分别采用不同颜色的 发光二极管指示。（5）具有自校功能，时标信号频率为具有自校功能，时标信号频率为1MHz。（6）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。2.2.发挥部分发挥部分（1 1）扩扩展展频频率率测测量量范范围围为为0.1Hz0.1Hz10MHz(1

3、0MHz(信信号号幅幅度度：0.5V0.5V5V5V 注注)，测测试试误误差差降降低低为为0.01%0.01%（最最大大闸门时间闸门时间10s10s）。）。（2 2）测测量量并并显显示示周周期期脉脉冲冲信信号号（幅幅度度0.5V0.5V5V5V 注注、频频率率1Hz1Hz1KHz1KHz）的的占占空空比比，占占空空比比变变化化范范围围为为10%10%90%90%，测试误差，测试误差1%1%。（3 3）在）在1Hz1Hz1MHz1MHz范围内及测试误差范围内及测试误差0.1%0.1%的条的条 件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干件下，进行小信号的频率测量，提出并实现抗干 扰的措施。扰的措施

4、。题题 解解 部部 分分1.1题目分析题目分析1.1.1设计者特定背景知识的自查与准备设计者特定背景知识的自查与准备 1.1.2顶顶层层要要求求的的确确认认要要实实现现的的测测量量功功能能以以及及测测量量精精度度。即即明明确确“做做什什么么”以及“做做到到何何种程度种程度”即质量的要求：测测量量功功能能：测频、测周期、测脉冲宽度以及测脉冲的占空比（占空比（发挥部分发挥部分）。测频、测周期、测脉冲宽度的误差测频、测周期、测脉冲宽度的误差：0.1%；测占空比的误差：测占空比的误差：1%1%。(发挥部分）发挥部分）(10-3)其次，在顶层设计中应当明确的主要技术指标：其次，在顶层设计中应当明确的主要

5、技术指标：被被测测信信号号的的频频率率范范：1Hz1MHz;误差0.1%(基基本本要求要求);0.1Hz10MHz,误差误差0.01%（发挥要求发挥要求）被测脉冲信号的宽度被测脉冲信号的宽度：100s 最最大大闸闸门门时时间间：10s；显示刷新时间在1s10s之间连续可调还有一些设计要求与技术指标将在设计由顶层向底层过渡之中逐步予以关注和考虑。至至此此，对对该该题题“做做什什么么”以以及及“做做到到何何种种程程度度”即质量的要求即质量的要求也就明确了。也就明确了。下下一一步步工工作作就就转转向向分分析析实实现现该该频频率率计计的的各各项项要要求求所应当采用的所应当采用的测量方法。测量方法。对各

6、种数字化测频、测周法的对各种数字化测频、测周法的1误差进行比较误差进行比较:1.1.直接测量法直接测量法 被测的 fx 越 低,测频1误差越大;被测的 fx 越高,测周1误差越大;2.2.直接与间接测量相结合的方法直接与间接测量相结合的方法 中界频率:fm =（1.7)p.68 当 fx fm时,直接测频,间接测周;当 fx fm时,直接测周,间接测频.3.3.多周期同步测量法多周期同步测量法(倒数计数器法倒数计数器法)从根本上从根本上消除了消除了11误差误差,实现了等精度测量实现了等精度测量1.1.3 测量方法的分析与比较测量方法的分析与比较 1.1.4 尚未涉及的其它问题尚未涉及的其它问题

7、1 1）脉宽测试误差的分析）脉宽测试误差的分析被测被测脉宽脉宽100s，测试误差测试误差0.1%，可以达到可以达到。2 2）脉冲占空比测试误差的分析）脉冲占空比测试误差的分析被被测测脉脉冲冲频频率率1Hz1KHz，占占空空比比10%90%，幅度幅度0.5V5V；要求误差要求误差1%，可以达到可以达到。3 3）被测信号幅度、频率范围及输入通道放大器）被测信号幅度、频率范围及输入通道放大器自认0.02V，频率0.1Hz10MHz,输入电阻1M4 4）稳压电源的设计）稳压电源的设计估计数字电源5V,1A;模拟电源5V;615V,均为200mA 1.2 设设 计计 方方 案案 讨讨 论论 1.2.1

8、方 案 的 选 择1.1.测量方法的选择测量方法的选择 选用多周期同步测量法选用多周期同步测量法2.2.实现技术的选择实现技术的选择纯纯 硬硬 件件 实实 现现 法法（可可 选选 的的 器器 件件 有有 通通 用用 的的SSI/MSI/LSISSI/MSI/LSI集集成成电电路路、专专用用集集成成电电路路、可可编编程程逻辑器件逻辑器件如如isPLDisPLD器件等）；器件等）；纯纯软软件件实实现现法法（可可选选的的平平台台有有PCPC机机、单单片片机机、DSPDSP器件等）；器件等）；软软硬硬件件相相结结合合的的实实现现法法（由由、中中选选择择与与组组合）。合）。选此实现技术选此实现技术1.3

9、 系系 统统 级级 和和 子子 系系 统统 级级 设设 计计1.3.1 1.3.1 系系 统统 级级 框框 图图频频 率率 计计 的的 面面 板板 布布 置置 图图1.3.2 子子 系系 统统 级级 总总 体体 框框 图图 1)频率计子系统的划分频率计子系统的划分 测量控制及测量控制及功能切换逻辑功能切换逻辑2)2)各个子系统的主要技术指标及其组成各个子系统的主要技术指标及其组成(1)(1)输入通道输入通道 （考虑发挥部分要求时）（考虑发挥部分要求时）带宽:010MHz;输入电阻:1M;增益:2/0.02=100(用TTL整形级时)(2)(2)多周期同步等精度测量控制及功能切换逻辑多周期同步等

10、精度测量控制及功能切换逻辑 计数器容量:107108;工作频率:10MHz(3)(3)单片机子系统单片机子系统(根据下列要求选用根据下列要求选用AT89C51)由由+5V电电源源供供电电，I/O口口与与TTLTTL电电平平兼兼容容，并并有有足足够够数数目目的的I/O口口；要要有有丰丰富富的的四四则则算算术术运运算算和和逻逻辑辑运运算算指指令令，指指令令执执行行速速度度要要快快；片片内内除除RAM外外还还要要有有EPROM；至至少少有有两两个个16位位的的定定时时器器/计计数数器器；有有外外部部中中断断输输入入引引脚脚；具具有有串串行行通通信信口；口；价格要低廉。价格要低廉。图图1.3.4 输入

11、通道组成框图输入通道组成框图 多多 周周 期期 同同 步步 等等 精精 度度 测测 量量 控控 制制 及及 切切 换换 逻逻 辑辑图图1.3.5图图1.3.6单片机与外围部件的互连方案单片机与外围部件的互连方案1.4 设计的进一步细化设计的进一步细化 1.4.1 1.4.1输入通道的详细设计输入通道的详细设计 1）输入通道中的模拟部分的详细设计 2）输入通道中的数字部分的详细设计 1.4.2 1.4.2 综综合合数数字字模模块块子子系系统统 测测量量控控制制及及 功能切换逻辑功能切换逻辑+其它辅助数字部件的详细设计其它辅助数字部件的详细设计 1)核心电路-图1.3.5;2)辅助数字部件共10个

12、 1.4.3 1.4.3 单片机子系统软件的设计单片机子系统软件的设计 1)主程序;2)子程序主要有4个(键盘中断服务子程序;软件计数器子程序;数据处理子程序;测量结果刷新显示子程序)图图1.4.1输入通道中模拟电路部分的详细设计图输入通道中模拟电路部分的详细设计图图图1.4.2被测信号边沿选择电路被测信号边沿选择电路图图1.4.3被测信号边沿选择电路的工作波形图被测信号边沿选择电路的工作波形图图图 1.4.4 由由ispPLD实现的（虚线框内）综合数字模块子系统的总图实现的（虚线框内）综合数字模块子系统的总图用ispLSI 1032来实现辅辅 助助 数数 字字 部部 件件 共共 10 10

13、个个 脉冲边沿选择电路；预置闸门时间选择计数器和指示驱动电路；通道条件码输入接口；闸门灯驱动器；按键接口电路；单/双通道选择信号产生逻辑；低12bit时间计数器、28bit事件计数器；前述两个计数器与单片机的接口逻辑（可寻址的8bit的6选1多路选择器）；驱动LED数码显示器的98位移位寄存器及缓冲器（包含单位符号指示灯驱动电路在内）；1MHz时标信号及1Hz脉冲发生器电路。用ispLSI 1032来实现图图 1.4.5 频频 率率 计计 的的 测测 量量 流流 程程主主 程程 序序 流流 程程 图图1234P1.6=0P1.7=1(续续前前）主主 程程 序序 流流 程程 图图56781.5

14、测试方案测试方案1.5.11.5.1测试步骤与方法概述测试步骤与方法概述先先对对三三个个子子系系统统分分别别进进行行测测试试,最最后后将将三三个个子子系系统互连起来，进行整个系统的总体测试。统互连起来，进行整个系统的总体测试。1.5.21.5.2频率计子系统的测试步骤与方法频率计子系统的测试步骤与方法1.输入通道模拟电路部分测试步骤与方法输入通道模拟电路部分测试步骤与方法2.综合数字功能模块的测试步骤与方法综合数字功能模块的测试步骤与方法应应充充分分运运用用EDAEDA工工具具的的功功能能模模拟拟和和定定时时模模拟拟能能力力，去去替替代使用测试仪器去完成大量而复杂的测试工作。代使用测试仪器去完

15、成大量而复杂的测试工作。3.单片机子系统的测试步骤与方法单片机子系统的测试步骤与方法先测试硬件，再测试软件，最后软硬件联合测试。先测试硬件，再测试软件，最后软硬件联合测试。测试主要用仿真器仿真器，也要用到示波器、电压表等仪器。（续续前前）对对单单片片机机子子系系统统的的硬硬件件的的测测试试，就就是是测测试试与与它它相相连连的的做做在在isPLD器器件件内内的的外外围围部部件件的的工工作作是是否否正正常常。方方法法是是针针对对要要测测的的硬硬件件编编写写一一个个、一一个个的的读读写写小小程程序序，输输入入到到仿仿真真器器中中去去，分别对每个外围部件的读分别对每个外围部件的读/写功能进行测试。写功

16、能进行测试。软软件件测测试试的的主主要要工工具具仍仍然然是是仿仿真真器器。应应当当先先测试子程序，后测试主程序。测试子程序，后测试主程序。测测试试中中要要灵灵活活运运用用插插入入暂暂停停、局局部部循循环环指指令令以以及及仿仿真真器器的的单单步步调调试试功功能能。并并用用直直流流电电压压表表或或示波器去测量硬件上的有关电平或波形。示波器去测量硬件上的有关电平或波形。4.总总 体体 测测 试试 所所有有子子系系统统均均测测试试通通过过后后,才才能能将将它它们们全全部部互互连连起起来来进进行行总总体体测测试试。这这时时所所用用的的仪仪器器主主要要是是：函函数数发发生生器器；通通用用计计数数器器（可可

17、测测量量频频率率、周周期期、时时间间等等）；交交流流电电压压表表；示示波波器器。它它们们的的工工作作频频率率应覆盖应覆盖0 020MHz20MHz。电电源源接接通通后后，检检查查频频率率计计默默认认测测频频工工作作状状态态以以及及自自检检功功能能是是否否正正常常，然然后后用用函函数数发发生生器器作作为为测测试试信信号号源源，同同时时接接到到所所制制作作的的频频率率计计和和通通用用计计数数器器的的输输入入端端，按按设设计计任任务务书书要要求求的的测测量量项项目目逐逐个个进进行行测测试试，将将频频率率计计和和通通用用计计数数器器的的读读数数分分别别记记录录下下来来。计计算算各各个个测测量量项项目目

18、的的测测量量误误差差，并并与与任任务书要求进行比较。务书要求进行比较。谢谢 谢谢 收收 看看，请留下宝贵意见！请留下宝贵意见！再再 见见东东 南南 大大 学学 无无 线线 电电 系系同同步步化化闸闸门门启启动动定定时时器器T0键键盘盘中中断断与与显显示示时时间间调调节节AT89C51C51单片机定时器的结构与方式字单片机定时器的结构与方式字 T0=1sf0=12MHz图图1.6.1 计数式测频的原理方框图计数式测频的原理方框图 fX=N/TS 闸门时间闸门时间图图 1.6.3 计数式测周期的原理框图计数式测周期的原理框图 TX=N T0/k 时标时标图图1.6.5测量时间间隔的原理方框图测量时

19、间间隔的原理方框图 TX=N T0 图图1.6.7 脉冲宽度和上升时间的测量脉冲宽度和上升时间的测量(a)测量脉冲宽度；测量脉冲宽度；(b)测脉冲上升时间测脉冲上升时间1s1s闸门闸门1s1s时标时标图1.21 直接测频和直接测周期的量化误差 图图1.6.9 倒数计数器（多周期同步测量）倒数计数器（多周期同步测量）原原 理理 方方 框框 图图fx=fx=NA/TNB=fCT T 图图1.6.9 倒数计数器（多周期同步测量）倒数计数器（多周期同步测量）时时 间间 波波 形形 图图 P1.610s、1s、0.1s、10ms、1ms图图1.6.10等精度测时间间隔的原理框图等精度测时间间隔的原理框图图图1.6.11 等精度测量时间间隔的工作波形图等精度测量时间间隔的工作波形图NB=NAfC TX电压比较器电压比较器 MAX902 MAX902 要求输入信号的最小要求输入信号的最小过零压摆率：过零压摆率：(P.52(P.52 P.53)P.53)SR=0.5V/s SR=2 f X Um Um=0.5/2 0.1 0.8V最小输入信号的峰值最小输入信号的峰值:Uimin=0.02 V要求放大级的增益：要求放大级的增益：GA Um/Uimin 30