基于ispLSIE的數(shù)字頻率計的設(shè)計

1、基于 ispLSI 1032E 的數(shù)字頻率計的設(shè)計一，摘要本系統(tǒng)主要由分頻器、測頻信號發(fā)生模塊、計數(shù)模塊、寄存顯示模塊三部分 組成。測頻信號發(fā)生模塊是本頻率計的核心部分，根據(jù)所測信號的頻率，通過選擇合適的基準(zhǔn)頻率，可以切換量程，以提高頻率計的精確度。通過系統(tǒng)可編程（ISP 大規(guī)模集成邏輯器件（CPLD ispLSI 1032E芯片，可以實現(xiàn)自頂向下的設(shè)計方法， 使設(shè)計方法簡便、高效，也提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。二，前言傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計設(shè)計主要基于標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件，如TTL系列，采用自底向上 的方法構(gòu)成系統(tǒng)，這種方法主要憑借設(shè)計者的經(jīng)驗， 需要很多標(biāo)準(zhǔn)器件。而隨著 電子技術(shù)的發(fā)展，采用先進(jìn)的復(fù)雜可

2、編程邏輯器件取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成電路，已成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本設(shè)計采用ispLSI 1032E芯片，可以實現(xiàn)自頂向下的 設(shè)計方法，使設(shè)計方法簡便、高效，也提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。傳統(tǒng)的頻率測量法為在一定的閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)，取閘門時間為T,在閘門時間內(nèi)通過的被測信號脈沖個數(shù)為 N,則被測頻率可表達(dá)為FxN測量頻率的相對誤差為fx 上 | N | | T | T |(2)FxFxgr式中，N由計數(shù)引起，與Fx、N成反比；T由閘門信號寬度不準(zhǔn)引起，主要取 決于適應(yīng)晶體振蕩器頻率的穩(wěn)定度。 因此，選擇閘門時間T可以改變量程和測頻 相對誤差。而本設(shè)計采用的改進(jìn)型頻率測量方法，主要創(chuàng)

3、新點(diǎn)為閘門時間 T,可以根據(jù) 被測頻率的大小自動調(diào)整測頻，從而實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了測頻的量程范 圍，實現(xiàn)全范圍等精度測量，減少了低頻段測量誤差。三，系統(tǒng)方案設(shè)計傳統(tǒng)的測頻原理即在一定的時間間隔內(nèi)測某個周期信號的重復(fù)變化次數(shù)N,則該信號的頻率可表示為f=N/T。原理圖如圖1。圖1 測頻原理框圖我們采用的等精度測頻法，用一個頻率較穩(wěn)定的頻率源作為基準(zhǔn)時鐘，這里， 我們選取實驗箱上的固定頻率方波源 2MHZ乍為基準(zhǔn)頻率源，輸入待測信號的頻 率，進(jìn)行對比測量。該方法對應(yīng)的閘門時間 T,可以根據(jù)被測頻率的大小自動調(diào) 整測頻，從而實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換，擴(kuò)大了測頻的量程范圍，實現(xiàn)全范圍等精度 測量，減少

4、了低頻段測量誤差。等精度測頻法方法：當(dāng)方波預(yù)置門控信號由低變?yōu)楦唠娖綍r， 經(jīng)整形后的被 測信號上升沿啟動D觸發(fā)器，由D觸發(fā)器的R端同時啟動可控計數(shù)器 CNT1和 CNT2同時計數(shù)，當(dāng)預(yù)置門為低電平時，隨后而至的被測信號使可控計數(shù)器同時 關(guān)閉。設(shè)Fx為整形后的被測信號，F(xiàn)s為基準(zhǔn)頻率信號，若在一次預(yù)置門高電平 脈寬時間內(nèi)被測信號計數(shù)值為 Nx,基準(zhǔn)頻率計數(shù)值為Ns,則有Fx=Nx*(Fs/Ns)等精度測頻法的原理圖如圖2圖2 等精度測頻法原理圖在本方法中，不同量程就是在不同時間間隔內(nèi)統(tǒng)計被測數(shù)字信號或時鐘信 號的脈沖數(shù)，這樣，數(shù)字頻率計就是一個帶門控的計數(shù)器，將門控計數(shù)時間取 為1s,則數(shù)字頻率

5、計的計數(shù)值就是輸入信號的頻率或周期。低頻時測周期，采用若干個被測周期作為門控時間，即先將輸入信號分頻再作門控信號，以提高被測 信號頻率的上限；高頻時測頻率，若改變門控計數(shù)時間，即改變頻率計的量程。 但是由于門控信號與統(tǒng)計信號可能不同步，在門控信號的開啟與關(guān)閉邊沿，會造 成多計或少計1個被統(tǒng)計信號脈沖的現(xiàn)象，此乃系統(tǒng)的固有誤差。該方法雖然也有誤差，但相比傳統(tǒng)方法，因為量程隨所測信號的頻率切換 而更精確，所以誤差會相應(yīng)的減小，所以我們選用等精度測頻法。四，系統(tǒng)電路設(shè)計設(shè)計一個3位十進(jìn)制數(shù)字式頻率計，測量范圍為1KHZ到1MHz量程分為 10KHz 100KH和1MHz三檔量程自動轉(zhuǎn)換。設(shè)計框圖如圖

6、 3。ftWAS比較信號2MHz圖3 設(shè)計框圖在設(shè)計頻率計時，將系統(tǒng)功能模塊化。具體組成為：控制器，數(shù)據(jù)選擇器， 分頻器，測頻控制信號發(fā)生器，十進(jìn)制計數(shù)器及鎖存譯碼器。每個模塊的作用如下：（1）控制器:針對外部傳來的復(fù)位信號、測頻控制信號發(fā)生器發(fā)出的鎖存信號、最高位計數(shù)器發(fā)出的溢出信號以及計數(shù)是否為零的輸入信號做出反應(yīng)，對數(shù)據(jù)選擇器、鎖存譯碼器、小數(shù)點(diǎn)位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤＃?）數(shù)據(jù)選擇器：選取一路基準(zhǔn)頻率作為測頻控制信號發(fā)生器的輸入信號。（3）分頻器:將2MHz的實驗箱基準(zhǔn)頻率分別經(jīng)過500分頻、10分頻、10分 頻,依次得到4000Hz、400Hz、40Hz的基準(zhǔn)頻率。（4）測頻控制信號發(fā)生器

7、：輸入選擇后基準(zhǔn)頻率，經(jīng)測控信號發(fā)生器后輸出計 數(shù)使能信號、清零信號、鎖存信號。（5）十進(jìn)制計數(shù)器：最高位設(shè)計為有輸出標(biāo)志位的十進(jìn)制計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)器計 數(shù)為零時，此標(biāo)志位的輸出為“ 0” ,否則為“ 1”。將輸出標(biāo)志位與最高位十進(jìn) 制計數(shù)器的溢出標(biāo)志位送至控制器作為控制器的輸入量，將所計數(shù)傳給寄存器 保存。（6）鎖存譯碼器：將BCD碼編譯為七段碼并送LED顯示;最高位、次高位譯碼輸 出的編碼值為“ 00H”，控制使LED不顯示;總溢出時，譯碼輸出的編碼值為“ 71H,驅(qū)動對應(yīng)的LEE顯示“ F”。（7）整形電路：將待測正弦交流信號經(jīng)零電平比較器整形為方波。五，系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計采用自頂向下的設(shè)

8、計方法，除外接晶振，顯示電路及復(fù)位信號外，圖 3的其他功能均被設(shè)計在ispLSI 1032E芯片中，包括：控制器、數(shù)據(jù)選擇器、分 頻器、測控信號發(fā)生器、計數(shù)器、鎖存及譯碼器。本設(shè)計采用實驗箱上的2MHz作為基準(zhǔn)頻率、共陰極七段碼LED顯示器、控制開關(guān)等。數(shù)字頻率計的頂層設(shè)計圖如圖4。E&EHvwn sc0-Ornm=i WFWWJ屮mpu41nraBaFl-.I _EMd圖4 數(shù)字頻率計的設(shè)計總圖(1) 控制器采用原理圖輸入，封裝如圖5。CTRCPCLRH3AAH2LH圖5 控制器封裝16m oq1圖6控制器內(nèi)部原理圖輸入：CP溢出信號；CLR復(fù)位清零信號；AA:計數(shù)是否為0信號；LH:測頻控

9、制信號發(fā)生器發(fā)出的鎖存信號。輸出F:鎖存信號；H3:第三個數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)信號；H2:第二個數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)信號；B:二進(jìn)制選取基準(zhǔn)頻率的選擇高位信號；A: 二進(jìn)制選取基準(zhǔn)頻率選擇的低位信號；作用：針對外部傳來的復(fù)位信號、測頻控制信號發(fā)生器發(fā)出的鎖存信號、最高位 計數(shù)器發(fā)出的溢出信號以及計數(shù)是否為零的輸入信號做出反應(yīng)，對數(shù)據(jù)選擇器、鎖存譯碼器、小數(shù)點(diǎn)位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?2) 數(shù)據(jù)選擇器程序：KODVIE 5E1DATAIDO,Bl,1)2.SI ,S0 PIU；Y Pill ISTVPETOM1 : EQUATIONSY - (D IIS Q) tI SL&SQ (D2& I S1& I SO )#

10、(D2&S1&SQ);END圖7 數(shù)據(jù)選擇器程序SELDATA5051DO YD1D2I23圖8數(shù)據(jù)選擇器封裝圖輸入：DO:基準(zhǔn)頻率50000分頻；D1:基準(zhǔn)頻率5000分頻；D2:基準(zhǔn)頻率500分頻；S1:基準(zhǔn)頻率選擇高位信號；S0:基準(zhǔn)頻率選擇低位信號； 輸出：丫:經(jīng)選擇后的基準(zhǔn)頻率。作用：選取一路基準(zhǔn)頻率作為測頻控制信號發(fā)生器的輸入信號。(3) 分頻器：MOBTIIT FP5 0 0Fl PIN：FO FIN ISTYFE1 COM-;9. ,Q0 NODE ISTVPE1 PEC 1；EMT=Q8r QO:EQUATIONSCTk=F1WHEN(CNTCARRY 1;匚NT 匚Lk-匚

11、匸X：CHT:=(CNT.FB+1);HQLDP2; L盤TCH=QQ& I Q1& !Q2 j CLR=QaSQL4=AD9) THEM CNT:=0ELSE CUT:(匚MT FB+1)END圖14十進(jìn)制計數(shù)器程序CNT10BAAHOLDCLKCLRCAOQOQ1Q2Q3124圖15 十進(jìn)制計數(shù)器封裝圖 輸入：HOLD:計數(shù)使能信號；CLK:待測信號；CLR:清零信號。 輸出：A：計數(shù)器是否為0輸入信號；CAO進(jìn)位或溢出信號；Q0二進(jìn)制第1位；Q1:二進(jìn)制第2位；Q2二進(jìn)制第3位；Q3:二進(jìn)制第4位。作用：最高位設(shè)計為有輸出標(biāo)志位的十進(jìn)制計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)為零時，此標(biāo)志位的輸出為“ 0”

12、 ,否則為“ 1”。將輸出標(biāo)志位與最高位十進(jìn)制計數(shù)器的溢出標(biāo)志 位送至控制器作為控制器的輸入量，將所計數(shù)傳給寄存器保存。(6) 鎖存譯碼器MODULE LATCHFD3.DD.LD.Fl PIN：Q3.QO PIN IETYPEREG;QQ-LQ3.Q0;DD-D3.DO：EQUATIONSQQ.CLK遼D;UHEN Fl=0 THEN QQ=EDEL5E QQ-=14；END圖16鎖存器程序kfODlTLE EUCOOER93. BO PUT；川?Itf I5TYPE COM ;盤;BCD=E3. .BO,TRUTH TABLE (BCD-LED)0-mm;ZZ0-H3F1一omm2-371

13、,0.0,1,1,1.1;/X3-H4FmmI；5-nm j;5汀H&D61 . 1 . 1 , 1 . 1 . 0 . 1 70.00,0.1.1.1;/7-H07a-lf Lr14lAH7Fmi.i iI；14-0. 0, 0. 0, 0. 0, 0;產(chǎn)廠不顯示亠肌口ElfD圖17數(shù)碼管顯示程序圖18鎖存譯碼器圖19鎖存譯碼器封裝圖DNGDDODD1DD2DD3 LOADFI27AABBCCDD EEFFGG輸入：DD0二進(jìn)制第1位；DD1二進(jìn)制第2位；DD2二進(jìn)制第3位；DD3二進(jìn)制第4位；LOAD鎖存器時鐘；F:鎖存信號；輸出AA:7段碼數(shù)碼管1段；BB:7段碼數(shù)碼管2段;CC:7段碼

14、數(shù)碼管3段;DD:7段碼數(shù)碼管4段;EE:7段碼數(shù)碼管5段；FF:7段碼數(shù)碼管6段;GG：7段碼數(shù)碼管7段。作用：將BCD碼編譯為七段碼并送LED顯示;最高位、次高位譯碼輸出的編碼值為“ 00H” ,控制使LED不顯示;總溢出時,譯碼輸出的編碼值為“ 71H,驅(qū)動 對應(yīng)的LEE顯示“ F”。（7）整形電路-ir;L?4-VIA圖20整形電路采用工作在開環(huán)狀態(tài)的運(yùn)放實現(xiàn)電壓比較功能，理想閾值電壓為0V,電源電壓為12V，為了限制集成運(yùn)放的差模輸入電壓，保護(hù)輸入級，運(yùn)放輸入端加入二極管限幅電路。而輸出端采用 4.7V穩(wěn)壓管，使Ui 0V , Uw 4.7V ,UO 0;當(dāng) ui 0V,uw0.3V

15、 0.7V,UO 1。輸入：待整形的待測信號；輸出：整形為方波的待測信號。作用：將待測正弦交流信號經(jīng)零電平比較器整形為方波。六，系統(tǒng)測試本方法設(shè)計的數(shù)字頻率計數(shù)器量程為1kHz到1MH?單位為1kHz。 搭建完本設(shè)計的電路圖后，進(jìn)行測試，用實驗箱上的信號發(fā)生器發(fā)出方波信號，分別用本設(shè)計得到的頻率計和實驗箱上的頻率計進(jìn)行測量，得到以下數(shù) 據(jù)：序號設(shè)計的頻率計數(shù)實驗箱頻率計數(shù)相對誤差1256kHz256.34kHz0.13%265kHz64.78kHz0.34%3578kHz578.6kHz0.10%4889kHz890.23kHz0.14%514kHz13.65kHz2.5%誤差分析：（1）因為

16、本方法設(shè)計的頻率計計數(shù)單位為1kHz，當(dāng)頻率有小于1kHz的部分， 就不能精確的測量，會出現(xiàn)多1或少1kHz的誤差。（2）由于門控信號與統(tǒng)計信號可能不同步，在門控信號的開啟與關(guān)閉邊沿，會 造成多計或少計1個被統(tǒng)計信號脈沖的現(xiàn)象，此乃系統(tǒng)的固有誤差。七，結(jié)束語我們在實驗中遇到的問題和解決、調(diào)試方法：問題1:原設(shè)計電路需要用到乘法器、除法器解決方法：通過對分頻器、電路時序的設(shè)計，選擇 1s作為基準(zhǔn)計數(shù)閥門時間，使得計數(shù)器觸發(fā)時間內(nèi)所計脈沖數(shù)即為所測信號的頻率。冋題2:計數(shù)器和寄存器時序配合冋題解決方法：將計數(shù)器和寄存器的控制控制信號作為 I/O 口引出，用示波器觀 察它們的時序，在以此為根據(jù)，修改程序，使得它們成功配合。問題3：初始測量誤差較大 解決方法：用芯片搭建整形電路，將待測波形先通過整形電路整形為方 波，再輸入頻率計，通過分頻器將基準(zhǔn)頻率進(jìn)一步降