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基本信息

項目名稱:
基于單片機和CPLD的等精度頻率計
小類:
機械與控制
簡介:
本課題的等精度數字頻率計設計,采用當今電子設計領域流行的EDA技術,以CPLD為核心,配合STC89C51RC單片機,采用多周期同步測頻原理,信號經前端放大、限幅和整形后實現了輸入電壓范圍為0.3-5V 正弦波,方波,三角波,矩形波,脈沖以及其它不規則等對頻率范圍在0.1Hz-200MHz信號頻率的等精度測量。
詳細介紹:
頻率檢測是電子測量領域的最基本也是最重要的測量之一。頻率信號抗干擾能力強、易于傳輸,可以獲得較高的測量精度,所以測頻率方法的研究越來越受到重視。本課題的等精度數字頻率計設計,采用當今電子設計領域流行的EDA技術,以CPLD為核心,配合STC89C51RC單片機,采用多周期同步測頻原理,信號經前端放大、限幅和整形后實現了輸入電壓范圍為0.3-5V 正弦波,方波,三角波,矩形波,脈沖以及其它不規則等對頻率范圍在0.1Hz-200MHz信號頻率的等精度測量。設計中用一塊復雜可編程邏輯器件CPLD芯片EPM7128STC100—10完成各種時序邏輯控制、計數功能。用STC89C51RC單片機作為系統的主控部件,實現整個電路的測試信號控制、數據運算處理、LCD顯示輸出。系統將單片機的控制靈活性及CPLD芯片的現場可編程性相結合,不但大大縮短了開發研制周期,而且使本系統具有結構緊湊、體積小,可靠性高,測頻范圍寬、精度高等優點。 主要技術指標: (1)測量頻率范圍:0.1Hz-200MHz; (2)誤差范圍:測頻全域相對誤差恒為百萬分之一,即誤差達10-7數量級; (3)輸入電壓范圍:0.3-5V ; (4)測量波形:正弦波、方波、三角波、矩形波、脈沖以及其它不規則信號等。

作品圖片

  • 基于單片機和CPLD的等精度頻率計
  • 基于單片機和CPLD的等精度頻率計

作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

目的、基本思路: 由于頻率計能夠快速準確的捕捉到被測信號頻率的變化,頻率計擁有非常廣泛的應用范圍。高精度的頻率計有著廣泛的市場前景。 等精度測頻方法可兼顧低頻與高頻信號,等精度頻率測量有較高的測量精度,且誤差不會隨著被測信號頻率的改變而改變。本制作設計時采用了該設計思想。 創新點: ① 利用CPLD完成待測信號的測量和基準時鐘計數部分,利用單片機完成系統的控制及數據處理。縮短了開發研制周期且使系統具有結構緊湊、體積小,可靠性高,測頻范圍寬、精度高等優點; ② 采用信號整形、分頻技術,具有測量頻帶范圍寬,可測量電壓大的特點,并且可以測量方波,正弦波,三角波,矩形波,脈沖以及其它不規則信號等; ③ 不僅可以測量頻率,還可以測量周期,使用起來智能方便靈活,只要編寫相應的程序便可實現其他的相應功能; ④ 該等精度頻率計可用于工程領域的高速計數場合,實用,功耗也比較低。 技術關鍵: 本制作設計采用先進的EDA技術及自上而下的設計,把資源豐富、控制靈活及良好的STC89C51單片機和具有內部重組、現場可編程的CPLD芯片完美結合起來,大大縮短了開發研制周期。利用前級信號調理電路對輸入信號進行電壓轉換,并提高了輸入阻抗。 主要技術指標: (1)測量頻率范圍:0.1Hz-200MHz; (2)誤差范圍:測頻全域相對誤差恒為百萬分之一,即誤差達10-7數量級; (3)輸入電壓范圍:0.3-5V ; (4)測量波形:正弦波、方波、三角波、矩形波、脈沖以及其它不規則信號等。

科學性、先進性

由等精度測頻原理知:若能精確地實現計數,經過簡單的乘除運算,即可得到待測頻率。然而,在兆赫茲級的計數,一般單片機就無能為力了,而CPLD的時鐘頻率可達納秒級,完全可以實現其計數功能。要CPLD完成兆級以上的乘除運算, 需消耗更多的硬件資源,而單片機在不受運行速度限制時幾乎不要增加任何成本,單片機和CPLD芯片完美結合起來, 使本系統具有結構緊湊、體積小,可靠性高,測頻范圍寬、精度高等優點。

獲獎情況及鑒定結果

作品所處階段

中試階段

技術轉讓方式

作品可展示的形式

模型、圖紙、磁盤、現場演示、圖片、錄像、樣品

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

本作品操作簡單,只需通電接入頻率信號即可通過LCD屏幕讀取對應頻率數值。制作具有前端信號調理電路,對所給信號進行電壓轉換,并提高了輸入阻抗。巧妙地將CPLD與單片機結合了起來,大大簡化了電路布置復雜程度,提高了電路設計的靈活性。是一種低成本、高性價比的頻率測量方案。本制作可以用于通信、電力、教學、科研、鐘表、儀表、工廠技檢等行業要求測量精度高的場合。本方案具有結構簡單,成本低等特點,具有相當廣泛的市場前景。

同類課題研究水平概述

目前,市場上頻率計的產品種類繁多,常用的數字頻率計的測量方法有三種: 直接測量法(以下稱M法) 、周期測量法(以下稱T法) 和綜合測量法(以下稱M /T法) 。M法是在給定的閘門時間內測量被測信號的脈沖個數, 進行換算得出被測信號的頻率。T法是通過測量被測信號一個周期內計時信號的脈沖個數, 然后換算出被測信號的頻率。這兩種測量法的精度都與被測信號有關, 因而它們屬于非等精度測量法。而M /T法它通過測量被測信號多個周期的時間, 然后換算得出被測信號的頻率, 克服了測量精度對被測信號的依賴性。M /T法的核心思想是通過閘門信號與被測信號同步, 將閘門時間τ控制為被測信號周期長度的整數倍。測量時, 先打開參考閘門, 當檢測到被測信號脈沖沿到達時開始計時, 對標準時鐘計數; 參考閘門關閉時, 計時器并不立即停止計時, 而是待檢測到被測信號脈沖沿到達時才停止計時, 完成測量被測信號整數個周期的過程。本制作設計時采用了該設計思想,并取得了良好的測試效果。 隨著微電子技術和計算機技術的迅速發展,特別是單片微機和EDA技術的出現和發展,使傳統的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面都發生了巨大的變化,形成一種完全突破傳統概念的新一代測量儀器。頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規模集成電路,使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發生了重大的變化。傳統的頻率計測量誤差較大,等精度頻率計以其測量準確、精度高、方便等優勢將得到廣泛的應用。 本課題的等精度數字頻率計設計,采用當今電子設計領域流行的EDA技術,以CPLD為核心,配合STC89C51RC單片機,采用多周期同步測頻原理,信號經前端放大、限幅和整形后實現了輸入電壓范圍為0.3-5V 正弦波,方波,三角波,矩形波,脈沖以及其它不規則等對頻率范圍在0.01Hz-200MHz信號頻率的等精度測量。設計中用一塊復雜可編程邏輯器件CPLD芯片EPM7128STC100—10完成各種時序邏輯控制、計數功能。用STC89C51RC單片機作為系統的主控部件,實現整個電路的測試信號控制、數據運算處理、LCD顯示輸出。系統將單片機的控制靈活性及CPLD芯片的現場可編程性相結合,不但大大縮短了開發研制周期,而且使本系統具有結構緊湊、體積小,可靠性高,測頻范圍寬、精度高等優點。實現了寬幅度、寬頻率測量。
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