等精度数字频率计的设计和分析开题报告(二)

等精度数字频率计的设计和分析开题报告(二)
根据频率计设计的设计要求，我们可将整个电路系统划分为几个基本模块，各模块均有几种不同的设计方案。
频率测量模块
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。
组合测频法：是指在高频是采用直接测频法，低频是采用直接测量周期法测信号的周期，然后换算成频率；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。
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测量。倍频法较难实现。
等精度测频法：其实现方式可用图来说明。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/Ns
     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     ，则下式成立：fx/Nx=fs/Ns        fex/Nx=fs/Ns+△et
可分别推得   fx=fs*Nx/Ns        fex=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/Ns
因△et≤1，故△fxe/fxe≤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。
周期测量模块
直接周期测量法：用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于信号周期Tx，时标为Ts的脉冲在主门开放时间进入计数器。设在Tx期间计数值为N，可以根据以下公式来算得被测信号周期：
Tx=N*Ts
经误差分析，可得结论：用该测量法测量时，被测信号的频率越高，测量误差就越大。
等精度周期测量法：该方法在测量电路和测量精度上与等精度测量完全相同，只是在进行计算时公式不同，在周期1/T代换频率f即可，其计算公式为Tx=Ts*Ns/Nx
从降低电路的复杂度及提高精度（特别是高频）上考虑，本设计拟采用方法（2）测量被测信号的周期。
脉冲测量模块：
在进行脉冲宽度测量时，首先经信号处理电路进行处理，限制只有信号的50%幅度及其以上部分才能输入数字测量部分。脉冲边沿被处理得非常陡峭，然后送入测量计数器进行测量。
测量电路在检测到脉冲信号的上升沿时打开计数器，在下降沿是关闭计数器，设脉冲宽度为Twx，计算公式为：Twx=Nx/fs

占空比测量模块
测一次脉冲信号的脉宽，记录其值为Twx1，然后将信号反相，再测一次脉宽并记录其值为Twx1，然后将信号反相，再测一次脉宽并记录起值为Twx2，通过下式计算占空比：
占空比=Twx1/（Twx1+Twx2）*100%
标准频率发生电路
本模块采用高频率稳定度和高精度的晶振作为标准频率发生器。

2月 24 日
3、本课题拟采用的研究手段（途径）和可行性分析
1．在本系统设计方面，充分利用单片机和FPGA/CPLD各自的优势，将测控的主体分配给FPGA/CPLD，既可满足频测对速度方面的要求和多I/O口的要求，同时利用单片机具有良好的人机接口和控制运算的功能，可以较简单地实现键盘和显示控制以及数据处理运算。
2．在频率测量方面，由于采用了等精度测频法，使该系统具有以下特点
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测量精度与预置宽度和标准频率有关，与被测信号的频率无关，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。
3．在显示方面，首先采用串行动态显示，节约了I/O口，简化了驱动电路的设计。

4、进度计划
序号日期进度安排
1 1、2周查阅资料
2 3周完成总体方案
3 4---7周完成硬件
4 8、9、10周完成软件
5 11、12、13周完成总体调试和文档

5、指导教师意见（对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测）
该设计以现场可编程门阵列（FPGA）和单片机8051芯片为核心部件，综合运用数字电路、单片机技术、EDA技术研制出一个具有完整功能的等精度数字频率计。形成一个具有很强的实用性和代表性的电子产品。有一定深度和较大难度，须刻苦努力方可完成。

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