多功能计数器设计

2011- 2012学年第一学期
《单片机原理及接口技术》
课程设计报告
题目：多功能计数器设计
专业：通信工程
班级：电气工程系09通信2班
姓名： 2222
指导教师： 2222
成绩：
电气工程系
2011 年12月15日
课程设计任务书
摘要
近年来，高精度频率测量仪器广泛应用在晶体和晶体振荡器等需求量大和要求高精度的行越来越多的电子产品要求具备高性能和低功耗的特点，一般精度的测量仪器不能满足对其测量要求，而高精度仪器成本由过高。

因此，亟待设计一种测量精度高、成本低的多功能测量仪器以满足大众需求。

而我们设计的这款多功能测量仪器具有设计精良、易操作、精度高、成本低的特点，具有良好的市场前景和经济效益。

众所周知，频率、周期、相位是交流信号的3大要素。

一般情况下，分析交流信号需研究其频率与相位，而周期可直接由频率计算。

对于正弦信号的频率、相位测量准确度的要求不断提高，而随着电子技术的发展，对其测量方法仍不断改进完善。

较早采用直接频率测量的测频法，为了保证测试精度，一般低频信号采用测周期法，而高频信号采用测频法，测量很不方便。

而相位测量最初采用测量信号一个周期参数的方法，该方法精度适用于低频，而高频时误差变大。

该多功能计数器采用等精度测量法来测量信号频率，同时采用基于单片机和FPGA的计数相位测量方法完成精确相位测量，并能在液晶显示器实时显示当前信号的频率、周期和相位差。

该计数器将正弦信号频率和相位的测量于一体，精度高，实用性强。

关键字：频率周期相位多功能计数器
目录
一、多功能计数器特点和技术指标
1.1多功能计数器主要特点- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5
1.2多功能计数器技术指标- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - -5
二、方案设计论证
2.1系统总体方案- - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6
2.2频率(周期)的测量- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6
2.3相位测量- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7
2.4时间的间隔测量- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - 7
三、系统的软硬件设计
3.1系统硬件电路设计
3.1.1 程控放大电路- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - -8
3.1.2过零比较电路- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - -9
3.2系统软件设计
四、系统测试与误差分析
4.1系统测试- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - -- - -10
4.2误差与结果分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -11
五、课程设计结束语
附录
参考文献
一、多功能计数器特点和技术指标：
1.1多功能计数器主要特点：1.单片机控制
2.等精度测量
3.测量速度20次／秒
4.高性价比，高可靠性
5.PPM测量时F0可任意设置
6.晶体行业专用PPM调频计
7.A通道具有低通滤波器和20倍衰减功能
8.10位LED显示（8位数据位，2位指数值） 11.新型导电橡胶轻触式按键，外形美观大方
1.2多功能计数器技术指标：
功能测频、测周、计数、自校
计数容量10(8) -1
灵敏度1Hz～10Hz (40mVrms)
10Hz～10MHz/100MHz (20mVrms)
低通滤波器截止频率约1MHz/100kHz
阻抗A通道：1M Ω /40pF B通道：50Ω
最大输入幅度A通道：交流加直流≤250Vp-p
B通道：≤3Vp-p
波形适应性正弦波、脉冲波、三角波
耦合方式AC 耦合
分辨率闸门时间10ms 显示6位闸门时间100ms 显示7位
闸门时间1s 显示8位闸门时间10s 显示8位
测量误差±时基准确度±触发误差×被测频率（或周期）± LSD
时基标称频率：10MHz
二、方案设计论证
2.1系统总体方案
根据设计任务和要求，本计数器在硬件上由电源模块、预处理模块、分频器、C8051芯片、LCD、键盘、温度测量模块、语音模块等部分组成，如图2-1所示。

图2-1系统设计流程图
2.2 频率（周期）测量
等精度测量法的测量时间是人为设定的，闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制，测量精度与被测信号频率无关，因而可以保证在整个测量频段内的测量精度保持不变。

被测信号的计数是同步的，对于基准信号来说，存在±1的误差，只要计数足够大，可满足高精度要求。

周期测量原理图
2.3 相位测量
相差一时间测量法是将整形后的两路方波送入FPGA，分别检测两个信号的上升沿，通过FPGA内部计数器在两个信号的上升沿间对晶振进行计数。

在低频段时，RC滤波电路的输出波动很大，该相位测量通过采用高频率的计数脉冲，相位受信号频率影响小，可实现较高的测量精度。

2.4时间的间隔测量：
由于函数信号发生器产生的信号都是周期信号，而且此法对周期信号的测量精度极高，因此只需用PCA捕捉周期信号的相邻两个上升沿。

并记录时间就得到了时间。

三、系统的软硬件设计
3.1系统硬件电路设计
该系统硬件电路设计是由峰值检波采样、整形比较、宽带通道放大、频率测量、相位测量、显示等模块构成。

低频比较器LM311对1 Hz到2 MHz的信号整形效果较好，高频比较器TL3116对200 kHz 以上的信号整形效果较好。

为实现1 Hz到10 MHz信号的频率测量，该系统以1为0.01～5 V的信号，应将其经峰值检波、A/D转换后选择模拟开关通道进行程控放大，经整形后测量，最后将测量结果送入
显示模块图1为该系统整体框图。

系统整体框图
3.1.1 程控放大电路
程控放大分为3段，对0.01～50 mV的小信号放大100倍，50 mV～1 V的小信号放大10倍，1～5 V的信号不放大。

选用8路模拟开关MAX308，为了采集与实现毫伏级信号，必须使用宽带放大电路进行放大，故采用TI公司的OPA637宽带运放实现 Gain=11及Gain=120的放大。

图2为OPA637增益为11倍的放大电路，增益为120的放大电路用2级OPA637级联即可实现。

3.1.2过零比较电路
输入信号送入LM311进行滞回比较，可较好消除边缘毛刺，实现低频信号整形。

TL3116是高频比较器，输入信号送入TL3116滞回比较，获得较为理想的高频方波整形信号。

故测频时分两段设计整形电路，整形电路将输入的周期信号整形成同频的方波输入FPGA进行测频。

图3为LM311滞回比较电路，TL3116外同电路与其相同。

过零比较电路电路图
3.2系统软件设计
该系统软件设计分为测频和测相两部分。

测频时信号经峰值检
波，A/D采样后送入FPGA，选择模拟开关对不同幅度段的信号进行程控放大。

放大后的信号分别经两路比较器整形，然后送往FPGA内分别计数，高频时采用经高频比较器整形后的计数值，低频时采用经低频比较器整形后的计数值，准确测得信号频率。

测相则直接将经低频比较器整形后的信号送入FPGA计数可得。

程序流程如图4所示。

程序流程图
四、系统测试与误差分析
4.1系统测试
测试的部分数据如表所示：
频率测量数据与标准值比较
周期测量数据与标准值比较
时间间隔测量数据与标准值比较
4.2误差与结果分析
（1）周期测量误差与结果分析
考虑到实验箱信号本身的精确程度，我们也选择了FPGA50MHz有源晶振经锁相环倍频、分频器分频后引出的信号作为测量信号，以作为参考。

有表格一分析可知：EDA试验箱中信号测量数据与实际数据存在较大差异，而FPGA引出的信号测量数据与实际数据完全一致。

由于FPGA中有源晶振经PLL倍频锁定后，输出的信号具有和固定基准信号同样的频率稳定性，我们有理由相信是EDA实验箱中先好自身存在误差，本计数器的周期测量功能成功实现。

另外，对EDA中高低频信号的测量误差进行分析可以证实原理中提到的“对于周期测量，高频
信号产生的误差比低频信号产生的误差大”的观点。

（2）频率测量误差与结果分析
与周期测量类似，我们采用两种信号作为测试信号。

由表4中的分析数据可知，无论对于方波还是正弦波，频率测量的误差满足设计要求。

我们顺利的完成了关于周期的所有基本和发挥的设计要求。

对于FPGA内部产生的信号，其精确度近似为100%。

高频信号发生器中产生的信号残生较大误差的原因是，高频信号发生器中所示的信号精确度很小，相对于我们所测得的精确到小数点后三围甚至六位而言，误差是不可避免的。

（3）峰值测量误差与结果分析
AD对此采样，每次采样数据保留最大采样数据，理论上可以采到峰值并且显示。

但实际对于高频信号而言，由于信号自身变化速度很快，甚至超过了AD采样的速度，有可能在短时间内采不到峰值点的数据，而使得测量结果偏小。

分析表5中数据可得以下结论：对于方波信号，只存在两中采样情况，因此高频或低频多容易猜到峰值电压；对于正弦波、三角波信号，存在多种采样情况，采到峰值的可能性随频率的增高而减小，因此低频时交易测得峰值信号，高频测量误差很大。

五、课程设计结束语
一个多星期的课程设计已经告已结束，在这一个星期中，我们通
过上网查资料和翻阅图书馆的相关书籍等，我们完成了课程设计题目基本要求设计过程中，同时也拓展了自己的知识范围，并且培养了自己严谨认真的习惯。

正弦信号的频率、周期和相位差测量的多功能计数器实现了对频率1Hz～10 MHz、幅度0.01～5Vrms的正弦信号精确测频。

其精度达到10-6Hz。

同时，该计数器设计也实现频率10 Hz～100 kHz、幅度0.5～5Vrms的正弦信号精确测相，准确度达到1°，并且能在液晶显示器实时显示当前信号的频率、周期和相位差。

该系统操作简单，模块化程度高，精度高，显示界面友好，具有较强的可行性和实用性，具有良好的市场前景。

但由于时间和硬件资源的限制，个别指标做的不是非常完善，希望得到老师的指导以得到改进。

附录电路设计原理图及相关仿真图
参考文献
[1] 李朝青《单片机原理及接口技术》北京航空航天大学出版社
[2] 童诗白华成英《模拟电子技术基础》高等教育出版社
[4] 夏雨闻《数字系统设计教程》北京航空航天大学出版社
[5] 潘永雄沙河《电子线路CAD 实用教程》西安电子科技大学
[6] 时建平《数字电子技术》国防工业版社。