基本信息
- 项目名称：
- 基于单片机和CPLD的等精度频率计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本课题的等精度数字频率计设计，采用当今电子设计领域流行的EDA技术，以CPLD为核心，配合STC89C51RC单片机，采用多周期同步测频原理，信号经前端放大、限幅和整形后实现了输入电压范围为0.3－5V 正弦波，方波，三角波，矩形波，脉冲以及其它不规则等对频率范围在0.1Hz-200MHz信号频率的等精度测量。
- 详细介绍：
- 频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一。频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度，所以测频率方法的研究越来越受到重视。本课题的等精度数字频率计设计，采用当今电子设计领域流行的EDA技术，以CPLD为核心，配合STC89C51RC单片机，采用多周期同步测频原理，信号经前端放大、限幅和整形后实现了输入电压范围为0.3－5V 正弦波，方波，三角波，矩形波，脉冲以及其它不规则等对频率范围在0.1Hz-200MHz信号频率的等精度测量。设计中用一块复杂可编程逻辑器件CPLD芯片EPM7128STC100—10完成各种时序逻辑控制、计数功能。用STC89C51RC单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、LCD显示输出。系统将单片机的控制灵活性及CPLD芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。 主要技术指标： （1）测量频率范围：0.1Hz－200MHz； （2）误差范围：测频全域相对误差恒为百万分之一，即误差达10-7数量级； （3）输入电压范围：0.3－5V ； （4）测量波形：正弦波、方波、三角波、矩形波、脉冲以及其它不规则信号等。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的、基本思路： 由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，频率计拥有非常广泛的应用范围。高精度的频率计有着广泛的市场前景。 等精度测频方法可兼顾低频与高频信号，等精度频率测量有较高的测量精度，且误差不会随着被测信号频率的改变而改变。本制作设计时采用了该设计思想。 创新点： ① 利用CPLD完成待测信号的测量和基准时钟计数部分，利用单片机完成系统的控制及数据处理。缩短了开发研制周期且使系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点； ② 采用信号整形、分频技术，具有测量频带范围宽，可测量电压大的特点，并且可以测量方波，正弦波，三角波，矩形波，脉冲以及其它不规则信号等； ③ 不仅可以测量频率，还可以测量周期，使用起来智能方便灵活，只要编写相应的程序便可实现其他的相应功能； ④ 该等精度频率计可用于工程领域的高速计数场合，实用，功耗也比较低。 技术关键： 本制作设计采用先进的EDA技术及自上而下的设计，把资源丰富、控制灵活及良好的STC89C51单片机和具有内部重组、现场可编程的CPLD芯片完美结合起来，大大缩短了开发研制周期。利用前级信号调理电路对输入信号进行电压转换，并提高了输入阻抗。 主要技术指标： （1）测量频率范围：0.1Hz－200MHz； （2）误差范围：测频全域相对误差恒为百万分之一，即误差达10-7数量级； （3）输入电压范围：0.3－5V ； （4）测量波形：正弦波、方波、三角波、矩形波、脉冲以及其它不规则信号等。
科学性、先进性
- 由等精度测频原理知：若能精确地实现计数，经过简单的乘除运算，即可得到待测频率。然而，在兆赫兹级的计数，一般单片机就无能为力了，而CPLD的时钟频率可达纳秒级，完全可以实现其计数功能。要CPLD完成兆级以上的乘除运算， 需消耗更多的硬件资源，而单片机在不受运行速度限制时几乎不要增加任何成本，单片机和CPLD芯片完美结合起来， 使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、图纸、磁盘、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品操作简单，只需通电接入频率信号即可通过LCD屏幕读取对应频率数值。制作具有前端信号调理电路，对所给信号进行电压转换，并提高了输入阻抗。巧妙地将CPLD与单片机结合了起来，大大简化了电路布置复杂程度，提高了电路设计的灵活性。是一种低成本、高性价比的频率测量方案。本制作可以用于通信、电力、教学、科研、钟表、仪表、工厂技检等行业要求测量精度高的场合。本方案具有结构简单，成本低等特点，具有相当广泛的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 目前，市场上频率计的产品种类繁多，常用的数字频率计的测量方法有三种: 直接测量法(以下称M法) 、周期测量法(以下称T法) 和综合测量法(以下称M /T法) 。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数, 进行换算得出被测信号的频率。T法是通过测量被测信号一个周期内计时信号的脉冲个数, 然后换算出被测信号的频率。这两种测量法的精度都与被测信号有关, 因而它们属于非等精度测量法。而M /T法它通过测量被测信号多个周期的时间, 然后换算得出被测信号的频率, 克服了测量精度对被测信号的依赖性。M /T法的核心思想是通过闸门信号与被测信号同步, 将闸门时间τ控制为被测信号周期长度的整数倍。测量时, 先打开参考闸门, 当检测到被测信号脉冲沿到达时开始计时, 对标准时钟计数; 参考闸门关闭时, 计时器并不立即停止计时, 而是待检测到被测信号脉冲沿到达时才停止计时, 完成测量被测信号整数个周期的过程。本制作设计时采用了该设计思想，并取得了良好的测试效果。 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机和EDA技术的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。传统的频率计测量误差较大，等精度频率计以其测量准确、精度高、方便等优势将得到广泛的应用。 本课题的等精度数字频率计设计，采用当今电子设计领域流行的EDA技术，以CPLD为核心，配合STC89C51RC单片机，采用多周期同步测频原理，信号经前端放大、限幅和整形后实现了输入电压范围为0.3－5V 正弦波，方波，三角波，矩形波，脉冲以及其它不规则等对频率范围在0.01Hz-200MHz信号频率的等精度测量。设计中用一块复杂可编程逻辑器件CPLD芯片EPM7128STC100—10完成各种时序逻辑控制、计数功能。用STC89C51RC单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、LCD显示输出。系统将单片机的控制灵活性及CPLD芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。实现了宽幅度、宽频率测量。
