毕业设计（论文）基于单片机和FPGA的数字鉴频器及在labview中显示

1、摘 要随着电子信息产业的发展，频率已成为一个很重要的参数，频率也是系统工作速度的重要指标，并且与许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的关系，因此频率的测量就显得尤为重要。频率的测量方法有很多种，目前多用的是电子计数器测频，它具有精度高、使用方便、速度快等优点，是频率测量的重要手段之一。电子测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定的鉴频门宽内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测量法。前者一般用于高频信号的测量，后者一般用于低频信号的测量。本设计用fpga和单片机实现一个100mhz以内的数字鉴频器，100mhz以内的信号可以是连续的、间断的正弦信号，也可以是方波包络调制的连续

2、、间断的正弦波，并且保证较好的精确度。本设计引入了等精度算法，利用fpga对标准频率信号和待测频率信号的上升沿分别进行计数，并设置合适的鉴频门宽，鉴频时间结束之后，再利用等精度算法得出待测信号的频率。结果表明，电子计数器鉴频能取得较好的精度，而用单片机和fpga联合工作进行鉴频，不仅精度高，而且速度也很快，测量范围广。关键词：等精度；fpga；电子计数器测频abstractwith the development of electronic information industry，the frequency has become an important indicator of a ver

3、y important parameter, it is also an important indicator of the speed of work and have a very close relationship with a lot of electric parameters measuring programs and measuring results, so the frequency measurement is particularly important. there are many ways to measure frequency, and the frequ

4、ency discriminator method most commonly used is electronic counter frequency measurement, it has a high precision,and easy to use, it become one of the important means of frequency measurement. there are tow ways for electronic frequency measurement: one of them is the direct measurement, namely mea

5、sure the number of pulses of the measured signal in the frequency discriminator gate width; another is indirect frequency measurement, such as the cycle measurement. the former is generally used for the measurement of high-frequency signal; the latter is generally used for the measurement of low-fre

6、quency signals. the purpose of this design is to design a digital frequency discriminator that can discriminate sinusoidal signals within 100mhz. the signal can be continuous or intermittent, and it can also be continuous or intermittent sinusoidal signals that be modulated by a square wave. the des

7、ign should ensure a better accuracy. this design introduces the equal precision arithmetic,it counts numbers on the rising edge of the standard signal and the target signals with using fpga, and we can set an appropriate frequency discriminator gate width, and use equal precision algorithm to calcul

8、ate the frequency of the signal tesed after the frequency discriminator time is over. the results show that the electronic counter frequency discriminator can work accuracily, while, it has a better precision and faster speed with mcu and fpga work together, and measurement range is also wider.keywo

9、rds: the equal precision arithmetic; fpga; electronic counter frequency measurement目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景11.2 以单片机为核心鉴频的目的和意义21.3 用labview作为显示工具的意义31.4 国内外在该方向的研究现状及分析51.5 主要研究内容71.6 本文结构7第2章 系统设计的思路92.1 系统硬件框图92.2 系统设计流程112.2.1 系统整体软件流程112.2.2 fpga软件流程122.2.3 labview软件流程142.3 本章小结14第3章 以单

10、片机为核心的控制器系统中的子模块153.1 可调阈值模块153.1.1 dac0832与lm324153.1.2转换电路173.1.3 电压按键加减173.2 信号整形模块183.2.1 tsg-17信号发生器183.2.2信号整形介绍及max961193.3 计数模块223.3.1 quartus ii 介绍223.3.2 vhdl语言介绍223.3.3 fpga介绍233.3.4 52单片机数据处理说明263.4 labview显示模块273.5本章小结28第4章 系统运行结果及分析294.1 信号部分294.2 控制显示部分304.2.1阈值调节模块304.2.2 labview 显示模

11、块304.3 本章小结31结 论32致 谢33参考文献34附 录35千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景随着电子信息产业的发展，在电子和控制等领域内，频率是一种基本的参数，并与其它许多电参量的测量方案和结果有着十分密切的关系，频率的测量在科技研究和实际应用中的作用越来越显得行重要，而且需要测频的范围也越来越宽。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品如果体积大，运行速度慢，而且测量精度也不高，特别是现代的先进科技向世界的各个领域延伸

12、，传统的频率计已渐显劣势。因此，随着对频率测量要求的提高，传统的测频方法在实际应用中已不能满足要求，因此我们需要找新的测频方法1。随着单片机技术的发展和成熟，用单片机来实现对一个电路系统的控制也逐渐显示出其无与伦比的优越性，特别是在一些特殊的场合，对用单片机作为控制和计算模块，对某一特定的频率进行精确的鉴频，已成为了一个深刻的课题。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是可编程器件高集成芯片的出现和发展，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。单片机可以理解为集成在单一芯片上的微型计算机系统，麻雀虽小可是五脏俱全

13、，也有运算器、控制器、存储器、总线及输入输出设备，采用也是存储程序执行的方式，对单片机的编程就是对其中的rom写入程序，在加电后rom中的程序会像计算机内存中的程序一样得到逐条地执行。当今的单片机还集成了a/d、d/a转换，并串口等多种与外界进行数据交换的手段。单片机计算速度和性能有限，但在一些基本控制上搓绰绰有余。fpga是操控层次更低,所以自由度更大的芯片，对fpga的编程在编译后是转化为fpga内的连线表，相当于fpga内提供了大量的与非门、或非门、触发器（可以用与非门形成吧）等基本数字器件，编程决定了有多少器件被使用以及它们之间的连接。只要fpga规模够大，这些数字器件理论上能形成一切

14、数字系统，包括单片机甚至cpu、fpga在抗干扰、速度上有很大的优势。目前fpga以硬件描述语言（verilog或 vhdl）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录到fpga上进行测试，是现代 ic 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如and、or、xor、not）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的fpga里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（flip-flop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把fpga内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂

15、后的成品fpga的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以fpga可以完成所需要的逻辑功能。本设计就是利用了51单片机数据处理功能强大和fpga速度快的特点，联合实现一个高速数字鉴率计。1.2 以单片机为核心鉴频的目的和意义单片机的出现是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。单片机以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各自智能仪器中，在工业和控制中起到了重要作用。单片机由于体积小，很容易嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这些是一般的微型计算机无法做到的。由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成

16、各种应用系统，如工业自动检测监测系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。以单片机为核心构成的应用系统具有以下优点：（1）功能齐全、应用于可靠、抗干扰素能力强。（2）简单方便，易于普及。（3）发展迅速，前景广阔。在短短的几十年的时间里，单片机经过了4位机、8位机、16位机、32位机等几大发展阶段，尤其是形式多样、集成度高、功能日瑧完善的单片机的不断问世，更使得单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足的发展和大量的应用。近几年来，单片机的内部结构愈加完美，配套的片内外围功能部件越来越完善，为应用系统向更高层次和更大规模的发展奠定了坚实的基础。（4）嵌入容易，用途广泛。单片机的用途广泛、性

17、能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。单片机出现以前，人们想要制作一套测控系统，往往采用大量的模拟电路、数字电路、分立元件，这样，不仅系统的体积庞大，而且由于线路太复杂，连接点太多，极易出现故障。单片机出现以后，电路的组成和控制方式都发生了很大的变化。在单片机应用系统中，这些测控功能的绝大部份都由单片机的软件程序实现，其它电子线路则由单片机片内的外围功能部件来替代。单片机的发展趋势是向大容量、高性能化、外围电路内装化等等方面发展，为满足不同用户的要求，各公司竞相推出了能满足不同需求的产品。频率测量的方法很多，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、速度快和便

18、于实现测量过程自动化的特点，成为必测量频率的重要手段之一。实现一个宽频域、高精度的频率计，一种有效的方法是：在高频段直接采用测频率法，低频段采用测周期法。传统的数字频率计本身并无计算能力，因而难以使用测周期法，而51系列单片机却能轻松地做到这一点。以51单片机为控制器件的测频方法，并用c语言进行编程设计，采用单片机进行智能控制，结合有效的外围电路，得以高低频段的测量，最终实现多功能的数字鉴频器。根据信号的不同特点，采用单片机是可以实现对测量电路的控制的2。1.3 用labview作为显示工具的意义labview是一种程序开发环境，由美国国家仪器（ni）公司研制开发的，类似于c和basic开发环

19、境，但是labview与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而labview使用的是图形化编辑语言g编写程序，产生的程序是框图的形式。虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。pc机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 microsoft公司的 windows 诞生之前，ni公司已经在macintosh计算机上推出了labview2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 labview长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前labview的最新版本为 labview 2011，lab

20、view 2009 为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。使用labview软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、labview real-time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大。labview程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能运行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样，labview中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序那

21、样受行顺序执行的约束。因而，我们可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行3。虚拟仪器技术就是用户自定义的基于pc技术的测试和测量解决方案。虚拟仪器相对于传统仪器，它有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、完美的集成功能。虚拟仪器是计算机技术和仪器测量技术相结合的产物，它充分利用了计算机强大的运算处理能力，突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制。目前，基于pc的a/d及d/a转换，开关量输入、输出，定时计数的硬件模块，在技术指标以及可靠性等方面已经相当成熟，而且价格，常用的传感器及相应的调理模块也趋向模块化、标准化，因而减少了硬件的重复

22、开发，这使得使用者可以方便地对其进行硬件的维护、功能扩展和软件的升级。虚拟仪器的特点如下：（1）具有可变性、多层性、自助性的面板。（2）强大的信号处理能力。（3）虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户定义。（4）具有标准的、功能强大的接口总线、板卡和相应软件。（5）虚拟仪器有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用等特点。 由于采用了图形化编辑语言-g语言，labview产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可以在很短的时间内学习和掌握并应用到实践当中去。因此硬件工程师、现场工和程技术人员测试技术人员学习labview驾轻就熟，在很短的

23、时间内就能够学会并应用labview，不必去记忆那些复杂的程序代码。labview的表现形式和功能类似于实际的仪器，但labview的程序很容易改变设置和功能。因此labview特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备参数的功能的场合，以及对信号进行分析、研究、传输等场合。总而言之，由于labview能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将烦琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐，与传统的编程语言比较，labview图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了

24、极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将原有的带有rs-232接口的仪器、vxi总线仪器，以及gpib仪器通过计算机连接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一的管理和操作4。可以预见，由于labview这些其他语言无法比拟的优势，已经成为该领域的一朵奇葩，最终将引发传统仪器的一场革命。1.4 国内外在该方向的研究现状及分析自从五十年代初期电子计数器问世以来, 它的发展是非常迅速的, 就微波计数式频率计而言, 由于空间技术、雷达技术、通讯技术、微波器件测量等方面的发展, 迫切需要微波频率计适应这种发展的需要。要求频率计数字化、快速自

25、动化, 宽频带、高精度, 因而促进了微波频率计的性能不断完善和提高。高速计数式频率计的性能归纳起来有四大特点: 首先是宽频带性。例如1972年美国h公司的5340a型自动微波计数器,测试频段为10赫兹18千兆赫兹,1976年美国杂志上发表syst-ron-donner公司生产的6054b型自动微波频率计数器,频率范围是20兆赫兹至24千兆兹赫。日本武田理研公司研制的tr-5203型自动微波频率计数器,频率测量范围10赫兹至32千兆赫兹,这是目前所能实现自动测量的频率上限。由此看来,发展的趋势是如何将测试频率向毫米波和亚毫米波段扩展。第二是高精度。整机的测量精度主要决定于机内振荡器的频率稳定度。

26、当前锁相技术的发展, 使振荡器的频率稳定度大大提高。例如tr-5202型自动微波频率计数器,测量的时基精度(3x10e-9/天),6054型自动微波频率计数器的时基精度。第三是自动化。微波频率计的发展,由手动测量逐步改进为半自动测量,现在发展到全自动化。第四是提高直接计数的频率。我们知道微波频率至今是不能直接计数的,要采用不同的方案将微波频率降低,变成低频后再直接测量。但显示器上仍然获得微波频率的读数。目前致力于提高直接计数的频率,这样可以简化微波频率测量的方案,便于测试频率向高端发展。此外,自动微波频率计数器除了测量连续高频振荡外,还要求能测试高频脉冲信号,例如美国451型自动频率计数器,

27、测量高频脉冲可到18 千兆赫, 脉冲宽度小10毫微秒，这对于雷达导航系统的频率测量是非常需要的。 国际上数字鉴频的分类很多，按功能分类，分为通用型和专用型。测量某种单一功能的计数器，如频率计数器，只能专门用来测量高频各微波频率，时间计数器，是以测量时间为基础的计数器，其测时分辨率准确度很高。按频段分类，分为低速计数器（f100mhz）和微波频段计数器（1-80ghz或更高）5。目前，市场上的频率计厂家可分为：中国大陆厂家、中国台湾厂家、欧美厂家，其中欧美频率计厂家所占的市场份额最大。欧美的频率计厂家主要有：pendulum instruments 和agilent科技。pendulum ins

28、truments公司是一家瑞典公司，总部位于斯德哥尔摩。pendulum公司源于philips公司的时间频率部门，在时间频率测量的领域内具有40多年的研发生产经历。pendulum instruments常规频率计主要有cnt-91、cnt-90、cnt-81、cnt-85。同时，pendulum instruments公司还推出铷钟时基频率计cnt-91r、cnt-85r。以及微波频率计cnt-90xl（频率测量范围高达60g）。agilent科技公司是一家美国公司，总部位于美国的加利福尼亚。agilent科技公司成立于1939年，在电子测量领域也有着70多年的研发生产经历。agilent科

29、技公司的常规频率计信号主要有：53181a、53131a、53132a。同时，agilent科技公司还推出微波频率计：53150a，53151a，53152a（频率测量范围最高可达46g）。 国外在鉴频器上的发展比我们国家要早，所以在这些领域内还领先于我们，目前我国尚缺少开发和研发的资金和投入，使得我国在这方面的发展显得后劲不足，从而很多企业没能形成很大的竞争力。我国的鉴频方向的发展其实并不落后于发达国家太多，我国在这个领域发展是非常迅速的，数字化的发展也很快，甚至和发达国家的发展水平保持相当。数字鉴频器已经应用于诸多高科技产品上，而高科技的快速发展也对鉴频产生的更高的需求。今天的数字频率计已

30、开始并正在向智能、精细、高速的方向发展，所以我们应加大投入的力度，抓住机遇，把自己的品牌做大做强。1.5 主要研究内容在数字鉴频系统的设计中，引入了等精度测量的算法，提出了一套基于单片机的控制和数据处理的设计方案，同时还设计了一个比较器可变阈值的模块，继而完成了一套完整、具有较高精度、具有一定实用性、同时成本较低的设计方案。为了提高系统的性能，尽可能地降低测量误差，本文仔细分析了整形阈值和鉴频门宽设置的问题，分别提出了以下的解决方案。(1) 信号整形模块是系统设计的重点和难点。高频信号很容易受到外部环境的干扰，所以整形模块对电路设计的要求是比较高的。本设计采用的是max961高速比较器，它的工

31、作速度高达220mhz，足以满足设计需求，为了减小干扰，整形电路应该做成pcb板6，布线尽可能短，全用贴片形式封装。(2) 在整形阈值调节模块的设计中，引入了dac数模转换技术，设置一个按键可调的模拟电压输出电路。阈值电压是根据信号电压幅值确定的，为max961设定一个恰当的阈值电压能保证较好的鉴频精度。 (3) 对于一些方波调制的间断的正弦信号和脉冲包络调制的正弦信号，考虑到它们宽度会对测量结果造成误差，在fpga里应设置为上升沿实时触发，实时对上升计数并让单片机实时启动定时器。1.6 本文结构按数字鉴频器的频段分类，本设计属于中速计数器。本文将围绕设计一个完整的正弦信号鉴频系统的过程展开。

32、主要包括信号整形模块、阈值调节模块、频率计数模块和labview显示模块，本文设计的系统的总体结构框图如图1-1所示。图1-1 系统的总体结构框图本文主要内容如下：第2章中，对整形和计数及显示过程中的每个步骤进行了描述，并给出了每个步骤完成后实物效果图。 第3章中，详细介绍了等精度算法的相关内容，并给出了系统设计的流程，及在设计过程中遇到了一些问题和对应的解决方案。最后对毕业设计工作进行了总结。第2章 系统设计的思路2.1 系统硬件框图图2-1为系统硬件框图。d触发器用于信号的上升沿实时触发，d相当鉴频门宽；counter0和counter1是两个32位计数器，clr=0时它们全被清0；“32

33、-8-*”用于将32位二进制分成四组每组8位进行输出；m是二选择一输出允许模块。程序开始运行时，先将clr和d置0，然后都置1，当待测信号出现上升沿时，en=1，counter0和counter1两个计数器立即开始分别对标图2-1 系统硬件框图准信号和待测信号计数，同时52单片机也检测到了en高电平，马上启动定时器，定时器的时间可在labview的控制界面中设定。当时间到达之后，置d=0，此时计数可能并没有马上停止计数，错过测信号若干个上升沿后en变为0，这时计数器才停止工作。计数器停止计数后，通过r选择允许哪组数输出。r=0时，输出counter0； r=1时，输出counter1。ch是二

34、位二进制,接单片机的p10和p11（使用的时候p10和p11的值必须同时改变，否则在接收fpga数据的时候会出现混乱，从而导致错误。赋值的方法为：p1=x，x=03。所以当单片机接收数据的时候，其p1口被占用）。ch用于选择4组8位二进制。q输出的是8位二进制，接单片机p0口。最后将接收到的数据进行等精度计算处理7，再然后送到labview中显示。等清度算法的分析如下：根据两个计数器计数的时间相等得：误差分析如下:在一次测量中，由于counter1计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在t时间内对fx的计数counter1无误差；在此时间内couter0的计数最多相差一个脉冲，即|et|1

35、，则下式成立:counter1/fx=counter0/fscounter1/fxe=(counter0+et)/ fs所以有: fx= counte1* fs /counter0fxe= counte1* fs /(counter0+et)根据相对误差公式有:fxe/fxe=|fxe-fx|/fxe，代入整理得:fxe/fxe=|et|/counter0，又因为:|et |1所以:|et |/counter01/counter0 即:fxe/fxe1/counter0其中:counter0=t* fs，由以上推导结果可得出下面结论:(1)相对测量误差与频率无关。(2)增大 t或提高fs，可以

36、增大ns，减少测量误差，提高测量精度。(3)标准频率误差为fs/fs，由于晶体的稳定度很高，标准频率误差可以进行校准。(4)等精度测频方法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。在预置门时间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在整个测量范围内保持恒定不变，而常规的直接测频法 (在低频时用测周法，高频时用测频法)，其精度会随着被测信号频率的下降而下降。2.2 系统设计流程2.2.1 系统整体软件流程系统整体软件流程图如图2-2所示。系统开始运行时，需由单片机对fpga进行初始化，把计数器和d触发器清0，同时单片机的定时器也初始化。当外部信号出

37、现上升沿时，系统会很快检测到en=1并开始启动计数器和定时器，当时间到达设定的门宽后，单片机会关闭定时器，并使d触发器输出置0，计数器停止工作。然后单片机接收fpga的计数结果，并进行数据处理，完成处理后再发到labview中显示。图2-2 系统整体软件流程图fpga程序流程图如图2-3所示。当en=0，计数器计数完成后，通过单片机 i/o口使改变r的值。当r=0，此时fpga的二选一选择器允许输出counter0的数据，然后通过改变ch的值来选择counter0中的数据，ch从0到3改变时，单片机的p0口会收到相应组的8位数据；当r=1，此时fpga的二选一选择器允许输出counter1的数

38、据，然后通过改变ch的值来选择counter0中的数据，ch从0到3改变时，单片机的p0口会收到相应组的8位数据。图2-3 fpga程序流程图2.2.2 fpga软件流程单片机程序流程图如图3-3所示。单片机初始化后，等待fpga的“en=1”信号，当en=1时，单片机马上启动定时器（本设计用的是22.1184m的晶振，理论上的最小定时时间为452ns），当定时器的计数时间到达设定的时间后，单片机置d=0，待测信号的下一个上升沿出现时，en=0，此时fpga的计数器已经停止工作了，它们都在等待单片机将数据取走。单片机通过改变r和ch的值来接收两个计数器的数据，方法如下：r=0时：ch=00，通

39、过a=p0接收低8位。ch=01，通过b=p0接收815位。ch=10，通过c=p0接收1523位。ch=11，通过d=p0接收2431位。counter0=(d24)+(c16)+(b8)+a,还原为原来的32位数。图2-4 单片机程序流程图r=1时：ch=00，通过a=p0接收低8位。ch=01，通过b=p0接收815位。ch=10，通过c=p0接收1523位。ch=11，通过d=p0接收2431位。counter1=(d24)+(c16)+(b8)+a,还原为原来的32位数。得出counter0和counter1后，用等精度算法就能求出待测信号的频率了。然后由单片机通过编写串口程序将其发

40、送到labview是显示。2.2.3 labview工作流程图2-5为labview的软件流程图。labview的优点不是不用写复杂繁多的代码，能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将烦琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便。当在前面板中设置好鉴频门宽后，按上系统总按钮，整个鉴频系统就能开始工作了。图2-5 labview的工作流程图2.3 本章小结本章给出了整个系统设计的体流程，并清晰地分析了系统是如何工作的，同时也对等精度作出了误差分析，为整个系统设计提供了理论依据。第3章 以单片机为核心的控制器系统中的子模块3.1 可调阈值

41、模块3.1.1 dac0832与lm324dac0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位dac，可以直接与单片机连接，其主要有如下特性：（1）分辨率高8位；（2）电流输出，建立时间为1us；（3）可双缓冲输入，单缓冲输入和数字直接输入；（4）单一电源+5+15v；（5）低功耗，25mw。3-1为其引脚分布图。图3-1 dac0832引脚图 图3-2 lm324引脚图dac0832与微处理器完全兼容，这个da芯片以其价格低廉、接口简单、转换容易控制等优点，在单片机应用系统中得广泛的应用。d/a转换器由8位输入锁存器、8位dac寄存器、8位d/a转换电路及转换控制电路构成。 dac082的引脚功

42、能如下： （1）d0d7：8位数据输入线，ttl电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）。（2）ile：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。（3）cs：片选择信号输入线（选通数据锁存器），低有效。（4）wr1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ile、cs、wr1的逻辑组合产生le1，当le1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，le1的负跳变时将输入数据锁存。（5）xfer：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。（6）wr2：dac寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由wr2、xfer的逻

43、辑组合产生le2，当le2为高电平时，dac寄存器的输出随寄存器的输入而变化，le2的负跳变时将数据锁存器的内容打入dac寄存器并开始d/a转换。（7）iout1：电流输出端1，其值随dac寄存器的内容线性变化； （8）iout2：电流输出端2，其值与iout1值之和为一常数； （9）rfb：反馈信号输入线，改变rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； （10）vcc：电源输入端，vcc的范围为+5v+15v； （11）vref：基准电压输入线，vref的范围为-10v+10v； （12）agnd：模拟信号地 dgnd：数字信号地lm324（如图2-2b）是四运算放大器。放大器一般都有三大特点

44、：（1）开环放大倍数非常高，一般为几千，甚至可高达10万。在正常情况下，运算放大器所需要的输入电压非常小。 （2）输入阻抗非常大。运算放大器工作时，输入端相当于一个很小的电压加在一个很大的输入阻抗上，所需要的输入电流也极小。 （3）输出阻抗很小，所以，它的驱动能力非常大。lm324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合.其特点如下：（1）内部频率补偿。（2）直流电压增益高(约100db)

45、。（3）单位增益频带宽(约1mhz)、（4）电源电压范围宽：单电源(332v)； 双电源(1.516v)。（5）低功耗电流，适合于电池供电。（6）低输入偏流。（7）低输入失调电压和失调电流。（8）共模输入电压范围宽，包括接地。（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。（10）输出电压摆幅大(0至vcc-1.5v)。3.1.2转换电路设计dac0832与51单片机的接口电路时，常用单缓冲方式与双缓冲方式的单极性输出。 图3.3为单极性模拟电压输出电路，由于dac0832是8位（28=256）的d/a转换器，由基尔霍夫定律列出的方程组可解得dac0832的输出电压v0与输入数字量b的关系为：显然

46、，dac0832输出的模拟电压v0与输入的数字量b以及基准电压vref成正比，且b为0时v0也为0，输入数字量为255时，v0为最大值的绝对值输出，且不会大于vref。8图3-3 单极性模拟电压输出电路3.1.3 电压按键加减图3-4 按键电路图电压加减按键分别接外部中断0和外部中断1，单片机内部编写防抖程序，按键接线图如图3.4所示。p3.2键是用来增加电压量的，p3.3是用来减小电压量的。单片机程序里已经设置好了防抖，使每按一次键的时候数据既不会变得太大，也不会变得太小。3.2 信号整形模块3.2.1 tsg-17信号发生器tsg17(如图3-5)型高频讯号发生器能满足业余、实验室、生产线

47、等多方面的频率要求，可调的内部调制频率，可使生产线品质检查员准确而容易听出所选频段。特性陈述:频率范围:a段：100 khz300 khzb段：300 khz1000 khzc段：1 mhz3.2 mhzd段：3 mhz35 mhz f段：332 mhz150 mhz （三次谐波可达到450 mhz）频率准确度:5%输出电平:无载时约100 毫伏输出电平范围:0100 mv可调 调制:1、内部：调幅约030%可调. 2、频率范围：150 hz1.5khz3、外部：50 hz20khz 低频输出:150 hz1.5 khz； 图3-5 tsg17信号发生器约3 v、1000阻抗 tsg17信号发

48、生器 用于产生行测的正弦信号，本设计要求的是100mhz以内的鉴频，但理论上是可以测到275mhz的。tsg17信号发生器输出的信号电压幅值在05v之间，无需放大，也无需滤波，只需通过dac阈值调节模块适当调节max961的阈值即可。值得注意的是，示波器用于获取信号的探头线和接信号源信号源的输出线应选些质量好的，否则信号会出现很大的衰减，导致示波器无法检测到信号，就更不用谈对信号进行整形了。图3-6为信号发生器的信号波形。图3-6 信号源正弦波波形3.2.2信号整形介绍及max961 一般当我们接收到一个信号的时候，它并不都是可以被我们直接观察和分析的，而是只有通过一定的电路将其处理，使之成为

49、可让我们易于观察和分析的、稳定的信号。当我们收到一个正弦信号时，要对其进行整形，简单的说，就是将模拟信号转换成数字信号，这样才易于我们进行研究。一般的基本放大电路将电路中的各种影响纤毫的因素进行了理想化的考滤，但是实际的应用中，电路外接的电阻、电容及电源等器件的电压也会随着环境的变化而变化，而且连接的导线存在电阻、引线存在分布电容和分布电感、印刷电路板的绝缘介质存在漏电等，这些因素都会对信号的处理造成影响，特别是对高频信号的处理。整形电路还应该包括滤波电路，滤波电路是一种对信号的频率具有选择性的电路，也是一种使有用信号通过、同时抵制无用信号成份的电路，在实际的电子系统中，外来的干扰信号多种多样

50、，应该设法将其滤出或衰减到足够小的程度，而在有些场合，有用的信号与其他信号混在一起，我们必须设法将有用信号分离出来，所以需要采用滤波电路来对信号进行滤波。滤波在通信、电子工作、工业控制和信号处理等领域得到了广泛的应用。由r、l、c等原件组成的滤波电路叫做无源滤波器，而由集成运放和r、c组成的，通常不用电感，由于集成运放的开环增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很小，因此有源滤波电路的工作频率不能太高。理想的滤波器在通带内应该具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而阻带应该具有无限大的幅度衰减，按照通常阻带的的位置分布，滤波器常分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器，各种滤波器的实际频率响应特性与理想

51、的频率响应特性之间有一定的差别，滤波的实际任务就是去除信号中的无用成份，力求向着理想特性曲线逼近。最简单的信号整形电路就是一个单门限电压比较器，当输入信号每通过一次零时触发器的输出就产生一次跳变。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端电压就会产生一次跳变，输出的电压幅度受供电电源限制，因此输出电压的波形是具有正负极性的方波。这样就完成了信号的整形工作。但是这样的整形电路抗干扰能力差，由于干扰信号的存在，将导致信号在过零点时会产生多次触发的现象，从而影响本设计系统中的fpga的计数，从而使误差变得很大9。本设计采用的是max961高速比较器作为整形电路的核心，再配上必要的外围电路整形效果还是

52、挺好的。图3-7 max961引脚图如图3-7，max961是一种低功耗的含有内部滞回作用的高速电压比较器，最佳工作电压为35v，传输延迟达4.5ns,只要设置合适的阈值，它可以对mv级的模拟信号进行整形。当shdn为高电平时，max961关闭，此时shdn和输出端为高阻态;当shdn为低电平时，芯片正常工作，其它状态都为高阻态。 le有很高的输入阻抗，当le为低时，芯片没有锁存功能当le为高电平是，max961的输出状态将被锁存起来。in+是阈值电压的接入端，in-是信号的接入端，6、7口为整形信号输出端，6为同相输出端，7为反相输出端。其主要应用于：单3v/5v系统、便携式/电池供电系统、

53、阈值检测器/鉴别器、gps接收机、线接收器、过零检测器、高速采样电路等。max961是高速器件，当处理高频信号时，它对周围环境的要求比较高，为此需做pcb板，使外围电路的连线尽可能短。如图3-8为max961的外围连线和其pcb布局图，3-9为pcb成品图，3-10为实物接线图。图3-8 max961外围连线和其pcb布局图图3-8中c1用于滤波，c2和c3用于去耦合。阈值电压为vcc的1/10，当目标信号电压较小时，模块显然不能满足要求，使阈值电压可调需接入dac0832阈值调节模块（da模块的输出接max961的反相输入端），根据实际情况在pcb板上作相应的修改。图3-9 pcb成品图腐蚀

54、电路板的前，要检查碳粉是否完好地附在铜板上，如果有漏的或碳粉较薄的地方，应用碳笔在上面涂好，以免腐蚀的时候损坏电路中的连线。腐蚀的过程中还应该时刻观察铜板的腐蚀情况，以免腐蚀过度。图3-10实物接线图为了保证模块良好的工作效果，外接线的导线性能须很好，探头和线的也必须接触良好。3.3 计数模块3.3.1 quartus ii 介绍quartus ii 是altera的综合性pld/fpga开发软件，支持原理图、vhdl、verilog hdl以及ahdl（altera hardware description language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入

55、到硬件配置的完整pld设计流程。quartus ii提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括： (1)可利用原理图、结构框图、veriloghdl、ahdl和vhdl完成电路描述，并将其保存为设计实体文件； (2)芯片（电路）平面布局连线编辑； (3)logiclock增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块； (4)功能强大的逻辑综合工具 ；(5)完备的功能仿真与时序逻辑仿真工具； (6)定时/时序分析与关键路径延时分析； (7)可使用signaltap ii逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析； (8)支持软件源

56、文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件； (9)使用组合编译方式可一次完成整体设计流程； (10)自动定位编译错误； (11)高效的期间编程与验证工具； (12)可读入标准edif网表文件、vhdl网表文件和verilog网表文件； (13)能生成第三方eda软件使用的vhdl网表文件和verilog网表文件。altera quartus ii 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎3.3.2 vhdl语言介绍vhdl 的英文全名是 very-high-speed integrated circuit hardware description language，诞生于 1982 年。1987 年底，vhdl被 ieee 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。vhdl主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，vhdl的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。vhdl的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了