《基于VHDL数字频率计的设计》开题报告

1、山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目 基于VHDL数字频率计的设计学 院 名 称 机械电子工程学院 专业班级 测控技术与仪器2007-1班 学生姓名 学 号 指 导 教 师 填表时间： 2011 年 3 月 17 日（注意：填表时间要与大纲要求相一致）填表说明1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。5.开题

2、报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。设计（论文）题目基于VHDL数字频率计的设计设计（论文）类型（划“”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它一、 本课题的研究目的和意义数字频率计是电子设计、仪器仪表、资源勘测、计算机、通讯设备、音频视频等应用领域不可缺少的测量仪器, 被广泛应用于航天、电子、测控等领域。在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用；在CMOS电路系列产品中，频率计是用量最大、品种最多的产品。许多物理量的测量, 如振动、转速等的测量都涉及到或可以转化为频率的测量，并且与许多电参量的测量方案

3、、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。传统的数字频率计一般是由分离元件搭接而成，用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差大、可靠性差。后来随着单片机的大规模的应用, 出现了不少用单片机控制的频率测量系统。相对于以前用分离元件搭接起来的频率测量系统, 单片机控制的频率测量系统在频率测量范围、频率测量精度和频率测量速度上都有了很大的提高。但由于单片机工作频率的限制、单片机内部计数器位数的限制等因素, 由单片机控制的频率测量系统无法在频率测量范围、频率测量精度和频率测量速度上取得重大突破。若再增加别的器件, 以弥补单片机的不足, 不仅会大大增加系统的

4、复杂性, 而且不利于系统的集成化。以E D A 工具作为开发平台，运用V H D L 语言，将使整个系统大大简化，从而提高整体的性能和可靠性。本课题采用的是等精度数字频率计，在一片FPGA开发板里实现了数字频率计的绝大部分功能, 它的集成度远远超过了以往的数字频率计。又由于数字频率计最初的实现形式是用硬件描述语言写成的程序, 具有通用性和可重用性。 所以在外在的条件(如基准频率的提高, 基准频率精度的提高)的允许下,只需对源程序作很小的改动, 就可以使数字频率计的精度提高几个数量级。同时对于频率精度要求不高的场合, 可以修改源程序, 使之可以用较小的器件实现, 从而降低系统的整体造价。二、 本

5、课题的主要研究内容（提纲）（1）测频模块的设计。这是本课题研究的核心内容，通过VHDL编程使FPGA完成对被测信号、标准信号的计数，及相应的数据处理从而求出被测信号的频率，由外部显示模块显示输出。（2）放大整形电路模块的设计。由运算放大器、电阻、电容等分离元件组成放大整形电路，能够把外部的正弦波、三角波、矩形波信号变为FPGA能够识别的矩形波信号以及去除外部噪声的干扰，从而由FPGA对其进行计数处理。（3）电源模块的设计。为FPGA开发板、LED显示电路、运算放大器等器件提供相应的电压。（4）接口模块的设计。能够实现FPGA开发板对外部放大整形电路、及显示电路信号的输入输出。（5）人机交互界面

6、的设计。主要包括键盘处理及显示电路两个部分。三、 文献综述（国内外研究情况及其发展）纵观时间频率计量国内外发展现状,时间频率计量发展呈现如下特点:一是时间频率标准向两个方向发展,利用量子技术,不断提高频率基准的准确度;同时随着军事技术的需要,频率标准呈小型化化方向发展。二是时间频率标准的发展推动时间传递向多媒介、综合媒介方向发展;三是利用超导技术,建立短期频率稳定度绝对标准;四是利用欠采样技术和数字处理技术研究新型相位噪声测量系统。时间频率计量技术研究主要从事各类时频测量仪器设备,特别是各种频率源长期特性、频率短期特性和GPS接收机定时、定位、校频等特性的检定、校准、测试工作。为国防军工、航天

7、、武器型号等高科技领域做了大量的计量和测试服务工作。多年来我国在时间频率计量标准研制、建立和维护以及时间频率综合测试技等领域取得了一批系统先进、设计合理,并具有国内、国际先进水平的研制成果,主要有:频率综合器扩频技术,毫米波短稳检定装置, 100 MHz锁相晶振频标系统, GPS标准信号定时技术研究和系统建立,脉冲功率放大链相位噪声检定系统, GPS时间同步技术研究和标准系统建立,射频脉冲序列稳定度测试系统等。这些课题的研制成功,不仅保证了我国航天事业对计量测试设备以及统一计量的需要,而且对促进我国计量技术的发展起到了至关重要的作用。时间频率的高精度测量,促进着当代科学技术的进步,当代科学技术

8、的进步,又反过来把时间频率的精度测量提高到了新的高度,两者的密切关系,使很多人都想了解和掌握时间频率高精度测量的有关技术和方法。时间和频率是我们日常生活和工作中最常用的两种基本参量,它是国际单位制中七个基本量之一。在计量学和计量测试中,时间频率是带头学科,是先导。现代量子频标的出现和电子技术的进步,极大地提高了时间频率计量测试的稳定度和准确度,其精度和测试技术遥遥领先于其它量子的计量测试水平。 时间频率的测量过程,实际上是通过所选定的方法将被测频标与参考频标进行比对的过程。要进行时间频率的高精度测量,首先要选用高精密度的时间频率标准。 现在, 国际上使用最多的原子钟的震荡频率通常是数纳秒( 一

9、纳秒= 10 亿分之一秒) , 它是通过调整超高频激光, 使之和铯原子钟发射的光波频率相匹配而实现的。一般说全球卫星定位系统携带原子钟( 铷钟、铯钟和氢钟) , 因其结构紧凑, 可靠性高, 寿命长, 所以满足了需要。但是, 计量科学家们仍然希望能有振荡频率更快的时钟, 用于科学前沿问题的研究, 例如弄清决定电磁互作用强度的所谓精细结构是否真的稳定等问题。科学家们认为, 这种新型时钟应当易于制造, 且振荡频率应比相对较低的微波频率快1000 倍。问题是, 目前没有一种装置能够如此快的计数。最近, 美国科学家已经研制出了“光学传动装置” , 这种装置可将激光光波的高速振动转化成振荡系数正好慢100

10、 万倍的激光强度波动, 并利用标准检波器显示激光强度在1 秒内所振荡的次数, 然后将得到的数值乘上100 万。据科学家研究小组说, 这种新型“光钟” 的精度至少是最好的铯原子钟的1000 倍。但是, 不同光波之间和某一光波与铯微波频标之间的频差测量都是极其庞大复杂, 价格昂贵的工程。1999 年, 德国首次报道了“ 飞秒激光光学频率梳” , 飞秒光梳的出现提供了一个准确实用的“光学频率综合器 ”。 一举将微波频率基准与光学频率/ 波长联系起来。由于飞秒光梳的研究成功和迅速推广应用。使冷原子/ 离子存储稳频的光频标与飞秒光梳结合成“光钟”。使光学频率标准的实际应用变为现实。光钟的研制将成为国际计

11、量发展的一个新热点。目前, 科学家们正在把其他量转换成时频量进行测量。第一个完成这种转换的是长度。目前利用飞秒( 10- 16 秒) 激光脉冲所产生的梳状频谱与微波频率联系起来, 这样就可实现长度和时间基准的比对。再就是电学量。当两块低温( 液氮) 超导金属充分接近, 其间相隔仅为约1 纳米的绝缘层时便形成超导结, 若在结的两端施加直流电压, 结上即会产生高频超导电流。这时约瑟夫森效应的宏观现象, 是一种量子力学隧道穿透效应, 其频率即可与电压挂钩, 单个结显示为若干毫伏, 上千个结叠加起来可获得1 伏或10 伏的电压。另一方面, 量子化霍尔效应产生了量子化电阻, 使电阻取决于基本物理常数和一

12、个整数值。利用物理关系把温度转换为频率的研究正在进行之中, 比如某些材料和四极矩的共振频率随温度而变化。质量和物质的量与频率的关系, 也正在探索之中, 比如利用电功率与机械的等价性,先确定力再定义质量单位; 或者通过一定数量的基本粒子和阿伏加德罗常数的精确测量来实现质量和物质的量。事实上, 计量单位的基础已由或正在由宏观实物体系过渡到微观量子体系, 从而大大提高了单位实现的准确性、稳定性、可靠性和普通适用性。在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达1010E-13数量级。因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分

13、等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度。由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，频率计的发展进入了智能化和微型化的新阶段。其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。 国际上数字频率计的分类很多。按功能分类，因计数式频率计的测量功能很多，用途很广。所以根据仪器具有的功能，电子计数器有通用和专用之分。 (1)通用型计数器：是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。它可测量频率、周期、

14、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；配上适当的传感器，还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。 (2)专用计数器：指专门用来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和微波频率；时间计数器，是以测量时间为基础的计数器，其测时分辨力和准确度很高，可达ns数量级；特种计数器，它具有特种功能，如可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等，用于工业和白控技术等方面。数字频率计按频段分类 (1)低速计数器：最高计数频率10MHz； (2)中速计数器：最高计数频率10100MHz； (3)高速计数器：最高计

15、数频率100MHz； (4)微波频率计数器：测频范围180GHz或更高。国际国内通用数字频率计的主要技术参数：1频率测量范围 电子计数器的测频范围，低端大部分从10Hz开始；高端则以不同型号的频率计而异。因此高端频率是确定低、中、高速计数器的依据。如果装配相应型号的变频器，各种类型的数字频率计的测量上限频率，可扩展十倍甚至几十倍。2周期测量范围 数字频率计最大的测量周期，一般为10s，可测周期的最小时间，依不同类型的频率计而定。对于低速通用计数器最小时间为1ys；对中速通用计数器可小到01ys(或10捍s)。3晶体振荡器的频率稳定度 晶体振荡器的频率稳定度，是决定频率计测量误差的一个重要指标。

16、可用频率准确度、日波动、时基稳定度、秒级频率稳定度等指标，来描述晶体振荡器的性能。对于时基稳定度来说，按要求低速通用计数器应达到1107日；中速通用计数器应达到1108日；高速通用计数器应达到1109日。4输入灵敏度 输入灵敏度是指在侧频范围内能保证正常工作的最小输入电压。对于4通道来说，灵敏度大多为50mV。灵敏度高的数字频率计可达30mV、20mV。5输入阻抗 输入阻抗由输入电阻和输入电容两部分组成。输入阻抗可分为高阻和低阻。一般说来，低速通用计数器应设计成高阻输入；中速通用计数器，测频范围最高端低于100MHz，仍设计为高阻输入；对于高速通用计数器，测频100MHz， 设计成低阻 (50

17、Q) 输入， 测频100MHz， 设计成高阻输入。随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高

18、系统可靠性和速度。数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。从国内外的研究现状来看，数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式的优点是相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，

19、用处最为广泛的数字频率计。四、 拟解决的关键问题（1） FPGA除法器的设计。因为FPGA只能进行2的幂次方的出发运算，所以需要单独设计除法器以满足频率计的精度要求。（2） 外部放大整形电路的设计。FPGA只能识别矩形波信号，所以需要放大整形电路把任意被测信号转化为FPGA能够识别的矩形波信号。五、 研究思路和方法常用的数字频率测量方法有M 法(直接测量法) 、T 法(周期测量法) 和M/ T 法(等精度测量法) 。M 法在高频段的准确度相对较高, T 法在低频段的准确度较高,M/ T 法在整个测试频段的精度一样。因此本设计采用等精度测量法,首先给出闸门开启信号（预置闸门上升沿），此时计数器并

20、不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号（下降沿）到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门时间t 与预置闸门时间t1 并不严格相等，但差值不会超过被测信号的一个周期。设在一次实际闸门时间t 中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，标准信号的频率为fs，则被测信号的频率fx=(Nx/Ns)*fs。设计的绝大部分由FPGA 完成，显示部分由数码管构成，整形放大电路由电阻、电容、运算放大器等元件构成。闸门信号由FPGA系统产生，测量结束时，计数器的计数值锁存到锁存器, 乘法器从锁存器中取得被测频率的计数值与标准时钟频率进行乘法运算,然后再将乘法器运算所得的值与标准时钟的计数值送给除法器, 乘法器的结果为被除数, 标准时钟的计数值为除数, 运算所得结果就是被测信号的频率, 然后再经过二十进制转换变成BCD 码, 送给数码管显示。闸门信号是被测信号的整数倍,与被测信号同步,因此大大减少了误差,但由于只与被测信号同步,而不与标准时钟同步,因此存在着1 个计数误差。Nx由于同步计数，无误差；测量门脉冲很宽，保证了Ns是一个7位或8