2008年F题 简易多功能计数器
时间:2009-04-09 09:35来源:竞赛组委会 作者:哈工大威海宗露等 点击:
1598
次
本文论述了电子计数式简易多功能计数器的原理、设计、应用及误差特性。以ATmega128单片机为控制核心，由FPGA模块、键盘输入模块、液晶显示模块、温度测量模块等功能模块组成，实现了周期
简易多功能计数器（F题）
参赛学生： 宗 露 林荣逸 吕彦锋 信息科学与工程学院 参赛学校：哈尔滨工业大学（威海） 指导老师：毛兴鹏
摘要
随着科学技术的发展，频率和时间测量的意义已日益显著，不仅与人们日常生活息息相关，而且在当代高科技中更是显得重要。可编程逻辑器件和EDA计数给今天的硬件系统设计者实现了强而有力的工具，使得电子系统设计方法发生了质的变化。本文论述了电子计数式简易多功能计数器的原理、设计、应用及误差特性。本计数器以ATmega128单片机为控制核心，由FPGA模块、键盘输入模块、液晶显示模块、温度测量模块等功能模块组成，实现了周期、频率、时间间隔的测量等功能。在设计方法上，由传统的“电路设计—硬件搭试—焊机”的传统方式到“功能设计—软件模拟—下载”的电子自动化模式，以软件设计为主，硬件设计为辅的指导思想，将复杂硬件软件化，从而大大提高了系统设计的灵活性和稳定性。
关键字：电子计数式 ，测量精度 ，可编程逻辑器件 ，AVR单片机，门控信号
Multi-function Counter ABSTRACT
The FPGA(Field Programmable Gate Array) provides a fast, accurate and flexible solution for digital system design. This paper discusses the design flow, scheme selection, and error control and analysis of a multi-function counter. Based on ATmega128 as the microcontroller, it consists of the FPGA module, keyboard modules, liquid crystal display (LCD) modules, temperature measurement module etc. This system can be applied in the period, frequency, interval measurements. As for the design methods, the \
automatic mode takes the place of the traditional \hardware test ride - welder\methods. It mainly depends on the EDA Tools, supplemented by the hardware design and in this way it simplifies the hardware design, greatly improving the flexibility and stability of the system.
Key words: Frequency Meter, Period Meter, Counter, Measurement Accuracy, FPGA, AVR
目 录
正文
1.1 设计要求
1.1.1 基本设计要求
----------------------------------------------------------------------1
1.1.2 发挥设计要
-------------------------------------------------------------------------1
1.2 测量原理 1.2.1频率测量原理
-----------------------------------------------------------------------1
1.2.2 时间间隔
-----------------------------------------------------------------------------1
1.2.3 系统测量原
--------------------------------------------------------------------------2
1.3 系统总体方案
1.3.1 系统总体方案的比较与
----------------------------------------------------------2 1.3.2 系统总框图
--------------------------------------------------------------------------3
1.4 各模块硬件电路实现 1.4.1 FPGA模块
---------------------------------------------------------------------------3
1.4.1.1 频率测量
---------------------------------------------------------------------------3
1.4.1.2时间间隔测量
---------------------------------------------------------------------
4
1.4.1.3 其他
---------------------------------------------------------------------------------5 1.4.2信号预处理
---------------------------------------------------------------------------6
1.4.3 AD采样测幅值
----------------------------------------------------------------------7
1.4.4 温度测量模块
-----------------------------------------------------------------------7
1.4.5 键盘输入模块
-----------------------------------------------------------------------7
1.4.6 液晶显示模块
-----------------------------------------------------------------------7
1.4.7 语音报时模块
-----------------------------------------------------------------------7
1.4.8 自制电源
-----------------------------------------------------------------------------7
1.4.9浮点数除法运算
---------------------------------------------------------------------8
1.5 系统软件设计 2.5.1 主程序流程图
----------------------------------------------------------------------8
2.5.2 界面设计
----------------------------------------------------------------------------9
1.6 测试与结果分析 2.6.1 参数测量结果
-----------------------------------------------------------------------10
2.6.2 误差与结果分析
--------------------------------------------------------------------11
1.7设计总结
---------------------------------------------------------------------
-------------12 1.8参考资料
----------------------------------------------------------------------------------12 附录
1.1元件清单
----------------------------------------------------------------------------------13
1.2电路设计原理图及相关仿真结构
--------------------------------------------------13 1.3源程序代码
-------------------------------------------------------------------------------13
正 文
1.1设计要求
1.1.1 基本设计要求
（1）具有测量周期、频率、时间间隔的功能； （2）可以用键盘选择上述三种功能；
（3）周期、时间间隔测量：0.1mS~1S，误差≦0.1%；频率测量：1Hz~200KHz，误差0.1%；
（4）能够显示至少六位数码，并自制计数器电源 1.1.2 发挥设计要求
（1）周期、时间间隔测量：1μS~10S，误差≦0.1%；频率测量：0.01Hz～10MHz，误差≤0.1%；
（2）可以记忆10个历史测量数据，且能够随时查看； （3）实现语音报数功能，并且显示被测信号的峰值； （4）其他（如温度、时间等功能）。
1.2测量原理
1.2.1 频率测量原理
原理一般可分为模拟法和电子计数法两种，电子计数法具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简单等优点而应用更为广泛。
图1—频率测量原理图
示,由晶振分频及门控制电路得到具有固定宽度Ts的方波脉冲作为门控信号，加到闸门的控制端，控制闸门开、闭的时间。设被测信号频率为Fx,??，门控信号持续时间为TS，计数器计数为N。测频时，将计数器置零，待门控信号来到后打开闸门，允许被测脉冲通过，计数器开始计数，只到门控信号结束，闸门关闭，停止计数。此时Fx=N/TS。可见，此种测量方法中门控信号的选取是关键，门控信号决定了所测频率的准确程度，如测量低频信号时，在门控信号持续的时间内计数器计数较小，测量误差较大。
1.2.2 时间间隔测量原理
时间间隔测量可分为连续时间测量和单次测量。连续测量用于周期信号的多次测量，然后通过取平均值以达到较高的测量精度；单次测量就是以随机的一次测量为基础，其测量原理图1——2所示：
图1—周期测量原理图
设量化时钟的频率为T0，待测脉冲上升沿到来时量化时钟的初始计数为M，下一次待测脉冲上升沿到来时量化时钟技术为M，T1、T2为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则时间间隔为Tx=(N-M)*T0+T1-T2。这种测量方法是测量Tx内的时钟量化时钟个数，对于高频信号而言，Tx时间内计数器计入量化时钟个数较小，测量误差较大。此种测量方法以被测信号本身作为门控信号，通过测量门控信号中的量化信号个数得出时间间隔。 1.2.3 本系统测量原理的选择
比较以上两种测量方法，前者（以下简称测频法）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。测频法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大的误差，除非闸门时间取得很大（即要求晶振分频倍数大，使门控信号能够达到足够小的频率）。后者（以下简称测周法）是以给定信号为门控信号，通过测量门控信号时间内通过的量化信号的个数换算出时间间隔的。测周法的测量精度取决于被测信号的周期和计时的精度，当被测信号频率较高时，计时精度的要求就很高了。
实际上，测周法和测频法都存在一个字的技术误差问题：测频法存在门控信号内一个被测信号的脉冲个数误差，测周法存在一个被测信号内量化信号脉冲个数误差。
为了提高系统测量精度，我们采用任何一种方法测量都应该保证计数个数N足够大。因此，对于周期测量分为高频档和低频档。低频信号直接测量，高频信号则先通过分分频器分频，转化为低频信号后，按照低频档的方法测量。对于频率测量，依然分成高频、低频两档。对于低频信号我们采去测周法，然后根据公