基于MATLAB的數(shù)字頻率計設(shè)計畢業(yè)論文.doc

【標題】基于MATLAB的數(shù)字頻率計設(shè)計 【作者】李 林 【關(guān)鍵詞】 【指導(dǎo)老師】嚴 文 娟 【專業(yè)】應(yīng)用電子技術(shù) 【正文】1緒論1.1本課題研究背景數(shù)字式頻率計即DFM-Digital Frequency Meter，也稱為數(shù)字頻率表或電子計數(shù)器。它不僅是電子測量和儀器儀表專業(yè)領(lǐng)域中測量頻率與周期、測量頻率比和進行計算的重要儀器，而且要比示波器測頻更方便、經(jīng)濟得多，特別是現(xiàn)代電子計數(shù)器產(chǎn)品與組件和具有多種測量功能的數(shù)字式頻率計，已廣泛應(yīng)用于計算機系統(tǒng)，通訊廣播設(shè)備，生產(chǎn)過程自動化測控裝置、帶有LED、LCD數(shù)字顯示單元的多種儀器儀表以及諸多的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展， EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的核心，它應(yīng)用工具軟件上完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯優(yōu)化、及仿真測試等設(shè)計，以實現(xiàn)既定的硬件系統(tǒng)功能。EDA技術(shù)使設(shè)計者的產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短，產(chǎn)品的性價格比提高，從而在電子設(shè)計領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用。在電子信息技術(shù)的今天，對電信號的測量精度要求越來越高，大部分頻率計采用普通門電路或可編程邏輯器件作為信號處理系統(tǒng)的控制核心，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、精度不高的弊端。在大量的產(chǎn)品開發(fā)、研制和電子儀表生產(chǎn)與試驗工作中，多是需要自行設(shè)計測頻與計數(shù)電路的組件單元，有時不必購置上述貴重的專用測頻計數(shù)儀器。1.2本課題研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對測試技術(shù)提出了一系列新的要求。60年代以來，在半導(dǎo)體器件和計算機技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合電測技術(shù)創(chuàng)造出了完全新的數(shù)字式儀表。它在測試方法、原理、儀器結(jié)構(gòu)和操作方法上完全與前面所講的模擬儀表不同，在質(zhì)的方面也有很大的飛躍；70年代以來，把微型計算機的功能引入數(shù)字儀表，產(chǎn)生了新型智能化儀表，它具有程序控制、信息儲存數(shù)據(jù)處理和自動檢修功能，使數(shù)字儀表向高準確度、多功能、高可靠性和低價格方面大大邁進了一步。經(jīng)查閱數(shù)字式頻率計設(shè)計的許多有關(guān)文獻，人們對數(shù)字式頻率計有很多研究，但總不能得到一個比較滿意的設(shè)計方法。其中提出了一種用多功能電子表改裝的數(shù)字頻率計，它以電子表為核心，通過各自的單元電路構(gòu)成，采用普通元件如電阻、電容、三極管等，如圖1-1為簡易數(shù)字頻率計的電路圖。這種原始搭建電路的設(shè)計方法在如今已經(jīng)沒有人使用了，它雖造價低廉，但穩(wěn)定性就比較差，因此這種方法不能得到廣泛使用1。多周期同步測盤法的基本思路是使被測信號與閘門之間實現(xiàn)同步化，從而從根本上消除了在閘門時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)時的正負1量化誤差，使測量精度大大提高。倒數(shù)計數(shù)器就是基于該方法而設(shè)計出來的一種具有創(chuàng)新思想的測頻、測周期的儀器。它采用多周期同步測量法，即測量輸入多個(整數(shù)個)周期值，再進行倒數(shù)運算而求得頻率。其優(yōu)點是：可在整個測頻范圍內(nèi)獲得同樣高的測試精度和分辨率。在選擇多周期同步等精度測量法的情況下。按照自頂向下的設(shè)計方法，可以畫出該頻率計的系統(tǒng)框圖，如圖1-2所示。根據(jù)測周期、頻率的原理，可以將總體框圖分為三個子系統(tǒng)：輸人通道(即前置整形電路)該部分主要由模擬電路組成的；多周期同步等精度頻率、周期的測量、控制及功能切換(中間部分)，該部分基本上由數(shù)字硬件電路組成；單片機及外圍電路，包括單片機、數(shù)碼顯示2?；贛SP430F449的數(shù)字頻率計設(shè)計利用前置分頻器SAB6456A和高速數(shù)字分頻器74HC390的分頻功能，結(jié)合新型的MSP430F449單片機，給出了一種新穎的、全自動的數(shù)顯測量射頻頻率的設(shè)計方案。MSP430F449采用16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲器，性能價格比很高。它的特點包括：超低的功耗、較強的運算能力、豐富的片上外設(shè)、方便高效的開發(fā)環(huán)境。該設(shè)計主要分兩部分：分頻和計數(shù)。首先，輸入信號限幅后經(jīng)SAB6456A分頻，256分頻后的信號再經(jīng)兩片74HC390高速分頻器進行1000分頻，此時模擬信號變?yōu)榈皖l數(shù)字信號，頻率在10kHz以下；其次，分頻后的信號直接接入MSP430F449單片機，利用內(nèi)部的16位定時器A來定時和計數(shù)。該定時器可分為幾個部分：計數(shù)器部分，捕獲和比較寄存器及輸出單元。其中計數(shù)器有4種工作模式，3個捕獲和比較寄存器。利用計數(shù)器的連續(xù)計數(shù)模式和上升沿捕獲模式，在定時器中斷中計數(shù)N個脈沖信號時間，再除N得到頻率。設(shè)計電路框圖如圖1-3所示3。用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)數(shù)字式頻率計，相比傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)的設(shè)計方法，VHDL具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，支持自頂向下（Top to Down）和庫（LibraryBased）的設(shè)計特點。從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進行系統(tǒng)方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級用VHDL對電路的行為進行描述，并進行仿真和糾錯，然后在系統(tǒng)級進行驗證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，下載到具體的CPLD器件中去，從而實現(xiàn)可編程的專用集成電路的設(shè)計。頻率計內(nèi)部邏輯圖如圖1-4所示。但VHDL獨特的語言程序也對于初學(xué)者來說有一定的難度4。1.3本文研究內(nèi)容與方法本文在掌握數(shù)字頻率計的基本原理基礎(chǔ)上，通過MATLAB的Simulink交互式動態(tài)工具箱，設(shè)計出能廣泛應(yīng)用于仿真實驗的數(shù)字式頻率計，并成功仿真調(diào)試出數(shù)字式頻率計。頻率測量范圍在1HZ至1GHZ的頻率計，誤差小于1HZ，測量精準時間在5秒鐘以下。2頻率計原理2.1數(shù)字頻率計的基本原理介紹頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其它信號的頻率。通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒，閘門時間也可以大于或小于1秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則每測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波、方波或其它周期性變化的信號5。從數(shù)字頻率計的基本原理出發(fā)，根據(jù)設(shè)計要求，得到如圖 2-1所示的電路框圖。下面介紹框圖中各部分的功能及實現(xiàn)方法（1）時鐘源時鐘源用來提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時鐘脈沖信號。它通常由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成。然而在本課題中的時鐘源有所不同，它是一個斜率為1的線性電壓。（2）波形整形電路波形整形可以采用過零觸發(fā)電路將全波整流波形變?yōu)榫匦尾ǎ部刹捎檬┟芴赜|發(fā)器進行整形。波形整形電路可以將輸入的任何波形（包括正弦波、三角波、鋸齒波等）整形為矩形脈沖波的輸出波形，其輸出頻率與原來的相同，電壓幅值橫為1V。例如圖2-2中，（a）為輸入為100HZ的正弦波信號，經(jīng)波形整形電路后，得到如圖（b）中的脈沖波形，其頻率與輸入信號完全相同。（3）建立計數(shù)器在本課題中，其計算頻率的原理是先通過計算波形的周期，然后在通過求倒的方法得出頻率。這里的計數(shù)器其實就是將時鐘源信號與整形后的脈沖信號進行整合，得到一個如同階梯的波形，其波形的橫坐標為時間值，縱坐標為電壓值。（4）求電壓差值以脈沖周期信號的上升（或下降）沿為門控，截取在時鐘源信號上的差值U，這個差值其實就是脈沖信號的周期T，即待測信號的周期。（5）計算頻率將上面計算出的電壓差值U，也就是待測信號的周期T，可以通過周期求倒數(shù)，就可以得到待測信號的頻率F，即F=1T。（6）確定信號為周期信號確定周期信號是否標準的周期信號，將上述的階梯形信號再次通過信號的整形，若階梯形信號為標準的周期變化，其輸出就恒為1，否則就輸出為0。（7）數(shù)值顯示將計算是的頻率與確定的周期信號的值相乘，得到最終的值，在顯示模塊上顯示出待測信號的周期。2.2本章小結(jié)本章節(jié)主要介紹數(shù)字式頻率計的原理，以及本文設(shè)計數(shù)字式頻率計的流程框圖，從信號的接收到最后輸出顯示結(jié)果的全過程，以及每個過程中的作用和工作狀態(tài)等。了解到了頻率計的過程以后，對后面的頻率計設(shè)計有基礎(chǔ)性的作用。3 MATLAB簡介3.1 MATLAB概述MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C語言，F(xiàn)ORTRAN語言等其它語言簡捷得多。當前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡迎，除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包16。3.2 MATLAB產(chǎn)生的歷史背景在70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美國國家科學(xué)基金的資助下開發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當時這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。到70年代后期，身為美國 New Mexico大學(xué)計算機系系主任的Cleve Moler，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自己動手，利用業(yè)余時間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣(matrix)和實驗室(labotatory)兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數(shù)年里，MATLAB在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。1983年春天，Cleve Moler到Standford大學(xué)講學(xué)，MATLAB深深地吸引了工程師John Little.John Little敏銳地覺察到MATLAB在工程領(lǐng)域的廣闊前景。同年，他和Cleve Moler，Steve Bangert一起用C語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的MATLAB語言同時具備了數(shù)值計算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續(xù)進行MATLAB的研究和開發(fā)。在當今30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類：一類是數(shù)值計算型軟件，如MATLAB，Xmath，Gauss等，這類軟件長于數(shù)值計算，對處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，Mathematica，Maple等，這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精確解，其缺點是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低。MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號計算，文字處理，可視化建模和實時控制能力，開發(fā)了適合多學(xué)科，多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB。經(jīng)過多年的國際競爭， MATLAB以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場的主導(dǎo)地位。在MATLAB進入市場前，國際上的許多軟件包都是直接以FORTRANC語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點是使用面窄，接口簡陋，程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標準的基庫，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。MATLAB的出現(xiàn)，為各國科學(xué)家開發(fā)學(xué)科軟件提供了新的基礎(chǔ)。在MATLAB問世不久的80年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB 4.0版，1995年推出4.2C版（for win3.X）1997年推出5.0版。1999年推出5.3版。MATLAB 5.X較MATLAB 4.X無論是界面還是內(nèi)容都有長足的進展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape 3.0或IE 4.0及以上版本，Acrobat Reader中可以方便地瀏覽。時至今日，經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺的功能強大大大型軟件。在國外， MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)理統(tǒng)計，數(shù)字信號處理，時間序列分析，動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題。在國內(nèi)，特別是工程界，MATLAB一定會盛行起來?？梢哉f，無論你從事工程方面的哪個學(xué)科，都能在MATLAB里找到合適的功能15。3.3 MATLAB的語言特點MATLAB提供了一種科學(xué)工程計算的高級語言，是進行數(shù)據(jù)分析算法開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境。一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點，正如同F(xiàn)ORTRAN和C等高級語言使人們擺脫了需要直接對計算機硬件資源進行操作一樣，被稱作為第四代計算機語言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。 MATLAB最突出的特點就是簡潔。MATLAB用更直觀的，符合人們思維習慣的代碼，代替了C和 FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下MATLAB的主要特點。（1）語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必擔心函數(shù)的可靠性，可以說，用MATLAB進行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。（2）運算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫的，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用MATLAB的運算符將使程序變得極為簡短。（3）MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句），又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。?）程序限制不嚴格，程序設(shè)計自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對矩陣預(yù)定義就可使用。（5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。（6）MATLAB的圖形功能強大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。MATLAB還具有較強的編輯圖形界面的能力。（7）MATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。（8）功能強大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control,toolbox,signl proceessing toolbox,commumnication toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進行高、精、尖的研究。（9）源程序的開放性。開放性也許是MATLAB最受人們歡迎的特點。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。3.4本章小結(jié)本章主要介紹MATLAB的基本情況、發(fā)展過程及MATLAB的特點，掌握MATLAB的強大功能，為后面的有關(guān)MATLAB的頻率計設(shè)計有著重要作用，相信MATLAB能充分應(yīng)用與科學(xué)研究和學(xué)習工作中。4基于MATLAB的頻率計設(shè)計4.1基于MATLAB的頻率計的設(shè)計原理數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1S時間內(nèi)對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔內(nèi)的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。但是在MATLAB中，其原理有所不同：（1）將待測周期信號整形為周期方波信號。建立一個時鐘源即產(chǎn)生一個斜率為1的線性電壓，并且建立一個計數(shù)器。（2）以待測周期信號的上升（或者下降）沿為門控，截取的時鐘源線性電壓的差值U就是T，即周期信號的周期。（3）求T即周期信號周期的倒數(shù)，即得到周期信號的頻率F=1T。4.2基于MATLAB的頻率計的實現(xiàn)圖4-1中Signal Generator是函數(shù)信號發(fā)生器，它將產(chǎn)生任何形狀的周期信號，為后面的運行提供信號源，經(jīng)過Sign（周期信號整型）進行函數(shù)處理后，變成雙極性的周期方波，再經(jīng)過Relay（繼電器）處理，變成單極性的周期方波信號，幅度為1，接著將單極性的周期方波信號經(jīng)Single Tone Frequency Estimator（頻率計算模塊）進行頻率計算，最后在數(shù)字顯示模塊上顯示出計算出的頻率。4.2.1函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器的模塊模塊名稱為Signal Generato，位于Simulink下的Sources庫中，在頻率計的設(shè)計中是提供信號源的作用，可以產(chǎn)生不同波形（如正弦、方波、鋸齒波等）及不同頻率（1HZ-1GHZ）的波形，圖4-2所示是函數(shù)信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置對話框，表4-1所示是函數(shù)信號發(fā)生器的主要參數(shù)。表4-1 Signal Generator（函數(shù)信號發(fā)生器）的主要參數(shù)參數(shù)名稱 參數(shù)值Wave form(波形) SineAmplitude（幅度） 2Frequency（頻率） 50Unit（單位） Hertz4.2.2波形整形和繼電器波形整形模塊的名稱為Sign，位于Simulink下的Math Operations庫中,其主要作用是將任何周期信號整形為雙極性的方波信號，且幅值為1，繼電器模塊的名稱為Relay，位于Simulink下的Discontinuities庫中，其作用是將雙極性的周期方波信號轉(zhuǎn)為單極性的周期方波信號，其輸出的結(jié)果就是待計算的周期信號，其頻率和待測信號頻率相同。圖4-2所示是Relay（繼電器）的參數(shù)設(shè)置對話框，圖4-2函數(shù)信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置對話框，表4-2所示是Relay（繼電器）的主要參數(shù)。圖4-3中的輸出波形中，最上層的波形為由Signal Generator（函數(shù)信號發(fā)生器）產(chǎn)生的信號源波形，中層為信號源波形經(jīng)過Sign（波形整形）后的波形，底層的波形為經(jīng)過Relay（繼電器）后待計算的波形。表4-2 Relay（繼電器）的主要參數(shù)參數(shù)名稱 參數(shù)值Switch on point(大于等于時，開關(guān)打開) 0Switch off point(小于等于時，開關(guān)打開) 0Output when on（開關(guān)打開時輸出值） 1Output when off（開關(guān)關(guān)閉時輸出值） 0Sample time（采樣時間） 0.0000000001在表4-2中，提到了采樣時間的參數(shù)設(shè)置，它的意義就是在一個完整的波形中的兩個采樣點的時間間隔，這個間隔時間必須是小于或等于一個完整周期的，否則它的意義就不存在，不能實現(xiàn)采樣。如在頻率為50HZ的一個波形中設(shè)置采樣點為20個，那么就是在1/50（0.002秒）的時間內(nèi)有20個采樣點，其采樣時間就是0.0001秒。4.2.3頻率計算頻率計算模塊（Single Tone Frequency Estimator）是整個設(shè)計中最為重要的一個模塊，是位于Toolboxcommblkscommblksdemosfreqsyn中，雙擊它將彈出圖4-4所示的框圖，從圖中看出待測輸入信號作為觸發(fā)（門控）信號，Clock（時鐘）作為計時輸入。雙擊信號頻率計算模塊Calculate single tone frequency,彈出圖4-5所示的框圖。圖中減法器的被減數(shù)（）輸入端是線性增長的時鐘電壓，減數(shù)輸入端（）是時鐘電壓按照被測周期信號的周期取樣以后的階梯信號。相減以后得到一個恒定的與周期成正比的電壓值，它就是信號的周期，再通過求反電路，得到頻率輸出，在數(shù)字頻率計上最終顯示出頻率。圖4-5中的乘法電路中第二個輸入端的信號特征是：只要是周期信號輸入就恒為1，它與第一個輸入端的信號相乘，并不影響輸出結(jié)果；若是直流信號輸入就恒為0，它與第一個輸入端的信號相乘，使輸出結(jié)果為0。4.2.4波形顯示和數(shù)值顯示波形顯示模塊其實是示波器(Scope)，位于Simulink下的Commonly Used Blocks庫中，它用于顯示波形信號，雙擊模塊圖標，可以打開示波器對話框，如圖4-6。單擊示波器面板上的圖標，將出現(xiàn)控制對話框如圖4-7，可對X軸的范圍進行設(shè)置，在出現(xiàn)的對話框中General的Time range參數(shù)項輸入一個值，即示波器所能顯示的最大X軸范圍。若要對Y軸進行設(shè)置，則在顯示器上單擊鼠標右鍵，選擇Axes properties，在出現(xiàn)的對話框處直接輸入Y軸范圍即可。若需要在一個示波器上顯示多個信號波形，這時只需要改變控制對話框中的Number of axes的值即可。Display（數(shù)值顯示）位于Simulink下的sinks庫中,它用于顯示數(shù)據(jù)的值，其值可以是任何形式的數(shù)值或復(fù)數(shù)，模塊圖標和對話框如圖4-8。4.3仿真分析 經(jīng)過上面設(shè)計后，通過仿真，得出如下表4-1的結(jié)果。表4-1仿真分析結(jié)果表原始值 仿真結(jié)果 仿真時間 采樣時間 誤差值（HZ）1HZ 0.00000000005s 100HZ 100HZ 120s 0.00000000005s 010KHZ 10KHZ 25s 0.00000000005s 0100KHZ 100KHZ 3s 0.00000000005s 01MHZ 1MHZ 0.5s 0.00000000005s 010MHZ 9999999.999MHZ 0.5s 0.00000000005s -0.001100MHZ 99999999.997HZ 0.1s 0.00000000005s -0.0031GHZ 1000000000.003HZ 0.1s 0.00000000005s 0.003由表4-1的結(jié)果可以看出，當采樣時間為510-11時，測量范圍只能在10KHZ至1GHZ，當測量值小于100HZ時，無法測量出結(jié)果，另外在運行時間上，在100KHZ時運行時間為3秒，這個時間還是能勉強能夠接受，在100KHZ以下，運行時間也是逐漸增加，從誤差上分析，除了在上10MHZ以上有點輕微誤差以外，其它的測量都比較準確。從整體分析可以看出，影響我們測量的就是在運行時間上，為了解決這個問題，在下面給出了合理的答案。4.4設(shè)計優(yōu)化結(jié)果經(jīng)過上面的結(jié)果分析，我們可以看到仿真有一定的缺陷，當頻率處于低頻階段的時候，用510-11采樣時間去測量是很不理想的，為了克服這個困難，我們可以將采樣時間分為兩段，各自用他們?nèi)y量不同階段的頻率，如圖4-9所示為理論設(shè)計圖。但在實際的測量中，我們將上面的設(shè)計結(jié)果運用與測量，其美觀和實際效果都將有一定的影響，所以，我們將它拆分了低頻和高頻兩個部分，分別為圖4-10的（a）和（b）所示。在實際測量中，我們很多時候是無法預(yù)先知道該待測電路的大致頻率的，所以可先用高頻部分對待測電路進行測量，如果測量在5秒鐘內(nèi)不能準備得出結(jié)果，我們就可換為低頻部分對待測電路進行測量。采用分頻段測量以后，不但可以對高頻段進行測量，還可以對低頻段測量，測量精度提高，仿真時間減短。仿真結(jié)果如表4-2所示。表4-2分頻段后的測量結(jié)果原始值 仿真結(jié)果 仿真時間 采樣時間 誤差值（HZ）1HZ 0.999995HZ 30s 0.0000005s -0.000005100HZ 100HZ 小于1s 0.0000005s 010KHZ 10KHZ 小于1s 0.0000005s 0100KHZ 100KHZ 小于1s 0.0000005s 01MHZ 1MHZ 小于1s 0.00000000005s 0100MHZ 100MHZ 小于1s 0.00000000005s 01GHZ 99999999.995HZ 小于1s 0.00000000005s -0.005由表4-2所示的結(jié)果可以看出，在采用分頻段測量以后，大大縮短了測量時間，特別是在10KHZ以下特別明顯，除了在超低頻1HZ左右的時間有一定問題以外，其它頻率段均在1秒內(nèi)完成，提高了仿真實驗的效率。通過表4-1和表4-2的綜合分析，我們在100KHZ處分頻段的原因，是在表4-1中可以明顯看出，在100KH