基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)共3篇

基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)共3篇基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)1數(shù)字頻率計(jì)是一種測(cè)量電子信號(hào)頻率的設(shè)備，通常用于測(cè)試和調(diào)整電子設(shè)備中的振蕩器、發(fā)生器和計(jì)數(shù)器等。在本文中，我們將介紹基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用了基于單片機(jī)和CPLD的數(shù)字頻率計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路后，被輸入到FPGA/CPLD中進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于硬件計(jì)數(shù)器單一的計(jì)數(shù)精度不高，因此我們需要采用多級(jí)計(jì)數(shù)的方法來(lái)提高測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)多級(jí)計(jì)數(shù)后，計(jì)數(shù)器會(huì)輸出一個(gè)計(jì)數(shù)值，再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理和顯示，最后得到所測(cè)得的頻率值。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1前置放大電路

前置放大電路的主要作用是將輸入信號(hào)進(jìn)行放大以便輸入到硬件計(jì)數(shù)器中。本設(shè)計(jì)采用的是3級(jí)前置放大電路，每一級(jí)的放大倍數(shù)相等，為10倍，總放大倍數(shù)為1000倍。由于前置放大電路具有一定的噪聲，為了降低噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響，我們采用了帶可調(diào)節(jié)衰減器的低噪聲放大器。

2.2多級(jí)計(jì)數(shù)器

我們采用了多級(jí)計(jì)數(shù)器來(lái)提高測(cè)量精度，具體實(shí)現(xiàn)方法是將計(jì)數(shù)器分為3個(gè)級(jí)別：微秒級(jí)、毫秒級(jí)和秒級(jí)。每個(gè)級(jí)別的計(jì)數(shù)器都可以實(shí)現(xiàn)多次計(jì)數(shù)，累加后輸出總計(jì)數(shù)值。由于每一級(jí)的計(jì)數(shù)的頻率范圍并不相同，在計(jì)數(shù)過(guò)程中需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整計(jì)數(shù)器的分頻器參數(shù)。

2.3控制電路

控制電路主要由單片機(jī)和CPLD組成，用于控制多級(jí)計(jì)數(shù)器的動(dòng)態(tài)分頻和數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值，根據(jù)計(jì)數(shù)值的范圍選擇相應(yīng)的計(jì)數(shù)器級(jí)別并控制CPLD改變分頻器參數(shù)。CPLD負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)器的累加、清零以及數(shù)據(jù)的緩沖和輸出控制。

2.4顯示電路

為了方便用戶查看測(cè)量結(jié)果，我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中加入了LCD液晶顯示模塊。該模塊通過(guò)與單片機(jī)的串行通信協(xié)議來(lái)顯示所測(cè)得的頻率值。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的主要硬件設(shè)備包括：AVR單片機(jī)、CPLD芯片、外部時(shí)鐘和前置放大電路、LCD液晶顯示模塊等。其中，前置放大電路采用了LT1010低噪聲放大器，多級(jí)計(jì)數(shù)器由XC9572XL/CPLD芯片、D觸發(fā)器和分頻器組成。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)前置放大電路，將輸入信號(hào)進(jìn)行放大后輸入到CPLD中進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（2）設(shè)置CPLD中計(jì)數(shù)器的分頻，并根據(jù)計(jì)數(shù)范圍調(diào)整分頻器的系數(shù)。

（3）編寫(xiě)單片機(jī)C語(yǔ)言程序，讀取計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)范圍選擇合適的計(jì)數(shù)器級(jí)別。

（4）控制CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩沖和輸出，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。

4.實(shí)測(cè)結(jié)果

我們采用標(biāo)準(zhǔn)頻率源對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并與同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行了比較。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，我們的數(shù)字頻率計(jì)具有較高的精度和穩(wěn)定性，且價(jià)格較低，適合應(yīng)用于電子設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)。

5.總結(jié)

本文介紹了基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用了多級(jí)計(jì)數(shù)器來(lái)提高測(cè)量精度，并且具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。由于數(shù)字頻率計(jì)在設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，因此本設(shè)計(jì)可以為相關(guān)行業(yè)帶來(lái)實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)2設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)，可以精確地測(cè)量輸入信號(hào)的頻率，并將頻率的結(jié)果輸出到顯示屏上。該頻率計(jì)可以用于任何需要精確測(cè)量頻率的應(yīng)用，例如音頻測(cè)試，射頻測(cè)試，測(cè)量發(fā)生器的頻率等。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)和CPLD相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，單片機(jī)負(fù)責(zé)采集和處理輸入信號(hào)，CPLD則用于產(chǎn)生高精度的時(shí)鐘信號(hào)，并控制輸出數(shù)據(jù)到顯示屏上。整個(gè)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)框圖如下所示：

2.硬件實(shí)現(xiàn)

2.1信號(hào)采集

在信號(hào)采集方面，本系統(tǒng)使用單片機(jī)來(lái)采集輸入信號(hào)，單片機(jī)使用定時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量信號(hào)的周期，并將周期轉(zhuǎn)換成頻率。在本系統(tǒng)中，定時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘源使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘源，時(shí)鐘頻率為20MHz。由于采樣精度的限制，本系統(tǒng)采用兩種不同的采樣頻率：50Hz和1kHz。采用50Hz時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)最大值為65535，當(dāng)輸入信號(hào)的周期大于0.5秒時(shí)，計(jì)數(shù)溢出，需要將計(jì)數(shù)值累加。采用1kHz時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)最大值為20000，當(dāng)輸入信號(hào)的周期小于5毫秒時(shí)，需要將計(jì)數(shù)值累加。在單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)值后，計(jì)算頻率并將頻率值輸出到CPLD模塊。

2.2高精度時(shí)鐘生成

在高精度時(shí)鐘生成方面，本系統(tǒng)采用CPLD產(chǎn)生一個(gè)50MHz的高精度時(shí)鐘信號(hào)。CPLD的時(shí)鐘源采用外部晶振，常用的晶振頻率為50MHz。在CPLD內(nèi)部，時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器后，可以分別產(chǎn)生1Hz，10Hz和100Hz的低速時(shí)鐘信號(hào)，用于控制顯示屏的時(shí)序。同時(shí)，CPLD內(nèi)部還可以產(chǎn)生1kHz，10kHz和100kHz的高速時(shí)鐘信號(hào)，用于控制單片機(jī)的時(shí)序。

2.3數(shù)字顯示

在數(shù)字顯示方面，本系統(tǒng)采用了7段LED數(shù)字管進(jìn)行顯示，可顯示6位數(shù)字。每個(gè)數(shù)字管由8個(gè)LED燈條組成，采用共陽(yáng)極顯示方式。在CPLD內(nèi)部，通過(guò)多路復(fù)用器（MUX）和掃描控制器，可以將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)依次輸出到各個(gè)數(shù)字管上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的功能。此外，在顯示屏的左側(cè)還添加了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，用于顯示頻率值的小數(shù)部分。小數(shù)點(diǎn)由一個(gè)單獨(dú)的LED燈條組成，由掃描控制器控制。

3.軟件實(shí)現(xiàn)

3.1單片機(jī)編程

在單片機(jī)編程方面，本系統(tǒng)使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和頻率的計(jì)算。在每個(gè)采樣周期內(nèi)，單片機(jī)先讀取定時(shí)計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值，計(jì)算出輸入信號(hào)的頻率值。接著，將頻率值通過(guò)串口傳輸給CPLD模塊，并啟動(dòng)CPLD的計(jì)時(shí)器。在下個(gè)采樣周期內(nèi)，CPLD將頻率值原樣輸出到數(shù)字顯示屏上。

3.2CPLD編程

在CPLD編程方面，本系統(tǒng)使用VerilogHDL進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘生成和數(shù)字顯示功能。CPLD內(nèi)部主要由5個(gè)模塊組成：

時(shí)鐘分頻模塊：對(duì)輸入的50MHz時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生1Hz,10Hz和100Hz的低速時(shí)鐘信號(hào)。

高速時(shí)鐘分頻模塊：對(duì)輸入的50MHz時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生1kHz,10kHz和100kHz的高速時(shí)鐘信號(hào)，用于控制單片機(jī)的時(shí)序。

時(shí)序控制模塊：通過(guò)MUX和掃描控制器，將單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)依次輸出到數(shù)字管上，并控制小數(shù)點(diǎn)的顯示。同時(shí)，控制時(shí)鐘分頻器和高速時(shí)鐘分頻器的啟停以及計(jì)數(shù)器的清零。

計(jì)數(shù)器模塊：用于計(jì)算頻率值，并將結(jié)果存儲(chǔ)到寄存器中。

串口接收模塊：接收來(lái)自單片機(jī)的頻率值，并將其存儲(chǔ)到計(jì)數(shù)器模塊中。

4.總結(jié)

本系統(tǒng)采用單片機(jī)和CPLD相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字頻率計(jì)的功能。通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的周期進(jìn)行采樣和計(jì)數(shù)，通過(guò)高速時(shí)鐘分頻來(lái)控制輸出時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)字顯示功能。本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于各種需要精確測(cè)量頻率的應(yīng)用場(chǎng)合。基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)3數(shù)字頻率計(jì)是一種能夠精確測(cè)量輸入頻率的電子儀器。目前，數(shù)字頻率計(jì)廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、儀器等領(lǐng)域中。本文將介紹一種基于單片機(jī)和CPLD的等精度數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的核心部件是AT89C52單片機(jī)和MAX7060CPLD芯片，包含兩個(gè)模塊：時(shí)基模塊和計(jì)數(shù)模塊。時(shí)基模塊主要是利用AT89C52單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器Timer0生成時(shí)基脈沖。計(jì)數(shù)模塊主要是利用CPLD實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)和顯示。

實(shí)現(xiàn)步驟

1.時(shí)基模塊的實(shí)現(xiàn)

AT89C52單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)器，Timer0和Timer1，我們可以用其中的一個(gè)來(lái)產(chǎn)生時(shí)基脈沖。時(shí)基脈沖的產(chǎn)生需要通過(guò)定時(shí)器的中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。我們?cè)O(shè)置定時(shí)器的預(yù)設(shè)值為256，定時(shí)器時(shí)鐘源為機(jī)器周期，即Fosc/12（Fosc為單片機(jī)工作頻率，一般為12MHz）。則我們可以通過(guò)下面的公式計(jì)算定時(shí)器的溢出時(shí)間：

T=1/Fosc*12*256≈53.3us

由于我們需要測(cè)量的頻率范圍比較大，不能固定時(shí)基脈沖的頻率，所以時(shí)基脈沖的周期需要根據(jù)輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，我們需要在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中加入一些代碼，讓定時(shí)器的溢出時(shí)間可以根據(jù)輸入信號(hào)的周期進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率越高，定時(shí)器需要更快地產(chǎn)生脈沖，所以定時(shí)器的中斷服務(wù)程序需要增加溢出計(jì)數(shù)器。如下圖所示：

其中，Tcnt為定時(shí)器的計(jì)數(shù)器，OverflowCount為溢出計(jì)數(shù)器，TimeBase為時(shí)基，頻率值可根據(jù)需求調(diào)整。溢出計(jì)數(shù)器到達(dá)一定的值后，清零計(jì)數(shù)器和溢出計(jì)數(shù)器，并將TimeBase調(diào)整為新的值，以達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)基脈沖周期的效果。

2.計(jì)數(shù)模塊的實(shí)現(xiàn)

MAX7060是一款CPLD芯片，主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯函數(shù)、狀態(tài)控制以及分頻等功能。在本設(shè)計(jì)中，我們使用MAX7060來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器之后，我們將分頻器的輸出接入MAX7060的輸入（CLKIN），同時(shí)設(shè)定MAX7060內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到指定的值時(shí)，輸出一次脈沖（CLKOUT）。我們可以將此脈沖計(jì)入計(jì)數(shù)器中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的計(jì)數(shù)。

另外，我們還需要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)模塊的顯示功能。由于單片機(jī)AT89C52內(nèi)部沒(méi)有直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的口線，因此我們需要使用MAX7060的輸出口線來(lái)控制數(shù)碼管顯示。顯示時(shí)，我們需要將計(jì)數(shù)器中的數(shù)值轉(zhuǎn)換為BCD碼并顯示在數(shù)碼管上。在本設(shè)計(jì)中，我們使用了共陽(yáng)極的4位7段LED數(shù)碼管。為了方便控制，