工科电子类文献综述

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温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述本科毕业设计（论文）文献综述(2013届)题目：基于FPGA的数字频率计设计9温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述分院:信息工程分院专业:电子信息工程班级:09电子本1姓名:林晨赟学号:09303033136指导老师:李正勤完成时间:2012年10月9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述基于FPGA的数字频率计设计前言随着科学技术的发展和人民物质生活的提高，人们对科技产品的要求已不仅仅停留在模拟器件时代，数字化的电子产品越来越受到欢迎。频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合，因此它的重要性和普遍性毋庸置疑。数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。比如：将数字频率计稍作改进，就可制成既可测频率，又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来，制成各种智能仪器仪表，应用与航空航天等科研场所，对各种频率参数进行计量；应用在高端电子产品上，对其中的频率参数进行测量；应用在机械器件上，对机器震动产生的噪声频率进行监控；等等。研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。信号频率测量一般均按照频率的概念设计实现,并且大多使用专用频率测量芯片(如ICM7216、ICM7240等).由于这些专用芯片不具有智能接口，如果希望将该芯片嵌入到用户应用系统中来完成某一频率信号的智能化测量，显示和测量数据传输等功能时将是十分困难的。为此我们可以使用现场可编程门阵列FPGA或51系列的单片机。现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)属于ASIC产品,通过软件编程对目标器件的结构和工作方式进行重构,能随时对设计进行调整,具有集成度高、结构灵活、开发周期短、快速可靠性高等特点,数字设计在其中快速发展。微电子技术和计算机技术的飞速发展，使得现代电子系统的设计和应用进入了一个全新的时代。高性能但结构简单的电子技术产品已经成为了市场的主体。这次数字频率计的设计就是迎合了简单化结构但拥有较高的整体性能和可靠性的特点，利用了一片FPGA芯片来实现频率测量、周期测量和占空比测量，测量误差≤0.1%，并能实现测量中各量程之间的自动转换。历史发展9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述电子计数器是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算器的技术水平，决定电子计数器价格高低的主要依据。目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。随着科学技术的发展，用户对电子技术器也提出了新的要求。对低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，系统分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。另外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，从而提供系统的可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。在人们的生产生活中数字频率计也发挥着越来越重要的作用，例如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常状况，以便给人们争取时间处理。对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，例如用MAXIM公司的ICM7240来设计频率计。但是由于这种芯片的计数频率比较低，远远不能达到在一些场合需要测量很高的频率要求，而且测量精度也受到芯片本身的限制。但是工作者提出的用AT89C51单片机设计频率的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计。目前国内生产频率计的厂家比较少，大多数以欧美厂家占领国际市场。欧美频率计厂家主要有：PendulumInstruments和Agilent科技。PendulumInstruments公司是一家瑞典公司，总部位于瑞典首都斯德哥尔摩。Pendulum公司源于Philips公司的时间、频率部门，在时间频率测量领域具有40多年的研发生产经历。PendulumInstruments公司常规频率计型号主要有：CNT-91、CNT-90、CNT-81、CNT-85。同时，PendulumInstruments公司还推出銣钟时基频率计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。Agilent9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述科技公司的常规频率计型号主要有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）。从长远看，数字频率计的高度集成化和智能化，是无数工作者孜孜追求的目标，也是现代电子信息技术发展的一个重要方面，更是其逐步走向国际化、全球化的必然趋势。现状分析在测试通讯、微波器件或产品时，常常需要测量频率，通常这些都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成计数任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和价格会有所差别，因此需要根据其附加特性或价格来慎重选择。对灵敏度和准确度的要求为了测量微波频率，频率计必须在测量频率点上有足够的灵敏度，因为有些仪器的实际性能比说明书给出的指标要好些，这样当测量临界信号时才可能有更多的灵活性。例如，微波计数器说明书给出在20GHz时灵敏度为-25dBm，那么完全可以成功地用来测量该频率点上-30dBm的信号。当然，如果计数器的额定最高频率为18GHz，那么由于计数器电路不能工作在18GHz以上，你甚至不能用它测量在20GHz上0dBm的信号。因此，如果要做精确的测量，一定要保证被测信号的频率和幅度在测量仪器的指标范围之内。说明书上的测试性能指标给出了测量仪器的“准确度”和“分辨率”。准确度指标表明仪器的读数接近实际信号频率的程度；而分辨率指标表明多么小的频率变化可能在仪器上显示出来。假如需要在15GHz有1Hz的分辨率，仪器必须至少显示11位数。高分辨率可以快速测出更小的漂移值和不稳定值，但这时的读数不能完全代表仪器的准确度。测量仪器的准确度的选择仪器的频率测量准确度取决于时基。大多数仪器使用的10MHz参考振荡器具有10-7或10-8的频率准确度和稳定度。高分辨率比高精度更容易实现，因为增加显示位数比制造更稳定的振荡参考源要容易的多。9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述为了提高仪器的测量准确度和稳定度，可以购买一个具有小型恒温槽的参考振荡器作为时间基准。好的恒温槽温度可以稳定到零点几度，这样就可以保证在外部温度变化时振荡器的频率变化相当小。当然，仪器的固有准确度取决于制造的精度以及校准实验室对时基振荡器的校正；准确度主要取决于晶振的热稳定性，而与老化关系不大。数字频率计的测量方案选取在频率测量方法中，常用的有直接测频法、直接测周期和等精度测频法。这三种方案各有利弊，其中直接测频法是依据频率的含义把被测频率信号加到闸门的输入端，只有在闸门开通时间T（以1s计）内，被测（计数）的脉冲送到十进制计数器进行计数。设计数器的计数值为N，则可得到被测信号频率为f=N。但是由于闸门的开通、关闭的时间与被测频率信号的跳变难以同步，因此采用此测量方法在低频段的相对测量误差可能达到50%，即在低频段不能满足设计要求。但根据三个方案的分析，直接测频法比其他两个方案更加简单方便可行，直接测频法虽然在低频段测量时误差较大，但在低频段我们可以采用直接测周期法测量，这样就可以提高测量精度了。直接周期测量法是用被测周期信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于，时标为的脉冲在主门开放时间进入计数器。设在期间计数值为N，可以根据来算得被测信号周期。与直接测频法相似，经误差分析，用该测量法测量时，被测信号的周期越短，测量误差越大。也就是说，直接周期测量法在高频段时误差较大，但同样可以在高频段采用直接测频法来提高测量精度。占空比测量是分别测被测信号的上升沿脉宽和周期T并分别将两数值直接显示出来，以示占空比：。脉冲宽度测量时，测量电路在检测到脉冲信号的上升沿时打开计数器，在下降沿时关闭计数器。设脉冲宽度为，计数时钟周期为，计数结果为N，则根据就可得出测量结果。这种脉宽测量方法与周期测量方法基本相同。根据测频、测周误差分析，在不同的测量档位，选择合理的时基信号频率，可以降低测量误差，在此给出数字频率计的量程档位与时基信号分配，如表19 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述所示。本文将数字频率计分成6个量程档位，在1MHz、100kHz、10kHz量程档位完成频率测量；在1ms、10ms、100ms量程档位完成周期测量。表1量程档位与时基信号分配测量档位待测信号时基信号1MHz100.00999.00kHz1kHz100kHz10.0099.90kHz100Hz10kHz1.009.99kHz10Hz1ms100.00999.00Hz100kHz10ms10.0099.90Hz10kHz100ms1.009.99Hz1kHz等精度数字测频的基本框图如图1所示。图中的闸门、分别用来控制输入信号周期计数和闸门时间宽度计时。其中闸门与输入信号同步，这样可使计数器的量化误差。计数器对标准时标信号周期进行计数，并以此来测量实际的闸门宽度。其输入信号的频率可表示为：标准时标信号也由晶体振荡器产生，它具有足够的周期稳定度，可看作常数。因此，的相对误差为：计数器N1显示计数器N2图1等精度数字测频原理其中为计数器产生的量化误差，最大为个。在实际设计中，选择适当的时标周期和闸门宽度可使始终足够大，并在的全频段范围内得到足够多的有效位数的显示结果。9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述基于单片机的等精度数字测频方案MCS-51系列单片机具有两个16位的定时器/计数器和，它们可分别代替图1中的计数器和；单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关与被测信号的跳变沿同步；利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序，并实现测量结果的等精度显示。8051INT1T1T1等精度数字测频装置的最简方案如图2所示。设在时刻系统开始进行初始化，和分别设置为计数器和定时器来对输入信号和时标信号进行计数，它们的初始值均为0。时标信号的频率在单片机内固定为，为单片机的时钟频率。外部中断INT1通常可设置为边沿触发，开放INT1和的中断允许。在时刻，输入信号的跳变沿产生第一次INT1中断时，开放和的计数闸门并关闭自身的中断允许。当计数满溢出时可在时刻产生中断，记录自身的中断次数n，再次开放INT1的中断允许。溢出后将从0开始继续计数，直到时刻由输入信号产生第二次INT1中断，然后关闭和以完成一次测量过程。中的计数值代表了输入信号完整的个周期。设中的“剩余”读数为。则被测信号的频率可由下式计算：显示----------图2等精度测频原理图图3测频波形时序图图3所示的输入信号频率相对较高。在一次测量过程中只中断一次，而其间有多个输入信号脉冲。如果信号频率很低，将多次溢出中断，闸门的启闭取决于相邻的两个信号脉冲。由此可见，测量闸门的时间宽度是自动可变的，最长为低频信号的一个周期，最短为65536。实际上，闸门时间可表示为：-其中≥1。上式是等精度数字测频的一个重要数字特征。9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述测量完成后，系统将从和读出计数值并计算出。为了保证计算精度和数据的有效位数，可采用浮点乘除法运算。其数据可由三个字节表示，其中阶码占一个字节，尾数占两个字节，可表示的数据动态范围为。在此范围内，其显示精度决定于尾数的分辨率。因其尾数为两个字节，故显示分辨率接近10进制的5位数。由于浮点运算结果需再转换为多个单字节的BCD码才能由输出数码管显示。转换后的十进制浮点数阶码决定着数码管上小数点的位置。这相当于在测量过程中进行量程的自动切换，另外，该装置还可在输入频率范围内保证相同的有效位数。测量装置的测频上限为。当采用24MHz的时钟时，测频上限为1MHz，因此，该系统可满足低频信号的测量需要。对于更高的信号频率，可在输入整形器和单片机之间插入预分频器，以将信号频率降低到1MHz以下。测频下限并无限制。测量装置的无调整精度优于，它主要取决于单片机驱动时钟频率的准确度。在要求较高的测量精度时，可用标准频率计来校正，以使之达到标称频率。而对于一般的工程测试则无需对进行调整。趋向预测科学技术发展越快，产品的更新周期就越短，数字化电子产品更是如此。数字频率计作为一种电子测量仪器，其发展趋势主要向以下三个方向发展。发展趋势之一：从以前的模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。这样的转变使得频率计的设计更趋于自动化、智能化。现在的电子产品主要是采用EDA技术和单片机技术作为核心控制系统，辅以外围电路，制成高端数字化产品。频率计正是朝着这个方向发展。EDA技术是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言VHDL完成设计文件，自动的完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化布局线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。FPGA/CPLD是高密度现场可现场逻辑芯片，能够将大量的逻辑功能集成于一个单个器件中，它提供的门数从几百门到上百万门，可以满足不同的需要。数字频率计借助于EDA工具FPGA/CPLD进行开发有很大的优越性9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述：（1）编程方式简便、先进。（2）高速。（3）高可靠性。（4）开发工具和设计语言标准化，开发周期短。（5）功能强大，应用广阔。这样的优点使得数字频率计的设计变得简单。但同时，采用EDA技术开发频率计存在一个缺点：对电路进行逻辑综合优化时，最终设计和原始设计在逻辑实现和时延方面有一定的误差，这样使得频率计的测量精度受到很大影响。因此EDA技术还需要不断的改进，以解决在测量时存在的问题，适应电子产品测量的要求。但肯定的是，用EDA技术进行电子产品的设计、开发是有很大发展前景的。单片机技术设计数字频率计是现阶段电子产品开发时采用的主要技术，它在今后的一段时间内仍然占据着主导地位。单片机是单片微型计算机的简称，将把微型计算机的三大组成部分（CPU+存储器+I/O接口）和一些实时控制所需要的功能器件集成在该芯片上，来实现计算机的部分功能。在实际应用中大都被嵌入到控制系统中，所以单片机系统也叫做嵌入式系统。现在国内单片机应用中最常见的有Intel公司的MCS系列，Microchip公司的PIC16系列，台湾凌阳公司的SPCE061X系列。单片机设计数字频率计有着很多的优点：（1）集成度高。（2）系统结构简单，性价比高。（3）系统扩展方便。（4）抗干扰性能强，可靠性高。（5）处理能力强，速度快。（6）开发方便。（7）兼容性好。另外，单片机内部强大的运算能力和控制功能，使得开发像频率计这样对测量精度要就很高的电子仪器时，变得更加的有效率。内部丰富的存储资源，能够满足频率计设计的各种不同需求。可以说，单片机的进步指导着频率计的发展方向。发展趋势二：在功能上从以前的仅实现单一频率测量扩展到还能测量周期、占空比、脉宽等各种参数指标。数字技术的不断成熟，使得在一块很小的板子上制作大规模、多功能的电子产品变得非常的容易、方便。当然，功能的实现是以强大的软件做后盾的。以后的频率计等测量仪器将在编程语言的不断优化下，数字技术的不断完善下实现更多的功能。发展趋势三：频率计虚拟化。随着计算机的普及，利用计算机做显示和操作平台的虚拟仪表，也越来越被广泛运用。目前主流的开发平台是NI公司的LabVIEW。电子测量技术的发展，单片机技术和大规模可编程数字逻辑电路的普及，为频率测量的结构简单化提供了技术基础，使得频率测量正朝着高灵敏度、高可靠性、全集成化和智能化方向发展。智能化芯片的运用，使得同一硬件具有多种不同的功能，为多样化、系列化带来了便利。以后数字化智能频率计将在满足测量要求和实现功能的同时，也为操作频率计的人，带来使用上的方便和舒适。总之，数字频率计正朝着更高的精确度，更低的测量误差，更多的功能实现，更少的价格，更人性化，更智能化方向发展。9 温州大学城市学院本科毕业设计（论文）文献综述参考文献[1]李宝营、赵永生、祖龙起、牛悦苓.《基于单片机的等精度频率计设计》.中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与SOC）.2007年第23卷第9-2期[2]莫琳.《基于FPGA的等精度频率计的设计与实现》.《现代电子技术》2004年第10期总第177期[3]邵祥兵、赵建峰.《基于AT89C2051的智能频率计设计》.南京工程学院学报（自然科学版）第2卷第4期[4]张兆莉、蔡永泉、王珏.《基于FPGA的数字频率计的设计与实施》[5]付丽辉、周西峰.《信号与系统》[6]陈一新.《基于单片机的等精度数字频率装置的原理及实现》.《国外电子元器件》.2002年第4期[7]百度知道．频率计的发展史，以及国内外的应用．http://zhidao.baidu.com/question/270621845.html[8]豆丁．数字频率计的发展背景．http://www.docin.com/p-366615373.html[9]Liufengge.MCS-51microcontrollerclockcircuit[J].HezheNormaljuniorcollegejournal,Vol.25,2003,pp.87-88[10]J.Hu,C.Meinel.PortablereliableandsafeITsecuritytraining,Computer&SecurityVol-ume.23,pp.282-289,20049