简易网络导纳分析仪、低频数字式相位测量仪、简易多功能计数器三个项目的整体概述与方案实现
简易多功能计数器(两种方案)
2008年F题简易多功能计数器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 CounterABSTRACTThe 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 "functional design - software simulation - Download" electronic automatic mode takes the place of the traditional "circuit design - 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----------------------------------------------------------------------11.1.2 发挥设计要-------------------------------------------------------------------------11.2 测量原理1.2.1频率测量原理-----------------------------------------------------------------------11.2.2 时间间隔-----------------------------------------------------------------------------11.2.3 系统测量原--------------------------------------------------------------------------21.3 系统总体方案1.3.1 系统总体方案的比较与----------------------------------------------------------21.3.2 系统总框图--------------------------------------------------------------------------31.4 各模块硬件电路实现1.4.1 FPGA模块---------------------------------------------------------------------------31.4.1.1 频率测量---------------------------------------------------------------------------31.4.1.2时间间隔测量---------------------------------------------------------------------41.4.1.3 其他---------------------------------------------------------------------------------51.4.2信号预处理---------------------------------------------------------------------------61.4.3 AD采样测幅值----------------------------------------------------------------------71.4.4 温度测量模块-----------------------------------------------------------------------71.4.5 键盘输入模块-----------------------------------------------------------------------71.4.6 液晶显示模块-----------------------------------------------------------------------71.4.7 语音报时模块-----------------------------------------------------------------------71.4.8 自制电源-----------------------------------------------------------------------------71.4.9浮点数除法运算---------------------------------------------------------------------81.5 系统软件设计2.5.1 主程序流程图----------------------------------------------------------------------82.5.2 界面设计----------------------------------------------------------------------------91.6 测试与结果分析2.6.1 参数测量结果-----------------------------------------------------------------------102.6.2 误差与结果分析--------------------------------------------------------------------1 11.7设计总结----------------------------------------------------------------------------------121.8参考资料----------------------------------------------------------------------------------12附录1.1元件清单----------------------------------------------------------------------------------131.2电路设计原理图及相关仿真结构--------------------------------------------------131.3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）。
简易频谱分析仪设计资料
摘要该简易频谱分析仪以单片机AT89S52为控制核心，控制高中频的二次变频扫频接收机进行频谱分量分析，同时在示波器屏幕上显示频谱分量，具有分析范围宽、高镜像抑制比和高分辨力的特点。
该作品很好地达到了设计目标。
一、方案设计与论证1、总体设计方案方案一：将被测信号放大后直接用DSP或单片机经A/D转换后进行傅立叶展开等数字处理，将得到的结果送到示波器等显示器件进行显示。
这个方案的优点是比较容易从软件上进行各种数字运算的处理，因为本题目要求的指标并不高，采用这个方案将会极大提高设计成本和增加开发难度；方案二：参考题目推荐的方法，该题目可设计成一扫频接收机，在扫频范围内能检测到每个频点上的信号幅度，此方案的优点是电路比较简单，不需要DSP等专用芯片处理就可以满足设计要求，缺点是实时性比较差。
比较两种方案，考虑制作难度、性价比和时间等因素，我们选用了方案二，参考专业短波通讯中的接收机电路，采用二次变频法将会得到比较高的镜像抑止比、灵敏度和选择性。
2、输入调谐回路方案一：采用变容二极管和电感线圈组合成的压控可变中心频率的LC调谐回路进行选频，这种电路的优点是可以得到良好的选频特性，缺点是在1－30MHZ的覆盖范围内单个LC 回路难以实现，需要用到频段切换等技术处理，难以做到比较好的一致性；方案二：采用非调谐宽带滤波的办法，输入级不设选频电路，只设置一个通频带为1－30MHZ的带通滤波器，缺点是没有选频特性，但是电路简单可靠；综合比较后选择方案二，选频的实现是在一次变频后用中心频率为45.499MHZ的LC滤波器选频。
3、混频器混频器是外差式接收电路必不可少的。
方案一：用分立元件如三极管和二级管组成，显然电路比较简单，但是在混频增益和性能一致性上有所欠缺；方案二：用集成电路混频器，虽然一般的器件存在动态范围小的缺点，但是混频增益高和性能稳定；本作品需要用到两个混频器，要求比较高，综合比较后选择方案二，采用性价比很高的NE602作为混频器件，事实证明有很好的效果。
低频数字式相位测量仪简单介绍
低频数字式相位测量仪简单介绍相位差的测量在自动控制以及通讯电子等领域有着非常广泛的应用。
如水深测量、电磁波测量、电力系统的相位检测装置、激光测量等。
目前常用的低频数字式相位测量仪方法是将输入的两路信号经过某种处理将其变成方波，再通过比较这2路方波计算出相位差脉宽，最后通过用高频脉冲填充相位差，这个过程就实现了相位差的测量。
1、低频相位测量仪的意义大家都知道相位是交变信号三要素（频率伏值相位）之一，而相位差则是研究两个相同频率交流信号之间关系的重要指标。
相位差是测量两个同频率周期信号的相位差值。
相位计就是测量相位差的仪器,低频数字式相位测量仪就是专门测量低频信号的相位差，一般频率是100Hz以内的正弦频率信号，高精度相位计一般是指测量精度特别高，一般测量精度在0.2度以内。
低频数字式相位测量仪的工作原理和误差源就是设计低频数字式相位测量仪必须了解的内容。
2、低频数字式相位测量仪测试方法（1）示波器法示波器法是把两个被测信号同时加到双踪示波器的两个Y通道，直接进行比较，根据两个波形的时间间隔△T与波形周期T的比，计算相位差Φ。
示波器测量相位差缺点是精度不高。
（2）零示法零示法其实是将被测信号和可变移相器串联然后和另一同频率信号同时加在相位比较器如示波器、指示器等上，调节可变移相器，使比较器指示零值相位，则移相器上的读值即为两信号间的相位差。
这种测量方法的精度决定于所使用的移相器的精度，一般达十分之几度。
（3）直读式相位计法直读式相位计最大的优势就是可以直接读取相位差。
同事其测量速度也比较快，还能显示相位变化。
一般而言直读测量相位差的方法有：数字式直读相位计法、矢量电压表法相敏检波器法和环形调制器法。
其中前两种是目前低频数字式相位测量仪测试方法中最常见的，具体测试方法如下：a、数字式直读相位计法测量相位差的基本原理与测量时间间隔大体相同，见时频测量。
即将被测两信号电压经过脉冲形成电路，变换成尖脉冲，去控制双稳态触发器，由此产生宽度为△T的闸门信号。
网络分析仪的作用及原理介绍
网络分析仪的作用及原理介绍一.每周1.工作内容：*检查校准因数（服务要求）*抽动泵管，喷洒硅酮润滑后复位2.操作步骤：CONFIGURATION二.每月1.工作内容：*用注射器冲洗取样管线*检查试剂是否需要更换*用12.5%的次氯酸钠溶液冲洗取样管，再用清水漂洗干净（注意：有腐蚀性，操作时需佩戴防护手套和防护眼镜）*用硅酮喷洒润滑泵管*检查取样杯，假如有污垢予以清除。
2.操作步骤：*拆下泵管卡盒*将注射器连接到取样管进口*按以下要求在“SERVICE”中设置V1:S,P1:g,P2:s,V2:S*将清洁剂添加到取样口三.每3个月1.工作内容：*冲洗排放管线*用10%的氨水冲洗全部胶管，然后取样至少30分钟*旋转泵管2.操作步骤*检查备用电池（电池寿命一般接近5年）*检查电缆及其连接注意：每年的功能检查是保养合同的构成部分，可以布置本地的服务机构进行四.每6个月工作内容：*更换泵管*更换阀管全自动在线水中氨氮分析仪，可适用于多种水质如河水、地表水和工业废水。
网络分析仪的作用及原理介绍网络分析仪是在四端口微波反射计的基础上进展起来的，是一种功能强大的仪器，正确使用时，可以实现极高的精度，尤其在测量无线射频（RF）元件和设备的线性特性方面特别有用。
下文我将跟大家介绍一下它的作用，功能以及工作原理：网络分析仪的作用：网络分析仪是测量网络参数的一种新型仪器，可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单口网络的复数散射参数，并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。
网络分析仪是在四端口微波反射计（见驻波与反射测量）的基础上进展起来的。
在60时代中期实现自动化，利用计算机按肯定误差模型在每一频率点上修正由定向耦合器的定向性不完善、失配和窜漏等而引起的误差，从而使测量精准明确度大为提高，可实现计量室中精密的测量线技术的测量精准明确度，而测量速度提高数十倍。
网络分析仪使用广泛，在网络故障检测和维护上作用明显，它重要有五大功能：1、频标功能：有四种频标方式可供选则，便利测量读数，详见频标操作说明部分。
大学生国家级科技竞赛项目
大学生国家级科技竞赛项目大学生国家级科技竞赛项目(与电气学院相关)1.“挑战杯”课外科技作品竞赛2.“挑战杯”中国大学生创业计划大赛3.全国大中专学生暑期“三下乡”社会实践活动4.全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛5.全国大学生电子设计竞赛6.全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛7.全国大学生数学建模竞赛8.中国机器人大赛暨R o b o C u p公开赛9.中国大学生物联网创新创业大赛（美新杯中国M E M S传感器应用大赛）10.全国大学生工程训练综合能力竞赛1.“挑战杯”课外科技作品竞赛挑战杯是“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛的简称，是由共青团中央、中国科协、教育部和全国学联、举办地人民政府共同主办的全国性的大学生课外学术实践竞赛。
“挑战杯”竞赛在中国共有两个并列项目，一个是“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛；另一个则是“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛。
这两个项目的全国竞赛交叉轮流开展，每个项目每两年举办一届，“挑战杯”系列竞赛被誉为中国大学生学生科技创新创业的“奥林匹克”盛会，是目前国内大学生最关注最热门的全国性竞赛，也是全国最具代表性、权威性、示范性、导向性的大学生竞赛，“挑战杯”的杯名由原中共中央总书记、国家主席、中央军委主席江泽民同志亲自题写。
“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛是一项全国性的竞赛活动，简称“大挑”（与挑战杯创业计划大赛对应）。
该比赛创办于1986省级人民政府主办，承办高校为国内著名大学，“挑战杯”系列竞赛被誉为中国大学生学术科技“奥林匹克”，是目前国内大学生最关注最热门的全国性竞赛，也是全国最具代表性、权威性、示范性、导向性的大学生竞赛。
该竞赛每两年举办一次，旨在鼓励大学生勇于创新、迎接挑战的精神，培养跨世纪创新人才。
“挑战杯”竞赛在中国共有两个并列项目，一个是“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛，简称小挑；另一个则是“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛，简称大挑，两者在比赛侧重点不同，大挑注重学术科技发明创作带来的实际意义与特点，而小挑更注重市场与技术服务的完美结合，商业性更强，小挑奖项设置为金奖、银奖、铜奖，而大挑设置特等奖、一等奖、二等奖、三等奖，大挑发起高校可报六件作品，其中三件为高校直推作品，另外三件要与省赛组织方协商推荐，而小挑只能推荐三件作品进国赛，大挑有学历限制而小挑没有，大挑分为专本科组、硕士组、博士组分开评审，大挑国赛最多可以报八人，而小挑最多可以报十人，大挑比赛证书盖共青团中央、中国科协、教育部、全国学联、举办地人民政府的章，而小挑证书只盖共青团中央、中国科协、教育部、全国学联的章。
电气电子毕业设计100竞赛论文——低频数字式相位测量仪
电子竞赛——低频数字式相位测量仪目录摘要 (1)一．设计任务与设计要求 (2)1.1 设计任务 (2)1.2 设计要求 (2)1.2.1 基本要求 (2)1.2.2 发挥部分 (2)二．相位测量 (2)2.1相位测量方案选择与论证 (3)2.2相位测量框图 (3)2.3相位测量硬件电路设计与器件选择 (3)2.3.1 相位比较电路 (4)2.3.2 CPU与外围电路 (5)2.3.3键盘与显示电路 (6)2.3.4直流稳压电源电路 (6)2.4 测试方法与测试结果 (7)2.4.1 相位测试方法 (7)2.4.2相位测试结果 (7)2.4.3测量工具 (7)三．频率测量方案 (7)3.1 方案选择与论证 (7)3.2 硬件电路设计 (9)3.3 频率测量测试及结果 (9)3.4 测量工具 (10)四．移相网络电路参数计算 (10)4.1移相网络电路框图 (10)4.2移相网络电路参数计算 (10)4.3 移相网络测试 (12)4.4 测量工具 (12)五．发挥部分数字移相信号发生器 (12)5.1方案论证 (12)六．系统软件设计 (15)七．总的结果分析 (16)八．结论 (16)附录：移相信号发生器电路 (17)10-03设计题目：低频数字式相位测量仪参赛队员：刘传登韩春鹏王忠杰指导教师：车新生摘要本设计实现的是对两列信号的相位差的精确测量并数字显示测量结果。
为达到要求的精度本设计采用了将相位转换为直流电压的间接测量方法。
用16位A/D对输出的直流电压进行采样，送入单片机进行相位显示。
这样就使得相位差就具有足够高的分辨度，完成了任务要求。
在单片机P89C51实现以上功能的同时，利用单片机中的多位计数器/定时器对输入信号进行等精度频率测量。
为测量方便，又制作了移相网络电路，设计了移相信号电路和应用程序。
整个装置具有原理简单，测量精度高,测量范围宽，测量结果显示直观的特点。
关键词：相位测量等精度测量移相网络一．设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一台低频相位测量系统，包括相位测量仪，数字式移相信号发生器和移相网络三部分。
第3章+低频数字式相位测量仪的设计
图3.3 用测周期的方法获得信号频率
第3章 低频数字式相位测量仪的设计
2) 鉴相器就是异或门，在鉴相器的输出波形IV中， 正脉冲宽度就是要测量的I和V 相位差所对应的时间差 Tθ ，如图3.4所示。
第3章 低频数字式相位测量仪的设计
I V
IV
图3.4 鉴相器的输入、输出波形图
第3章 低频数字式相位测量仪的设计
F INT1(P 3.3)
图3.6 MCU测量时间差、周期的电路图
第3章 低频数字式相位测量仪的设计
（2） 时序图如图3.7所示。需要说明的是，由软 件创建一标志位2FH.1，当输入引脚P3.6=0时，CPU置 位标志位2FH.1，而当P3.6=1时，CPU在读取时间差数 据后清零标志位2FH.1。
第3章 低频数字式相位测量仪的设计
2) （1）电路图如图3.6所示，该电路由单片机、整 形电路、门电路等组成。由定时器/计数器T0、T1分别 测量周期、时间差。
第3章 低频数字式相位测量仪的设计
待测信号 1 待测信号 2
A
D
整形 电路
2分 频
＝1 C
&
整形 电路 B
MCU -51 INT0(P 3.2) ≥1 E P3.6
SUB1入 口 R4＝4(R4是计 数器 )
P3.6＝ 1?
N
Y
2FH.1＝ 1?
N
Y
R4＝ 4?
Y
N
保存 周期 TH0、TL0 保存 时间 差 TH1、TL1
SETB 2FH.1
清零 定时 器 T0、T1 清0标志 位 2FH.1
R4－ 1送 R4
N
R4＝ 0?
Y SUB1出 口
毕业设计论文《低频数字式相位测量仪》
毕业设计论文《低频数字式相位测量仪》摘要该数字式相位测量仪以单片机 (89c52) 为核心 , 通过高速计数器 CD4040 为计数器计算脉冲个数从 , 而达到计算相位的要求 , 通过 8279 驱动数码管显示正弦波的频率，不采用一般的模拟的振动器产生 , 而是采用单片机产生 , 从而实现了产生到显示的数字化 . 具有产生的频率精确 , 稳定的特点 . 相移部分采用一般的 RC 移相电路 , 节省了成本。
一方案论证与比较 :1 常见正弦信号的测量方法 :方案一：采用模拟分离元件如二极管，三极管等非线性元件，实现频率的测量，检相的功能，使用起来方便，价格便宜，但采用分离元件由于分散性太大，不便于集成及数字化，而且测量误差大。
方案二：采用集成的检相器，检频器实现频率及相位的测量。
这种方法的实现框图如下：这种方法虽然可实现比较精确的测量，但由于模拟信号易受外界的干扰，不易调节，无法实现智能化，数字化的缺点，一般在要求较低的情况下使用。
方案三：此方案采用高速信号发生器产生 20MHz 的高频信号，其主要特点是采用 CD4040 高频计数器结合单片机，利用计数脉冲实现测量相位与频率的目标。
这种方法克服了模拟电路的缺点，实现了数字化与集成化。
本设计采用了这种方法。
这种方案的组成框图：二系统总体设计按照题目要求，我们设计的相位测量系统包括三部分：正弦波产生系统（包括频率调整电路），移相电路和相位显视系统，其总体框图如下：三各部分硬件电路设计及参数计算1、正弦波产生电路•方案一：利用 8038 芯片或 MAX038 可以实现压控的函数发生器通过改变少量的外围元件，可实现正弦波，方波，三角波，并可实现频率调节，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻，电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度差，精度低，抗干扰能力差，调节困难，成本也高。
而且灵活性差，不能实现智能化。
低频数字式相位测试仪的设计与实现
低频数字式相位测试仪的设计与实现尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【摘要】基于过零检测法,以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心,设计并实现了对双路同频低频信号的相位差和频率进行测量的系统.在一个可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)内实现了数字式相位差和频率的数据采集,简化了系统设计.系统可以对200 Hz～10 kHz频率范围内的信号进行相对精确的测量,与传统相位测量仪相比,具有硬件电路简单、测量速度快和易于实现等优点.【期刊名称】《天津师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(032)001【总页数】4页(P39-42)【关键词】相位测量;频率测量;CPLD;微控制器;液晶显示【作者】尹晓慧;陈劲;张宝菊;王为【作者单位】天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387;天津师范大学物理与电子信息学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TM932在电子测量技术中，相位测量是最基本的测量手段之一，相位测量仪是电子领域的常用仪器.随着相位测量技术广泛应用于国防、科研和生产等各个领域，对相位测量的要求也逐步向高精度、高智能化方向发展.在低频范围内，相位测量在电力和机械等部门具有非常重要的意义［1］，目前相位测量主要运用等精度测频和锁相环（Phase Locked Loop，PLL）测相等方法.研究发现，等精度测频法具有在整个测频范围内保持恒定高精度的特点，但该原理不能用于测量相位［2］.PLL测相可以实现等精度测相，但电路调试较复杂.因此，本研究选择直接测相法作为低频测相仪的测试方法.对于低频相位的测量，使用传统的模拟指针式仪表显然不能满足所需的精度要求，随着电子技术和微机技术的发展，数字式仪表因其高精度的测量分辨率以及高度智能化、直观化的特点得到越来越广泛的应用因此，本研究设计并实现了以CPLD和微控制器（Micro Control Unit，MCU）为核心的低频数字式相位测量仪.相位差测量的基本原理有3种：对信号波形的变换比较、对傅氏级数的运算和对三角函数的运算［2－3］.3种原理分别对应过零检测法、倍乘法和矢量法3种测量相位差的方法.过零点检测法是一种将相位测量变为时间测量的方法，其原理是将基准信号的过零时刻与被测信号的过零时刻进行比较，由二者之间的时间间隔与被测信号周期的比值推算出两信号之间的相位差.这种方法的特点是电路简单，且对启动采样电路要求不高，同时还具有测量分辨率高、线性好和易数字化等优点.任何一个周期函数都可以用傅氏级数表示，即用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，倍乘法测量相位差所用的运算器是一个乘法器，2个信号是频率相同的正弦函数，相位差为φ，运算结果经过一个积分电路，可以得到一个直流电压V＝k cosφ，电路的输出和被测信号相位差的余弦成比例，因此其测量范围在45°以内，为使测量范围扩展到360°，需要附加一些电路才可以实现.倍乘法由于应用了积分环节，可以滤掉信号波形中的高次谐波，有效抑制了谐波对测量准确度的影响. 任何一个正弦函数都可以用矢量来表示，如各个正弦信号幅度相等、频率相同，运算器运用减法器合成得到矢量的模V＝2E sinφ／2.矢量法用于测量小角度范围时，灵敏度较好，可行度也较高；但在180°附近灵敏度降低，读数困难且不准确.由于系统输出为一余弦或正弦函数，因此这种方法适用于较宽的频带范围［1］.上述3种测量相位的方法各有优势，从测量范围、灵敏度、准确度、频率特性和谐波的敏感性等技术指标来看，过零检测法的输出正比于相位差的脉冲数，且易于实现数字化和自动化，故本研究采用过零检测法.采用过零检测法需要对被测信号的周期进行测量，由于信号的周期与频率之间呈倒数关系，本研究采用测量被测信号频率的方法实现对其周期的测量.频率测量的方法很多，可分为2大类：第1类是单位时间内测量脉冲周期的方法，这种方法的优势是能够用标准的基准单位时间对被测信号时钟进行脉冲测量，简单方便，容易实现，但是由于使用了基准的单位时间，所以测量脉冲时，如果被测信号的周期接近基准时钟的周期，测量的准确度就会下降，精度难以得到保障，所以这种方法只适合于测量高频信号，或者说这种方法只适合于基准时钟周期比被测信号周期大得多的情况；第2类测量方法是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数，这种方法的优点是使用高频时钟对被测信号的单个时钟周期进行高频计数可以在一个被测信号周期内完成对频率的测量，对于低频被测信号具有较高的精度，但设计较为复杂.本研究所涉及的频率测量范围为200 Hz～10 k Hz，属于低频信号，因此可以采用高频时钟的方法对频率进行测量.每种测量方法均存在2种具体的测量手段：一种是利用专用频率计模块来测量频率，如ICM7216芯片，其内部自带放大整形电路可以直接输入正弦信号，外部振荡电路部分选用由一块高精度晶振和2个低温度系数电容构成的10 MHz振荡电路，其转换开关具有0.01 s、0.1 s、1 s和10 s共4种闸门时间，量程可以自动切换，待计数过程结束时显示测频结果；另一种方法是利用CPLD和MCU来实现频率的测量，将被测信号通过模拟电路转换为方波信号输入EPM1270的某一I／O端口，在CPLD内部实现频率的采集，最后将计数值送入MCU处理并输出至液晶予以显示.比较2种测量手段，利用实验室现有条件，本研究采用CPLD和MCU实现对被测信号频率的测量.利用单片机控制计数器工作，硬件简单且频率测量精度高，这是目前较为成熟的一种高精度测频方案.系统的设计目标是实现双路同频率正弦波信号相位差和频率的测量.本研究采用数字鉴相技术在保持模拟式相位测试优势的同时，提出并实现了一种基于CPLD的低频数字式相位测试仪.该系统主要由数据采集电路、数据运算控制电路和数据显示电路3部分构成，采用CPLD和AVR单片机相结合构成整个系统的测控整体.CPLD主要负责数据采集，单片机负责读取CPLD采集的数据，再根据这些数据作出相应计算，并通过液晶将结果显示出来.系统在保持模拟式相位测试优点的同时，具有抗干扰能力强、外围电路简单和易于实现等优点［4－5］.测量相位差的具体方法为：先通过比较电路将两路同频率正弦信号分别转换为相应的脉冲信号将其中一路信号直接送入D触发器，作为触发信号；另一路信号通过反相器取反后与复位信号相与，将得到的结果送入D触发器的清零端，由D触发器输出一脉冲信号，此脉冲波形的脉宽为t，经过微处理器进行相应计算处理后得到两信号的相位差［6－7］.设计中频率测量的具体方法是：被测信号转换后形成脉冲信号，利用其上升沿触发计数器对基准时钟开始计数，处于下降沿时则停止计数，所得计数为N，利用t＝N×T／2，f＝1／t，其中T为所用晶振的时钟周期，利用单片机系统编程实现该运算式，即可求得频率，并将运算结果送液晶显示.系统的原理框图如图1所示.3.2.1 模拟部分模拟电路部分要将同频率的两路正弦信号转换为方波输出，电路采用电压比较器LM393.LM393内有2个电压比较器，两路信号分别接2个比较器同相输入端，将反相输入端接地，即构成过零比较电路.前级的射随器采用LM353，其作用是提高输入阻抗，提高负载.过零比较器使用芯片LM393来实现，该芯片性能较好，能够有效提取正弦波的过零点.选择使用过零点这种判断方法是因为正弦波在过零点的时候，斜率具有极大值，即使两列正弦波幅度略有不同，也不会对测量结果造成过大影响，所以芯片上输出口的上拉电阻主要用于控制高低电平输出的大小.图2和图3分别是A、B两路同频率正弦信号经过模拟电路转化为方波的电路图，其中W31和W32同时接通时构成跟随器，W32和W34同时接通时构成比例放大器.3.2.2 部分参数选择整个电路设计中，参数的选取至关重要，CPLD中计数器的时钟频率要选择恰当，时钟的脉宽要保证输入方波信号的高电平时间Δt最小时存在计数值，即系统能够采集Δt最小时的输入信号；同时，还要保证Δt最大时，计数器存在计数值，即能够采集到最大的相位差360°.根据相位误差范围的要求，计算Δφ＝Δt／T×360°＝0.5°，当 T＝10 k Hz时，Δt＝0.139μs，分频系数＝0.139／0.05＝2.78，故本设计采用2分频.由于AVR单片机数据位的限制，最终得到下限频率取200 Hz，此时，系统测量的展伸不确定度范围符合设计要求.系统的软件设计流程图如图4所示.本研究使用模块化的设计方法，所以软件模块和硬件模块均首先各自独立进行调试，独立调试通过后，再进行系统的软硬件综合调试.在调试输入波形整形模块时，首先检查该模块所有芯片的工作电压是否正常，调整工作电压后，再测试射随器的输出电压，如果其输出电压正常，则测试过零比较器的输出端，看其电压是否正常；如果不正常，可以稍微调整负载电阻，使其输出电压正常.实验所得数据均为正常情况下于实验室中测试得出，测试结果如表1所示.由表1数据可知，系统可以测量一定频率范围内2个同频正弦信号之间的相位差，并能达到稳定的测量精度（理论推算为0.5°，实际可达±3°）.测试结果存在的误差来源于所选基准时钟的准确性以及采用软件计数存在一定的延时.在实际应用中，CPLD可采用更高的晶振频率来增加频率的测量范围，并提高测量精度.本研究以微控制器ATmega 128和可编程逻辑器件EPM1270为核心，将单片机控制技术和电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA应用技术有机结合在一起，完成了低频数字式相位测试仪的设计与制作.由于可编程逻辑器件可以完成较大且较为复杂的逻辑处理任务，而且它灵活方便，易于移植，可通用性强，因此系统主要的逻辑功能均在可编程逻辑器件内部完成.本研究所设计的低频数字式相位测试仪采用CPLD，外围电路较为简单，工作可靠，电路调试和维护简单易行.【相关文献】［1］田秀丰，何继爱，李敏.低频数字式相位测量仪的设计［J］无线电通信技术，2008（2）：55－61.［2］陈明杰.低频数字相位（频率）测量的CPLD实现［J］.微计算机信息，2008，24（32）：224－225.［3］缪晓中.基于MCU＋CPLD的相位差和频率的测量方法研究及实现［J］.国外电子元器件，2008（7）：10－12.［4］姚远，王丽婷，郭佳静.低频数字式相位测量仪［J］.电子世界，2004（5）：39－41. ［5］潘洪明，邹立华，方燕红.同频正弦信号间相位差测量的设计［J］.电子工程师，2003，29（3）：41－42.［6］欧冰洁，段发阶.超声波隧道风速测量技术研究［J］.传感技术学报，2008，21（10）：1804－1807.［7］车惊春，韩晓东.Protel DXP印制电路板设计指南［M］.北京：中国铁道出版社，2004：94－110.［8］龙腾科技.Protel DXP循序渐进教程［M］.北京：科学出版社，2005：22－52.。
低频数字式相位测量仪
低频数字式相位测量仪设计报告目录1方案设计与论证2 1．1移相网络设计方案2 1.2相位测量仪设计方案3 2系统设计3 2.1总体设计32.1.1系统框图3 2.1.2模块说明4 2.2各模块设计及参数计算4 2.2.1移相网络设计及R、C参数设定4 2.2.2相位测量仪设计52.2.3软件系统63.结论64.参考文献75．附录7系统设计图7摘要本系统以单片机为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于具有高速处理能力的低频数字式相位测量仪。
该系统由相位测量仪和移相网络组成；移相网络能够产生-45~45°相位差的两路信号；相位测量仪能够测量出具有0°~359°的两路信号的相位差，绝对误差小于2°，具有频率测量及数字显示功能。
经过实验测试，以上功能均可以准确实现。
关键字：单片机移相相位差数字显示1方案设计与论证1．1移相网络设计方案本设计的核心问题是信号的模拟移相程控问题，其中包括波形相位以及波形幅度的程控。
在设计过程中，我们首先考虑了赛题中提供的方案。
如图1-1所示：V1VV2图1-1该模拟电路主要采用高、低通电路的临界截止点来产生极值相位的偏移。
当高、低通电路的截止频率等于输入信号频率时，根据其幅频特性，信号波形所产生的相位分别为45°和-45°，恰好满足赛题要求的连续相移范围-45°~45°的调节。
由于高、低通电路在截止点时会产生幅度的衰减，故电路在后级加了放大电路，且采用了电压串联负反馈的方式提高了输入阻抗并降低了输出阻抗，电路最后还设计有调幅装置，能够很好地满足A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3V—5V范围内变化。
综上所述，该移相网络能够满足赛题的所有要求，且电路设计简单、易行，故我们直接采用了这种方式来产生模拟的相移输出。
1.2相位测量仪设计方案方案一：检相器可以利用正弦波形的正半周和负半周的对称特性。
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我具体做了以下这些模块的工作： 1、移相网络，TIM输入捕获模式来进行测 、移相网络，TIM输入捕获模式来进行测 频测相。 2、ARM按键输入频率控制ＦＰＧＡ产生给 ARM按键输入频率控制ＦＰＧＡ产生给 定频率的正弦波，ARM结合ＦＰＧＡ实现 定频率的正弦波，ARM结合ＦＰＧＡ实现 等精度测频测相，内部AD实现电压检测。 等精度测频测相，内部AD实现电压检测。 3、高频信号的放大与滞回比较电路。
当然在做这个模块的过程中，也遇到了 一些问题--按键消抖处理。之前我们用的 一些问题--按键消抖处理。之前我们用的 MS3系统去抖并不是很理想，仍然会有抖动。 MS3系统去抖并不是很理想，仍然会有抖动。 可是当时为什么没有发现呢？我是这样想 的：当时按一次键是执行一种操作，抖与 不抖都是在做那件事情，但现在的目的是 只执行一次操作，抖的话就会执行多次操 作，就不会得到自己想要的输入值，因此 就必须把消抖问题处理好。
第二个项目
1、题目要求：
----简易网络导纳分析仪
1、基本要求 (1) 制作正弦波信号发生器，技术指标如下： a、能产生 100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、 10kHz 五个频率，频率误差的绝对值小于所 要求频率的1%； b、输出电压峰-峰值为1V，输出电压误差 的绝对值小于20mV； c、输出电阻小于 1 （在设计报告中给出推 导和计算结果，不进行测试）；输出波形 无 明显失真。
当然这两种方法均只适合于特定的频段。
基于以上缺陷，又提出了分频段测频法， 基于以上缺陷，又提出了分频段测频法， 即低频段采用测周法，高频段采用测频法。 其关键就在于确定切换频点。而其缺点也 就出在中频段的精度无法保证。 在有了FPGA后，又提出了等精度测频 在有了FPGA后，又提出了等精度测频 法（也叫多周期同步测频法)。从低频到高 （也叫多周期同步测频法) 频，都能实现较高的同等精度。 只是其在 软硬件方面的配置就比较复杂。 当时在做低频数字式相位测量仪的时候， 我们还没有FPGA，用的是TIM的输入捕获 我们还没有FPGA，用的是TIM的输入捕获 模式来完成测频测相的。
实验室学习情况汇报
---自动化系-XXXXXX ---自动化系湖北武汉XXXX实验室 湖北武汉XXXX实验室 2011年 2011年2月
学习情况总体概述
我在实验室主要从事的是软件方面的任 务，同时也完成了一些硬件方面的任务。 我们做了以下三个项目： 1、低频数字式相位测量仪 ； 2、简易网络导纳分析仪； 3、简易多功能计数器。
二、测频测相： ①测频：测频有两种传统的方法 1、测频法：在一定时间间隔T0内测出待测 、测频法：在一定时间间隔T0内测出待测 信号重复变化的次数N 信号重复变化的次数N，则被测信号的频率 为：
fx=N/T0。 fx=N/T0。（适合于高频信号） fx= fs /N。 （适合于低频信号） /N。
2、测周法：在被测信号的一个周期内测出 标准高频信号fs的个数N 标准高频信号fs的个数N，则被测频率：
S1 SW DIP-3 6 5 4
+VCC
2 C2 1u 3
-VCC
在这个过程中，我学会了看一款芯片比较重要 的参数之一——运放的带宽。题目要求的是从 的参数之一——运放的带宽。题目要求的是从 20Hz～20kHz，属于低频。Op07的典型 20Hz～20kHz，属于低频。Op07的典型Unity-gain bandwidth为0.6MHZ，基本能够满足题目的要求。 可是在我学习的初级阶段，我一般只会看一款 芯片pdf文档的引脚排列，知道怎么接线就完了。 现在才发现原来看芯片的pdf文档也是一门学问。 里面的数据参数、工作特性曲线、典型应用电路 等都可以指导我们正确设计电路。这也是走上自 主设计道路的必经之路。
2．发挥部分 （1）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3），用以产生相位 ）设计并制作一个数字式移相信号发生器（图3 测量仪所需的输入正弦信号，要求： a．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。 ．频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置。 b．A、B输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。 输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。 c．相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。 ．相位差范围为0 359°，相位差步进为1 d．数字显示预置的频率、相位差值。 （2）在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相 位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。 位测量仪输入正弦电压峰-峰值至0.3V～5V范围。 （3）用数字移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位 差值和不同幅度进行校验。 （4）其它。 补充说明： 1、移相网络的器件和元件参数自行选择，也可以自行设计不同于图2 、移相网络的器件和元件参数自行选择，也可以自行设计不同于图2 的移相网络。 2、基本要求（2）项中，当输入信号频率不同时，允许切换移相网络 、基本要求（2 中的元件。 3、相位测量仪和数字移相信号发生器互相独立，不允许共用控制与 显示电路。
具体工作情况
第一个项目 ---- 低频数字式相位测量仪
1、题目要求：
1、基本要求 （1）设计并制作一个相位测量仪（参见图1） ）设计并制作一个相位测量仪（参见图1 a．频率范围：20Hz～20kHz。 ．频率范围：20Hz～20kHz。 b．相位测量仪的输入阻抗≥100k。 ．相位测量仪的输入阻抗≥100k。 c．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。 ．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。 d．相位测量绝对误差≤2°。 ．相位测量绝对误差≤ e．具有频率测量及数字显示功能。 f．相位差数字显示：相位读数为0o~359.9o，分辨力为0.1°。 ．相位差数字显示：相位读数为0o~359.9o，分辨力为0.1° （2）参考图2制作一个移相网络 ）参考图2 a．输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。 ．输入信号频率：100Hz、1kHz、10kHz。 b．连续相移范围：－45°～＋45°。 ．连续相移范围：－45°～＋45° c．A＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。 ＇、B＇输出的正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化。
TIM的输入捕获模式类似于测周法。它无法 TIM的输入捕获模式类似于测周法。它无法 保证高频段的精度。于是就选择了一种折 衷的算法： 先用测量低频的分频系数prescaler=63来测 先用测量低频的分频系数prescaler=63来测 量频率，判断它大于频率1KHZ后再令 量频率，判断它大于频率1KHZ后再令 prescaler=1来测量。思路来源于分频段测频 prescaler=1来测量。思路来源于分频段测频 法，但仅是对基准频率做的操作。程序运 行不够稳定。
(2) 制作一端口网络 N0 的电导Re[Y ]、电纳Im[Y ]、 导纳模|Y |和导纳角φY 的测量电路， 技术指标如下： a、电导 Re [Y ]的测量范围为0.1 mS ~ 10mS，分为 若干量程，测量误差的绝对值小于 理论计算值的10%； b、电纳Im [Y ]的测量范围为0.1 mS ~ 10mS，分为若 干量程，测量误差的绝对值小于 理论计算值的10%； c、导纳模|Y |测量误差的绝对值小于理论计算值的 10%； d、导纳角φY 的测量范围为±90º，测量误差的绝对 值小于理Y ]和Im [Y ]的测量范围扩展到0.01mS ~100mS，测量误差仍达到基本要求（2） 中的要求。 （2） 自动测量功能 a、正弦波信号发生器的频率可以从 100Hz 开始， 以100Hz 的步进增加，最后到达 10kHz 结束； b、能在上述各频率点对网络的Re [Y ]和Im [Y ]（或 |Y |和φY）进行连续的测量、存储 和回放显示，其中，Re [Y ]和Im [Y ]（或|Y |）的测 量具有量程自动转换功能； c、能分别显示上述 4 个参数的频率特性曲线。 （3） 其它
2、具体工作情况： 一、正弦波发生器： ARM与FPGA相结合，按键输入频率来产生频 ARM与FPGA相结合，按键输入频率来产生频 率控制字控制FPGA产生相应频率的正弦波。 率控制字控制FPGA产生相应频率的正弦波。 按键输入频率的灵感来自于高精度的信号发生 按键输入频率的灵感来自于高精度的信号发生 器和计算器。按下计算器对应的数字按键就可以实 计算器。按下计算器对应的数字按键就可以实 现相应的数据计算，于是我就想到能不能同样的也 给单片机自定义0~9的数字键和相关功能键，获得输 给单片机自定义0~9的数字键和相关功能键，获得输 入的数据后，再转换为相应的频率控制字给FPGA， 入的数据后，再转换为相应的频率控制字给FPGA， 单片机本身就有强大的计算功能，由Frequency到 单片机本身就有强大的计算功能，由Frequency到 Freq-word只需要代入对应的公式计算就可以实现， Freq-word只需要代入对应的公式计算就可以实现， 所以实现起来并不是很困难。当时键值计算和处理 的模块也是参考网上简易计算器程序的部分模块。
分频段部分的程序如下：
该方法有一个缺陷就是从低频连续调到 高频段所得值还比较准确， 高频段所得值还比较准确，但是从高频连 续调到低频段时，低频数值跳变得厉害。 续调到低频段时，低频数值跳变得厉害。 但是复位后，又能测量低频段的值。 但是复位后，又能测量低频段的值。也就 是说从高频连续调到低频段时， 是说从高频连续调到低频段时，无法实现 档位的自动切换。可能是程序编写的有问 档位的自动切换。 有待改进和完善。 题。有待改进和完善。 目前有一种思路就是，不分频， 目前有一种思路就是，不分频，而通过 计算捕获计数器溢出次数来计算所测频率 这种方法有一个优点就是对72MHZ的 值。这种方法有一个优点就是对72MHZ的 方波计数，所测频率精度较高， 方波计数，所测频率精度较高，且测频范 围较广。 围较广。
从做这个模块的过程中，我体会到一点— 从做这个模块的过程中，我体会到一点—要学 会融汇贯通。 融汇贯通。 要想从网上找到一个项目的完整的正确方案几 乎不可能，但是有一些基本模块，网上都可以找到 相当成熟的技术方案。比如说网上有些51的功能模 相当成熟的技术方案。比如说网上有些51的功能模 块，像计算器模块、DS18B20温度检测模块、 块，像计算器模块、DS18B20温度检测模块、 ADC0809驱动模块等等，我们只需稍作修改就可以 ADC0809驱动模块等等，我们只需稍作修改就可以 移植到ARM中。当然这也有一个自我筛选的过程。 移植到ARM中。当然这也有一个自我筛选的过程。 硬件设计也是这样的，比如说像滞回比较模块，峰 硬件设计也是这样的，比如说像滞回比较模块，峰 值检测模块，这些在网上通过关键字搜索都可以找 值检测模块，这些在网上通过关键字搜索都可以找 到很多的资料，各个模块设计好了，才能保证整体 的设计效果。模块化设计是一种很有效的系统 自主设计方法。