基于CPLD和89S51的多功能信號測量儀

1 引言

　　測頻是最基本的電子測量技術(shù)。常用的測頻方法有較大的局限性，其測量精度是隨被測信號頻率的下降而降低的，并且被測信號計(jì)數(shù)則產(chǎn)生±1個(gè)數(shù)字誤差。而采用等精度頻率測量方法測量精確，測量精度保持恒定；并且與CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)相結(jié)合可使測頻范圍達(dá)到0.1 Hz～100 MHz，測頻全域相對誤差恒為1／1000。

　　智能化儀器通常以單片機(jī)為核心，而一般單片機(jī)自身計(jì)數(shù)器／定時(shí)器的計(jì)數(shù)／定時(shí)范圍或精度有時(shí)無法滿足系統(tǒng)要求。以89C51單片機(jī)為例，當(dāng)其內(nèi)部兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器T0和T1工作在計(jì)數(shù)方式時(shí)，對T0(P3.4)或T1(P3.5)的外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)T0或T1引腳上發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1。由于識別引腳的負(fù)跳變需2個(gè)機(jī)器周期，即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期。T0／T1的最高頻率為1／24fosc，當(dāng)晶體振蕩器頻率為12MHz時(shí)，其最高計(jì)數(shù)頻率為500 kHz。要求高測量頻率時(shí)，則需對被測信號預(yù)處理以擴(kuò)展測頻范圍。

2 測量原理

　　要求測量頻率較高時(shí)，則需對高頻和低頻采用不同的測量方法，提高測量精度。

2.1高頻測量

　　采用測頻法測量高頻。在確定的閾值時(shí)間Tw內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)(或脈沖數(shù))Nx，則被測信號的頻率：fx=Nx／Tw。測頻法原理如圖1。由于被測頻率較高，單片機(jī)難以測量，8051所測量最高頻率為500 kHz，因此采用CPLD和8051的內(nèi)部計(jì)數(shù)器組成32位計(jì)數(shù)器。CPLD的計(jì)數(shù)器為低16位，其進(jìn)位脈沖再向8051計(jì)數(shù)。CPLD延時(shí)為10 ns，因此，CPLD與8051按測頻原理可以精確測量50 Mz的頻率。

2.2低頻測量

　　采用測周法測量低頻。測周期法需用標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率fs，待測信號的一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)為Ns，則被測信號的頻率為：fx=fs／Ns，其原理如圖2所示。由于被測頻率較低，故可采用8051測量。首先要將被測信號轉(zhuǎn)換成門控信號，其轉(zhuǎn)換電路原理如圖3所示。

2.3脈寬測量

　　由于被測頻率較低，故可采用8051實(shí)現(xiàn)。將脈寬信號直接送人8051計(jì)數(shù)器，采用測周法來測量脈寬，標(biāo)準(zhǔn)信號頻率fs記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)為Ns，則被測信號的脈寬為：Tx=Ns／fs。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)設(shè)計(jì)部分

　　快速測量的要求必須保證高精度測頻，必須采用高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。由于單片機(jī)受本身時(shí)鐘頻率和指令運(yùn)算限制，因此，測頻速度較慢，無法滿足高速、高精度測頻要求。采用高集成度、高速可編程門陣列CPLD可實(shí)現(xiàn)快速、高精度測頻。其硬件電路如圖4所示。

3.2 CPLD設(shè)計(jì)部分

　　利用CPLD作為計(jì)數(shù)器的低16位，而89S51內(nèi)部計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器的高16位，在門控時(shí)間內(nèi)分別對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于單片機(jī)具有程序運(yùn)算能力，且頻率為周期的倒數(shù)(f=1／T)，則測頻法與測周法互通。CPLD設(shè)計(jì)部分的硬件電路如圖5所示。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Keil C51編寫。由于單片機(jī)能夠完成大量運(yùn)算，且包含浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。因此，并采用Keil C51便于運(yùn)行。并采用Keil C51自帶的軟件仿真器對所編寫的程序進(jìn)行仿真。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程為：單片機(jī)初始化、LCD初始化、計(jì)數(shù)器清零、單片機(jī)發(fā)出啟動脈沖，來啟動CPLD的兩個(gè)低16位計(jì)數(shù)器和單片機(jī)的兩個(gè)高16位計(jì)數(shù)器。此時(shí)，計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)Tx上升沿到來，計(jì)數(shù)器才開始計(jì)數(shù)，軟件延時(shí)1 s后，發(fā)出結(jié)束脈沖來結(jié)束CPLD的兩個(gè)低16位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，但此時(shí)，計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，而是直到下一個(gè)Fx上升沿兩個(gè)計(jì)數(shù)器才都停止計(jì)數(shù)，隨后關(guān)閉單片機(jī)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器。CPLD發(fā)送結(jié)束信號，單片機(jī)響應(yīng)中斷。中斷函數(shù)分兩次讀取CPLD的兩個(gè)計(jì)數(shù)器值。進(jìn)而單片機(jī)處理兩個(gè)32位計(jì)數(shù)器值。調(diào)用顯示函數(shù)顯示頻率，從而完成一次測頻。圖6為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。

5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)系統(tǒng)測試，測試數(shù)據(jù)符合要求。因此，該信號測量儀具有電路簡單、體積小巧、便于攜帶、功能強(qiáng)大，中文液晶顯示等特點(diǎn)。其頻率測量范圍可達(dá)0.1 Hz～100MHz，并可隨意切換被測信號的頻率、周期和脈寬，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。