1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化数字频率测量系统的设计一、课题研究意义及现状近年来，高精度频率测量仪器在电子技术领域中得到了越来越广泛的应用，尤其是在晶体或晶体振荡器需求量大和对其精度要求较高的行业。例如。在飞速发展的个人通信和消费电领域，越来越多的产品被要求同时具有高性能和低功耗的特点，为r满足不同器件的时钟要求和低功耗的要求，一块印刷电路板上可能会布置2个或2个以上二的晶体或晶体振荡器。与此同时。许多行业对晶体和晶体振荡器的频率准确度和稳定度指标也提出了越来越高要求。例如，低端路由器要求内部晶体振荡器的频率稳定度优于510一r，SDH通信设备要求主参考时钟源的频率稳定度优于l10
2、-11r。可见高精度频率测量仪器的市场需求很大。为了测量高指标的晶体或晶体振荡器，一般精度的频率测量仪器不能满足要求，但是能够满足高精度频率测量要求的仪器又都是作为频率计量基准。应用于国家汁量部门或科研院所，这些仪器设计复杂、体积巨大、价格昂贵，很雉在短期内推广，因此，设计一款测量精度高、成本较低的频率测量仪器就显得十分必要。频率作为一种最基本的物理量，其测量问题等同于时间的测量，不仅在工程应用中非常重要，而且在高准确度定时系统中处于核心地位。在实际的频率测量过程中1 个字计数误差的存在往往是限制频率测量准确度进一步提高的一个重要原因。由于测频技术的重要性，使其测量方法有了很大的发展，常用的方
3、法有 M 法、T 法和 MT 法，但这 3 种方法都存在1 个字计数误差问题。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题主要了解M法、T法和MT法测频的原理及各自产生误差的原理，分析限制它们测量精度提高的一个重要原因，并应用PSOC设计一种完全同步的频率测的方法，利用完全同步消除了限制测量准确度提高的1个字计数误差问题，从而使频率测量的准确度和性能大为改善。此系统主要分为二个阶段：第一阶段：查阅相关资料，了解 M 法、T 法和 MT 法测频的原理及各自产生误差的原理，分析限制它们测量精度提高的一个重要原因。第二阶段：，在以上分析的基础上，本设计采用PSOC来设计一种完全同步的频率测量方案, 脉冲同
4、步检测电路由2个计数器、1个同步控制器、1个定时器、运算器、显示器组成。三、课题研究的方法及措施本次设计中，采用全同步测频的方法闸门信号不仅与被测信号同步，还与标准时钟同步。但实际上对于任意的标准时钟和被测信号要找到两者脉冲完全同步的时刻来开启，关闭闸门是不现实的，需要一个同步控制器来负责同时开启和关闭两个计数器。在系统定时器给定的闸门信号开启时，计数器并不立即开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，两个计数器才开始计数。也就是说，当控制信号出现后，由随后到来的被测信号的第一个脉冲上升沿使能两个计数器开始计数。当定时器给出闸门关闭信号后，两个计数器也并不立即停止计数，而是再次等到被测频率信号
5、的上升沿到来的时刻才关闭计数器停止计数。这样就可以提高测量的精度。本次设计采用PSOC来完成，其设计原理图由脉冲同步检测电路由2个计数器、1个同步控制器、1个定时器、运算器、显示器组成。其内部模块电路设计原理如图1所示。计数器 B计数器 A运算器显示器同步控制器（ 控制计数器开启 / 关闭 ）定时器（ 给定闸门时间 ）被测信号 f x基准信号 f sN xN sT G图1 频率测量系统组成框图四、课题研究进度计划毕业设计期限：自 20010 年 10 月 20 至 2011 年 4 月 25 日。2010 年 10 月 20 日-11 月 24 日：分析老师给的任务，收集相关资料，确定系统总体
6、方案设计，完成数字频率测量系统设计的开题报告、文献综述、外文翻译。2010 年 2 月 20 日-3 月 20 日：对方案进行具体设计，对系统模块进行软件程序设计，调试程序，撰写设计报告与论文。2010 年 3 月 22 日-4 月 25 日：对设计作品进行完善，修改论文，进行答辩。五、参考文献1戴国骏.系统可配置单片机原理与应用M.北京:机械工业出版社，2009，4.2叶朝辉，华成英.可编程片上系统(PSoC)原理及实训M.北京：清华大学出版社，2008，5.3梁志颖.嵌入式系统晶片 PSoC 实作入门M.台湾：旗标出版社，2009，9.4朱明程，李晓滨.PSoC 原理与应用设计M.北京：机
7、械工业出版社，2008，3.5BIT-Automotive Electronics Technical Innovation Center.Theory and Operation of PsoCEB/OL. 2010-11-17.http:/ KRyszard SJerzy Pet a1Fieldprogrammable-gate-array-based time-to-digital converter with 200 ps resolutionJJEEE Trans on Instrumentation and Measurement， 1997，46(1)：51557李玉丽，徐家品，
8、张俊霞.利用 PSoC 实现频率计J.成都信息工程学院学报,2008，12，23（6）：623625.8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,(2):224225.9张添.基于 PSoC 的多路高精度频率测量系统设计D.西安：西安工业大学，2009，5.10 包明，赵明富，郭建华基于 FPGA 的高速高精度频率测量的研究单片机与嵌入式系统，2003(2毕业论文文献综述电气工程及自动化数字频率测量的方法综述摘要：在频率测量过程中，1 个计数误差通常是限制频率测量精度进一步提高的重要原因。在分析个计数误差产生原因的基础上，提出了一种利用被测信号、时钟基准和
9、测量门限相位的全同步来消除计数误差的频率测量方法。关键词：相位同步 频率测量1 引言近年来，高精度频率测量仪器在电子技术领域中得到了越来越广泛的应用，尤其是在晶体或晶体振荡器需求量大和对其精度要求较高的行业。例如。在飞速发展的个人通信和消费电领域，越来越多的产品被要求同时具有高性能和低功耗的特点，为r满足不同器件的时钟要求和低功耗的要求，一块印刷电路板上可能会布置2个或2个以上二的晶体或晶体振荡器 2。与此同时。许多行业对晶体和晶体振荡器的频率准确度和稳定度指标也提出了越来越高要求。例如，低端路由器要求内部晶体振荡器的频率稳定度优于510一r，SDH通信设备要求主参考时钟源的频率稳定度优于l1
10、0-11r。可见高精度频率测量仪器的市场需求很大。为了测量高指标的晶体或晶体振荡器，一般精度的频率测量仪器不能满足要求，但是能够满足高精度频率测量要求的仪器又都是作为频率计量基准。应用于国家汁量部门或科研院所，这些仪器设计复杂、体积巨大、价格昂贵，很雉在短期内推广，因此，设计一款测量精度高、成本较低的频率测量仪器就显得十分必要。2.数字频率测量常用方法常用数字频率测量方法有M法、T法和MT法。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。所以这种方法比较适
11、合测量高频信号的频率。T法是通过测量被测信号的周期然后换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。这种方法比较适合测量频率较低的信号。M，T法具有以上两种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度 45。但是，M法、T法和MT法都存在1个字的计数误差问题：M法存在被测闸门内1个被测信号的脉冲个数误差，T法或MT法也存在1个字的计时误差。这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。本文在以上方法的基础上，提出了一种新的频率测量方法，该方法利用全同步方法
12、消除限制测量精度提高的1数字误差问题，从而使频率测量的精度和性能大为改善。3.全同步数字频率测量方法M/T法是目前使用比较广泛的一种频率测量方法。其核心思想是通过闸门信号与被信号同步，将闸门时间T控制为被测信号周期的整数倍。测量时，先打开参考闸门，当检测到被测信号脉冲沿到达时开始计时，对标准时钟计数；参考闸门关闭时，计时器并不立即停止计时，而是待检测到被测信号脉冲沿到达时才停止计时，完成测量被测信号整数个周期的过程。测量的实际闸门时间与参考闸门时间可能不完全相箱，但最大差值不超过被测信号的一个周期 7。M/T 法测量原理如图 1所示。图1 M/T法测量原理设实际闸门时间为Ts，被测信号周期数为
13、 Nx，标准时钟计时值为Ns，频率为fs ，则被测信号的频率测量值为：由于实际闸门时间为 Ts 为被测信号周期的整数倍，因此 Nx 是精确的；而对标准时钟的计量值则存在误差Ns(|Ns|1)，即标准时钟计时的真值应为 NsNs。由此可知被测信号的频率真值为：若不计标准时钟的误差，则测量的相对误差是：可以看出，M/T 法实际上就是将测量闸门信号与被测信号同步，使得实际测量时间是被测信号周期的整数倍，所以 M/T 法又称为多周期同步测量法。M/T 法中，相对误差与被测频率无关，即对整个测量频率域等精度测量；对标准时钟的计数值 Ns 越大则测量相对误差越小；提高门限时间 Ts 和标准时钟频率可以提高
14、测量精度；在精度不变的情况下，提高标准时钟频率可以缩短门限时间，提高测量速度。由此可见，对闸门时间 Ts 的计时误差Ns 是限制 M/T 法频率测量精度进一步提高的主要原因，消除Ns 误差是提高测量精度的有效手段 8。全同步频率测量法则是在参考闸门的控制下，寻找与标准时钟同步的被测信号，并以此信号作为实际闸门的控制信号，实现实际测量闸门信号、标准时钟、被测信号全同步，从而消除 Nx 和 Ns 测量误差。全同步频率测量法原理如图 2 所示。在给出参考闸门信号后，通过一个脉冲同步检测器检测被测信号脉冲沿和标准时钟信号脉冲沿的同步信息，当它们同步就开始计时；参考闸门关闭后，亦检测被测信号脉冲沿和标准
15、时钟信号脉冲沿的同步信息，当它们同步则停止计时。对于任意的标准时钟和被测信号，要找到两者脉冲完全同步的时刻来开启、关闭闸门是不现实的，但有可能找在实现脉冲同步检测电路时，也存在一个脉冲同步检测的误差范围。若以这个脉冲同步检测电路检测到脉冲同步的时刻作为开关信号，可以使得实际闸门的开关发生在标准时钟和被测信号都足够接近的时刻，从而达到计算值量化误差的最小化10。设开启闸门时脉冲同步时间为t1，关闭闸门时脉冲同步时间差为t2，脉冲同步检测最大时间差值或称为最大误差为t，则有：|t1|t,| t2|t。不计标准时钟误差，实际闸门与标准时钟同步，实际闸门时间为 Ts,则被测信号的频率测量值为被测信号频
16、率的真实值可表示为：频率测量的相对误差为：从(6)式可知，频率测量的最大相对误差只与脉冲同步检测最大时间差值t 和闸门时间 Ts 有关。将(6)式与（3）式对比可知，标准时钟周期 1/?s 和脉冲同步检测最大时间差值t 分别是 M/T 法和本文所述的全同步频率测量法中限制频率测量精度提高的原因。显然，控制t 来提高频率测量精度是有铲的，而且实现起来比提高标准时钟频率更容易。在全同步频率测量法中，当t=2.5ns、Ts 为 1s 时，频率测量相对精度可以达到 10 -9 量级；或当t=2.5ns、Ts 取 0.001s 时，可以实现 1000 次/s、相对精度达到10-6 量级的快速动态频率测量
17、。4.总结本文提出的全同步测频方法，在高速时钟随处可见的现代电子系统中有着非常广泛的研究价值，适用于各种测频场合。从某种程度上，它是以牺牲时间来换取准确度，但在现实测量中测频系统对时间的要求并不高，反而电子系统对系统时钟的准确度越来越高，因此它拥有广泛的应用空间。参考文献：1戴国骏.系统可配置单片机原理与应用M.北京:机械工业出版社，2009，4.2 蒋焕文，孙续电子测量M1 中国计量出版社，2004：12-973 柳义利“周渭F一种高速连续频率测量方法F宇航计测技术，2000，20（1）：32-384 杨明基于CPLD和89S51的多功能信号测旨仪电子技术出版社，20085BIT-Autom
18、otive Electronics Technical Innovation Center.Theory and Operation of PsoCEB/OL. 2010-11-17.http:/ KRyszard SJerzy Pet a1Fieldprogrammable-gate-array-based time-to-digital converter with 200 ps resolutionJJEEE Trans on Instrumentation and Measurement， 1997，46(1)：51557李玉丽，徐家品，张俊霞.利用 PSoC 实现频率计J.成都信息工程学院学报,2008，12，23（6）：623625.8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,(2):224225.9 张庚辰，秦京文，朱维真，郑健明等精度可变多周期不间断测频方法的研究仪器仪表学报，20a10；21(6)10 包明，赵明富，郭建华基于FPGA的高速高精度频率测量的研究单片机与嵌入式系统，2003(2)毕业设计（20_ _届）数字频率测量系统的设计摘 要频率测量是电子测量技术中最基本的测量之一。频率测量方法的精度和效
