基于CPLD和89S51的多功能信号测量仪

1 引言

测频是最基本的电子测量技术。常用的测频方法有较大的局限性，其测量精度是随被测信号频率的下降而降低的，并且被测信号计数则产生±1个数字误差。而采用等精度频率测量方法测量精确，测量精度保持恒定；并且与CPLD(复杂可编程逻辑器件)相结合可使测频范围达到0.1 Hz～100 MHz，测频全域相对误差恒为1／1000。

智能化仪器通常以单片机为核心，而一般单片机自身计数器／定时器的计数／定时范围或精度有时无法满足系统要求。以89C51单片机为例，当其内部两个16位计数器／定时器T0和T1工作在计数方式时，对T0(P3.4)或T1(P3.5)的外部脉冲进行计数。当T0或T1引脚上发生负跳变时，计数器加1。由于识别引脚的负跳变需2个机器周期，即24个时钟振荡周期。T0／T1的最高频率为1／24fosc，当晶体振荡器频率为12MHz时，其最高计数频率为500 kHz。要求高测量频率时，则需对被测信号预处理以扩展测频范围。

2 测量原理

要求测量频率较高时，则需对高频和低频采用不同的测量方法，提高测量精度。

2.1高频测量

采用测频法测量高频。在确定的阈值时间Tw内，记录被测信号的变化周期数(或脉冲数)Nx，则被测信号的频率：fx=Nx／Tw。测频法原理如图1。由于被测频率较高，单片机难以测量，8051所测量最高频率为500 kHz，因此采用CPLD和8051的内部计数器组成32位计数器。CPLD的计数器为低16位，其进位脉冲再向8051计数。CPLD延时为10 ns，因此，CPLD与8051按测频原理可以精确测量50 Mz的频率。

2.2低频测量

采用测周法测量低频。测周期法需用标准信号的频率fs，待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数为Ns，则被测信号的频率为：fx=fs／Ns，其原理如图2所示。由于被测频率较低，故可采用8051测量。首先要将被测信号转换成门控信号，其转换电路原理如图3所示。

2.3脉宽测量

由于被测频率较低，故可采用8051实现。将脉宽信号直接送人8051计数器，采用测周法来测量脉宽，标准信号频率fs记录标准频率的周期数为Ns，则被测信号的脉宽为：Tx=Ns／fs。

3系统硬件电路设计

3.1单片机设计部分

快速测量的要求必须保证高精度测频，必须采用高精度的标准频率信号。由于单片机受本身时钟频率和指令运算限制，因此，测频速度较慢，无法满足高速、高精度测频要求。采用高集成度、高速可编程门阵列CPLD可实现快速、高精度测频。其硬件电路如图4所示。

3.2 CPLD设计部分

利用CPLD作为计数器的低16位，而89S51内部计数器作为计数器的高16位，在门控时间内分别对被测信号和标准信号进行计数。由于单片机具有程序运算能力，且频率为周期的倒数(f=1／T)，则测频法与测周法互通。CPLD设计部分的硬件电路如图5所示。

4系统软件设计

系统软件设计采用Keil C51编写。由于单片机能够完成大量运算，且包含浮点数据处理。因此，并采用Keil C51便于运行。并采用Keil C51自带的软件仿真器对所编写的程序进行仿真。

系统软件设计流程为：单片机初始化、LCD初始化、计数器清零、单片机发出启动脉冲，来启动CPLD的两个低16位计数器和单片机的两个高16位计数器。此时，计数器并不开始计数，直到下一个Tx上升沿到来，计数器才开始计数，软件延时1 s后，发出结束脉冲来结束CPLD的两个低16位计数器计数，但此时，计数器并不停止计数，而是直到下一个Fx上升沿两个计数器才都停止计数，随后关闭单片机的两个计数器。CPLD发送结束信号，单片机响应中断。中断函数分两次读取CPLD的两个计数器值。进而单片机处理两个32位计数器值。调用显示函数显示频率，从而完成一次测频。图6为系统软件设计流程图。

5 结语

本系统设计经系统测试，测试数据符合要求。因此，该信号测量仪具有电路简单、体积小巧、便于携带、功能强大，中文液晶显示等特点。其频率测量范围可达0.1 Hz～100MHz，并可随意切换被测信号的频率、周期和脉宽，具有较强的实用价值。