数学建模论文----频率计.doc

数学建模论文-频率计摘要： 本次试验通过对数字频率计原理的掌握，利用已有的数字电路设计知识，配合相应的软件，如ISE软件的使用（设计输入、仿真、实现），了解可编程逻辑器件（FPGA）的一般情况，通过VHDL语言的描述来设计满足要求的数字频率计。并根据实验结果对误差的来源进行分析和计算 数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此数字频率计在测量物理量方面应用广泛。 本实验报告介绍了使用VHDL开发FPGA的一般流程和频率计的基本原理和相应的测量方案，采用了一种基于FPGA的数字频率的实现方法。该设计的频率计能准确的测量频率在1Hz到100MHz之间的信号。使用ModelSim仿真软件对VHDL程序做了仿真，并完成了综合布局布线，最终下载到芯片Spartan3AandSpartan3AN上取得良好测试效果，圆满完成实验测试。关键字：FPGA，VHDL，ISE，ModelSim软件，频率测量，数字频率计。提出问题：频率计是如何设计并运行的正文：一利用数学公式进行误差分析1.直接测量法误差 从公式(1-1)可知，上述测频方法的测量误差，一方面决定于闸门时间T准不准，另一方面决定于计数器计得的数准不准。根据误差合成方法，从公式(1-1)可得: 公式(4-2)中第一项是数字化仪器所特有的误差，而第二项是闸门时间的相对误差，这项误差决定于石英振荡器所提供的标准频率的准确度。现分述如下：2.1误差 在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，所以它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，在相同的主门开启时间内，计数器所计得的数却不一定相同，当主门开启时间T接近甚至等于被测信号周期Tx的整数倍N倍时，此项误差为最大，图1-1画出的就是这种情况。计算公式式中T为闸门时间，fx为被测频率。从公式(1-3)可知，不管计数值N多少，其最大误差总是1个计数单位，故称“1个字误差”，简称“1误差”。而且fx一定时，增大闸门时间T，可减小1误差对测频误差的影响。当T选定后，fx越低，则由1误差产生的测频误差越大。3.误差比较 与分析电子计数器测频时的误差类似，根据误差传递公式，并结合图1-2可得： 根据图1-2测周原理 所以,公式(1-5)可写成 从公式(1-6)可见，测量周期时的误差表达式与测频的表达式形式相似，很明显Tx愈大(即被测频率愈低)，1误差对测周精确度的影响就愈小。二设计要求 目的：本次试验通过对数字频率计原理的掌握，利用已有的数字电路设计知识，配合相应的软件，如ISE软件的使用（设计输入、仿真、实现），了解可编程逻辑器件（FPGA）的一般情况，通过vhdl语言的描述来设计满足要求的数字频率计。并根据实验结果对误差的来源进行分析和计算。以此提高自己的系统设计能力。指标：1.被测输入信号：方波2.测试频率范围为：10Hz100MHz3.量程分为三档： 第一档：闸门时间为1S时，最大读数为999.999KHz 第二档：闸门时间为0.1S时，最大读数为9999.99KHz第三档：闸门时间为0.01S时，最大读数为99999.9KHz。4.显示工作方式：a、用六位BCD七段数码管显示读数。b、采用记忆显示方法c、实现对高位无意义零的消隐。1原理图2单元电路设计1.分频模块VHDL程序：libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entityfenpinqiisPort(clk:inSTD_LOGIC;clk10:outSTD_LOGIC;clk100:outSTD_LOGIC;clk1000:outSTD_LOGIC); endfenpinqi;architectureBehavioraloffenpinqiissignalcounter2:Integerrange1to2400000:=1;signalcounter3:Integerrange1to240000:=1;signalcounter4:Integerrange1to24000:=1;signalclk00:Std_Logic:=0;signalclk000:Std_Logic:=0;signalclk0000:Std_Logic:=0;beginPROCESS(clk)beginIFclkeventandclk=1THENIFCounter2=2400000thencounter2=1;clk00=notclk00;elsecounter2=counter2+1;endif;endif;endprocess;PROCESS(clk)beginIFclkeventandclk=1THENIFCounter3=240000thencounter3=1;clk000=notclk000;elsecounter3=counter3+1;endif;endif;endprocess;PROCESS(clk)beginIFclkeventandclk=1THENIFCounter4=24000thencounter4=1;clk0000=notclk0000;elsecounter4=counter4+1;endif;endif;endprocess;clk10=clk00;clk100=clk000;clk1000=clk0000;endBehavioral;生成符号： 本模块采用的是元器件调用，先写好fenpinqi模块然后在主程序中调用，把其中的变量改作2400000、240000和24000即可分成1kHZ、100HZ和10HZ等的方波信号，其中1kHZ信号用做后面的显示电路的扫描信号，分频器模块仿真波形如下：2.闸门选择器生成符号： 通过拨码开关选择需要100HZ、10HZ或者1HZ的信号来测量被测频率，当拨动开关为“011时表示选择的是1HZ的测频信号、“101”时输出为10HZ的测频信号、“110”时输出为100HZ的测频信号。仿真波形如下：3门控电路生成符号： 本模块的作用是产生相应的门控信号计数器使能信号gate、计数器清零信号reset和锁存器锁存信号latch以实现对后面计数器和锁存器的控制。gate信号和reset信号以及latch信号均用时序逻辑来产生。仿真波形如下：4计数器 本模块产生的10进制的计数器，通过级联产生0至999999的计数器。计数器符号如下总体符号： 这样产生的是同步计数器，使用同样地时钟、同样地清零信号。前一级的输出carry输出至下一级的使能端上。输出端的进位作为溢出信号输出，加D触发器的目的是为了使溢出信号能够保存至下一个清零信号有效。从而能有足够的时间显示溢出。十进制计数器仿真波形：5锁存器 本模块是锁存器，用来存储计数器输出的数据和溢出信号，在latchin信号有效的时候开始锁存输入信号，同时前面锁存的信号也就被更新掉。以此实现所需功能。锁存器仿真波形如下：6.数据选择器：生成符号：7.六进制计数器： 生成符号：8.小数点控制器： 小数点控制器仿真波形：9.译码器： 生成符号：10.反相器，使能生成符号： 显示控制电路，用1kHZ的信号产生6进制的计数器来控制小数点显示电路和数据选择器。6进制计数器送到3_8译码器输入端来控制位选，译码器用来把选择的数据译成7段码控制段选。三、设计实现1顶层设计采用符号图方法，通过线连接起来就形成了顶层图。2管脚分配管脚分配如下：NETnCSLOC=D7;NETDIGLOC=F8;NETDIGLOC=D8;NETDIGLOC=E7;NETSEGLOC=A11;NETSEGLOC=B12;NETSEGLOC=A12;NETSEGLOC=C12;NETSEGLOC=C13;NETSEGLOC=A13;NETSEGLOC=B14;NETdpLOC=C11;NETclk48MHzLOC=T8;NETsel1LOC=M8;NETsel10LOC=E6;NETsel100LOC=F7;NETf_xLOC=A14;NEToveroutLOC=C10;NETgateoutLOC=A10;3下载过程：双击GenerateProgramFile，把未用的管脚置高，准备就绪后就可以运行ConfigureDevice，选择要下载的位文件（.bit）便可开始下载了。五、测试结果六结论 本实验主要利用VHDL语言完成基于FPGA的数字频率计的设计与实现。本实验利用ISE进行综合和利用ModelSim对设计进行了仿真，分析，并最终下载到Spartan3AandSpartan3AN系列芯片中，实现了对频率的测量。 1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究 4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究 6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现 9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统 10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究 12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发 13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制 14. 基于单片机的自动找平控制系统研究 15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发 16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发 17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现 18. 一种基于单片机的轴快流CO,2激光器的手持控制面板的研制 19. 基于双单片机冲床数控系统的研究 20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制 21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制 22. 基于单片机的软起动器的研究和设计 23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究 24. 基于单片机的机电产品控制系统开发 25. 基于PIC单片机的智能手机充电器 26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究 27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究 28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制 29. 基于微型光谱仪的单片机系统 30. 单片机系统软件构件开发的技术研究 31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制 33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用 34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制 35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制 36. 基于单片机的数字磁通门传感器 37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究 38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究 39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制 40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪 41. 基于单片机的电机运动控制系统设计 42. Pico专用单片机核的可测性设计研究 43. 基于MCS-51单片机的热量计 44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站 45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究 46. 基于单片机的轮轨力检测 47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现 48. 基于单片机的电液伺服控制系统 49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制 50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究 51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究 52. 单片机控制的后备式方波UPS 53. 提升高职学生单片机应用能力的探究 54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究 55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究 56. 基于单片机的多通道数据采集系统 57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制 58. 基于单片机的红外测油仪的研究 59. 96系列单片机仿真器研究与设计 60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现 62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制 63. 基于单片机的气体测漏仪的研究 64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器 65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究 66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计 67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计 68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统 69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统 70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究 71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践 72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现 73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统 74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究 75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统 76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用 78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究 80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发 81. 基于Cygnal单片机的C/OS-的研究82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究 83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现 84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究 85. 基于单片机-免疫计数器自动换样功能的研究与实现 86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现 87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统 88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现 89. 单片机监测系统在挤压机上的应用 90. 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