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