数字式占空比测量仪

课程名称：数字电路实验

实验题目：数字式占空比测量仪的多种实现

课程简要信息

数字式占空比测量仪，4*16学时，适用于电子学院二年级本科生

实验内容与任务

1. 设计一套系统能够检测频率范围为100Hz~500KHz的方波频率以及占空比，要求被测脉冲信号占空比的范围为10%~90%，显示的分辨率为0.1%，测量相对误差的绝对值不大于10-2，以中规模集成电路在面板包上实现。

2. 用单片机和FPGA模块对该电路进行进一步的改进，要求信号由FPGA产生，控制与调节，并最后通过单片机模块，把信号的占空比和频率在显示屏上显示出来。

实验过程及要求

1. 学习了解不同量程、精度要求下，测量占空比的方法；

2. 尽可能多地查找满足实验要求的555定时器，锁存器，计数器，数码管等关键的特征参数；

3. 自己设计并搭试一个占空比在1%~99%之间连续可调的多谐振荡器，画出电路原理图，注明所选参数，分析其实现占空比可调的原理。

4. 构思占空比显示方式，选择与之相对应的锁存器与两位数计数译码显示模块，设计电路结构，制定各单元电路的技术参数指标；

5. 在数码管上实现占空比的显示；

6. 学习FPGA的相关知识，实现FPGA对于脉冲信号的产生与对其幅度，占空比，频率的控制。

7. 学习单片机的相关知识，在MSP430平台上实现对数字信号的接收，处理与显示。

8. 联合调试整个系统，最终实现用FPGA模块控制与处理占空比可调的信号，并最后在单片机模块所控制的显示屏上显示该信号的占空比。

9. 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

本系统以Altera公司的Cyclone系列的FPGA作为信号处理核心，通过等精度测频法，以及周期测频法实现了从1Hz到500KHz的PWM的频率以及占空比的测量。利用SPI通信协议，实现FPGA与单片机之间的通信，单片机利用FPGA传输的数据完成了频率、占空比的显示功能，使得该系统具有友好的人机交互界面。

教学目标与目的（限100字）

• 在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解现代测量方法、实现方法的多样性及根据工程需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目作出技术评价。通过本系统实验，可以让学生了解和掌握传统芯片电路，单片机和FPGA编程的知识，完成一个电路系统的设计，对软硬件电路的设计能力都有比较好的锻炼。

• 此外，本实验是面向二年级，掌握了一定FPGA与单片机基础，有意参加电子设计竞赛的同学，通过本实验，可以达到超过数电实验教学大纲要求，接近电赛水平，以这种课赛结合的方式，使学生具有较强的综合电路设计能力。

教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 学习占空比可调的振荡电路的基本实现方法，了解555定时器所构成的基本多谐振荡器及其基础上所构成的占空比可调的脉冲发生电路的实现方法。

2. 学习74LS90，74LS47芯片，数码管芯片所构成的计数，译码显示电路，并实现两位数的计数译码显示功能。

3. 学习有关锁存电路，锁相环电路的工作原理，实现由555定时器产生的占空比可调的脉冲波形，能够在两位数码管上显示其占空比。

4. 开始向学生介绍FPGA和单片机的编程环境，介绍VHDL与C语言等编程语言，引导学生实现一些FPGA，单片机的基本功能与程序。

5. 要求学生用FPGA产生占空比可调的脉冲信号，并由单片机控制FPGA，进行信号的同步读取与控制，处理。

6. 将该信号在单片机控制的显示屏上进行显示，完成电路系统缩合实验。

7. 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性，提出多种方案进行综合比较与处理；如信号产生的方式，计数模式的选择，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证

实验原理及方案

1. 系统结构

2. 实现方案

首先，对于频率的测量，用周期测频法。此方法测量被测信号连续两个上升沿或下降沿之间的时间间隔t，再求t的倒数即得到被测信号的频率。这种方法的优点是测量时间快，最短只需被测信号的一个周期；缺点是需要作求倒数运算，即除法运算。误差主要是时间间隔t依赖标准时钟的精度，计数时间间隔也存在±1的误差，求倒数运算也存在一定的误差。这些误差对低频信号影响较小，对高频信号影响较大。

其次，对于占空比的测量，用计数器对高电平进行计数，同时对整个信号一个周期计数，将两个计数值传回单片机作除法运算得到占空比数值。

数据处理与控制核心选择采用单片机+FPGA处理和控制

同时采用MSP430F5529最小系统板和CycloneIV-EP4CE22C8N型FPGA最小系统板。即由单片机来实现系统控制和人机界面交互，由FPGA来实现数据处理。

本系统涉及对高频信号的复杂处理。FPGA稳定工作时钟频率可超过100MHz，且可以对数据进行并行处理，其高频时的工作稳定性要远优于单片机。

教学实施进程

1周时间，完成555定时器构成占空比可调的多谐振荡电路。

2周时间，完成两位计数，译码，显示模块。

3周时间，完成数字式占空比测量仪在面包板上的实现。

4周时间，进行相关的FPGA与单片机的介绍，要求在FPGA模片及单片机的模块上，进行有关按键控制，LED显示，数码管显示，A/D,D/A等基本功能的实现。

1 周时间，由学生自行论证方案的选择，并进行PPT答辩与交流。

5周时间，学生自行完成该实验系统的设计与制作，最后能在单片机所控制的显示屏上显示由FPGA产生的信号的占空比。并能控制FPGA程序，改变占空比和频率的范围，在显示屏上稳定显示，并尽可能地提高信号的精度。

1 周时间，整个系统时间的总结与讨论。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验需求分析

2. 实现方案论证

3. 电路设计与参数选择

4. 电路测试方法

5. 实验数据记录

6. 数据处理分析

7. 实验结果总结

考核要求与方法

1. 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如占空比测量精度、频率范围、控制精度），完成时间。

2. 实验质量：电路方案的合理性，组装工艺。

3. 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4. 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5. 实验数据：测试数据和测量误差。

6. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新

项目的特色在于：通过本系统实验，可以让学生了解和掌握传统芯片电路，单片机和FPGA编程的知识，完成一个电路系统的设计，对软硬件电路的设计能力都有比较好的锻炼。完成本系统实验后，学生通过课赛结合的方式，基本上达到了参加省级甚至是国家级电子系统设计竞赛的水平，为进一步的强化培训打下了坚实的基础。

参赛选手信息表