基于FPGA的等精度频率计的设计_三九文库

2021-09-01 01:17:37本页面

基于FPGA的等精度频率计的设计_三九文库


【正文】

1、为提高运算精度,这里采用浮点数算术运算。浮点数用3个字节组成,第一字节最高位为数符,其余7位为阶码;第二字节为尾数的高字节;第三字节为尾数的低字节。待测信号周期的3个字节定点数首先通过截取高16位、设置数符和计算阶码转换为上述格式的浮点数。然后浮点数算术运算对其进行处理,获得用浮点数格式表达的信号频率值。浮点数到码转换模块把用浮点数格式表达的信号频率值变换成测转速的显示格式,送到显示模块显示待测信号的频率值。浮点数学运算程序系列单片机属于微控制器,由于其字长和指令功能的限制,它适用于控制领域,在信号处理方面不很擅长。在频率计中需要完成周期到频率的换算,为保证测量结果的准确,这里应用

2、公伯峡水电站设计时径流计算采用年系列资料,包括了丰、平、枯三个部分,具有较好的代表性。根据循化水文站年共81年水文年径流系列,进行频率计算,采用矩法估算参数,pⅲ型曲线适线,并经上、下游参数平衡,得循化水文站多年平均流量/,经频率计算循化站年径流成果见表和表。表循化站年径流频率计算成果表站名均值各种频率设计值(p%)资料年限循化循化站径流年内分配成果表月份多年平均流量(占年水量的百分数(%)设计洪水(1)洪水特性与成因黄河上游大洪水是由天气系统所造成的长历时,大面积连续降雨所形成的,局部暴雨对造洪影响不大。一般是暴雨特性在地面的反映,所形成洪水多由大面积降雨所致。
进行审查,发现问题时应与有关单位研究改正。历史洪水调查,采用可靠或较可靠的数据。洪水标志物已有较大变化,洪痕位置不具体和精度不高的资料仅供参考。资料可靠性审查的重点,应放在对设计洪水影响较大的首要几项洪水的分析论证上。洪水系列的代表性分析短系列资料与邻近测站或同一气候区的测站资料进行比较,借以判断短系列的代表性。注意系列(特别是短系列)是否处在丰(枯)水年份成群出现的时期,从而使频率计算成果显著偏大或偏小。频率计算时,一般要求实测年份多于20年。无论实测期长短,均须进行历史洪水的调查和考证工作,以增加系列的代表性。洪水资料样本的选择随即取样。所选各年实测最大洪峰流量资料属同一洪水类型。资料的插补和延长注意事项插补延长年数视相关关系好坏而定。
计数闸门由软件延时程序实现,从计数闸门的最小值开始,也就是从测量频率的高量程开始。计数闸门结束时tr,停止计数。计数寄存器中的值通过16进制数到10进制数转换程序转换为10进制数。对10进制数的最高位进行判别,若该位不为0,满足测量数据有效位数的要求,测量值和量程信息一起送到显示模块;若该位为0,将计数闸门的宽度扩大10倍,重新对待测信号的计数,直到满足测量数据有效位数的要求。当上述测量判断过程直到计数闸门宽度达到1s,这时对应的频率测量范围为,如果测量结果仍不具有3位有效数字,频率计则使用定时方法测量待测信号的周期。定时/计数器的工作这时被设置为定时器方式,在对定时/计数器的计数寄存器后。基于FPGA的等精度频率计的设计

3、算法引进了栅栏效应,截断引进了频率泄露。每种窗函数有其自身的特性,不同的窗函数适用于不同的应用。要选择正确的窗函数,必须先估计信号的频谱成份。如若信号中有许多远离被测频率的强干扰频率分量,应选择旁瓣衰减速度较快的窗函数(强干扰意味着信号强,旁瓣一定要衰减快,使得强干扰处的频率乘以衰减后的旁瓣依然是一个很小的值,而第一个旁瓣值大不大都没关系);如果强干扰频率分量紧邻被测频率时,应选择旁瓣峰值较小的窗函数(同理,要使得乘积小,必须使得主瓣临近的旁瓣小);如果被测信号含有两个或两个以上的频率成份,应选用主瓣很窄的窗函数;如果是单一频率信号,且要求幅度精度较高,则推荐用宽主瓣的窗函数(此时主要是为了

4、图是几种常用的窗函数的时域和频域波形,其中矩形窗主瓣窄,旁瓣大,频率识别精度最高,幅值识别精度最低;布莱克曼窗主瓣宽,旁瓣小,频率识别精度最低,但幅值识别精度最高。图几种常用的窗函数的时域和频域波形对于窗函数的选择,应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率,而不考虑幅值精度,则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗,例如测量物体的自振频率等;如果分析窄带信号,且有较强的干扰噪声,则应选用旁瓣幅度小的窗函数,如汉宁窗、三角窗等;对于随时间按指数衰减的函数,可采用指数窗来提高信噪
因此要求所选电路各分项误差均能控制在规定值之下,则系统硬件的精度设计才可实现否则需加适当的软件或软硬结合的方法进行校正或补偿(3)采集速度分析设计对于某些快速变化的物理量检验,动态瞬变检测或多通道模拟量采集等场台,往往要求系统具有很高的采样频率.设采集ⅳ路模拟信号,ⅳ路信号中最高频率分量为,…则采样频率可按下式计算:f=()ⅳ,计量技术采集32路模拟信号,各路信号中最高频率分量为,根据上式,并选择安全系数为低限5,则=5×.按此采样频率工作,则要求在每秒钟内每路信号检测闪,系统难以达到这样高的采样速率.因为系统采样速率的上限要受各电路响应时间,采
p(积为偶数)=??.×??.∴这个游戏对双方公平.学生总结本堂课的收获与困惑.(2?分钟)1.?一次试验中可能出现的结果是有限多个?,各种结果发生的可能性是相等的.通常可用列表法和树状图法求得各种可能的结果.2.注意第二次放回与不放回的区别.3.一次试验中涉及?3?个或更多个因素时,不重不漏地求出所有可能的结果,通常采用树状图法.学习至此,请使用本课时对应训练部分.(10?分钟)用频率估计概率1.?理解当试验的可能结果不是有限个?,或各种结果发生的可能性不相等时?,一般用统计频率的方法来估计概率.2.?了解用频率估计概率的方法与列举法求概率的区别?,并能够通过对发生频率的分析?,估计发生的概率.重点:了解用频率估计概率的必要性和合理性.难点:大量重复试验得到频率稳定值的分析。

5、或各种结果发生的可能性不相等时,一般用统计频率的方法来估计概率.2.利用频率估计概率的数学依据是大数定律:当试验次数很大时,随机a出现的频率,稳定地在某个数值p附近摆动.这个稳定值p,叫做随机a的概率,并记为)=.利用频率估计出的概率是近似值.例题选讲例1某篮球运动员在最近的几场大赛中罚球投篮的结果如下:投篮次数进球次数进球频率(1)计算表中各次比赛进球的频率;(2)这位运动员投篮一次,进球的概率约为多少?解答:(;(.评注:本题中将同一运动员在不同比赛中的投篮视为同等条件下的重复试验,所求出的概率只是近似值.例2某商场设立了一个可以自由转动的转盘(如图),并规定:顾客购物10元以上能获得一次转动转盘的机会。
注意指出:1.概率是随机发生的可能性的大小的数量反映.2.概率是在大量重复试验中频率逐渐稳定到的值,即可以用大量重复试验中发生的频率去估计得到发生的概率,但二者不能简单地等同.想一想(学生交流讨论)问题2.频率与概率有什么区别与联系?从定义可以得到二者的联系,可用大量重复试验中发生频率来估计发生的概率.另一方面,大量重复试验中发生的频率稳定在某个常数(发生的概率)附近,说明概率是个定值,而频率随不同试验次数而有所不同,是概率的近似值,二者不能简单地等同.说明:猜想试验、分析讨论、合作探究的学习方式十分有益于学生对概率意义的理解,使之明确频率与概率的联系,也使本节课教学重难点得以突破。基于FPGA的等精度频率计的设计

6、比较宽的主瓣能使得在频域采样时采的更准确,因为此时主瓣很宽平,主瓣顶部可以看做不变)。对频带较宽或含有多个频率成份的信号则采用连续采样。绝大多数应用采用汉宁()窗即可得到满意的结果,因为它具有较好的频率分辨率和抑制频谱泄漏的能力。对频谱的理解:用不同的频率成分表示时域信号。采样时一般采不到整数倍的周期数,这会使得需要更多的频率成分来表示这个截取的信号。则会使得频域扩散到整个频域中。(时域有限的信号对应频域无限的频谱,这也是引入频谱泄露的原因)。即使是周期信号,截取后变成有限时域或者无限频域的信号,此时不管以多高的频率采样,都会在频域产生频域混叠。泄露截断会使谱分析精度受到影响。如果时域信号是周期性的。

7、傅里叶变换窗函数,泄露,分辨率用窗函数分析信号,相当于将一个待分析信号x1通过一个传输函数为窗函数傅里叶变换的滤波器得到输出信号或分析信号y1(其实滤波器系数即窗函数的时域信号值).信号分析有不同的目的。一是分辩出原来(周期)信号x1的频率,此时要求频率分辨率高;二是以下红色部分摘自,感谢作者分享。窗函数的选取是频率分辨率与频率泄露的折衷。(频率泄露少的含义是旁瓣能量小,即旁瓣波峰低,衰减速度快)降低旁瓣能量的代价是增加主瓣的宽度,从而降低了分辨率。窗函数具有主瓣和旁瓣.主瓣窄,频率分辨率高,主瓣宽,通带与阻带之间的过渡带宽;旁瓣波峰高,衰减速度慢,频谱泄露大,使得滤波器通带和阻带里的波动增大,影响输出信号的频率分析精度。
则参考时钟频率设置为;如果数据传输率为,则参考时钟频率设置为收发器对参考时钟的精度要求很高,因此在设计中使用晶振直接提供参考时钟,未使用锁相环。fc帧和信令协议定义了一个特殊的字符边界对齐标志,二进制编码为“”,因此必须将对齐标志值设置为“”,收发器根据15华中科技大学硕士学位论文这个对齐标志值从接收到的串行比特流中提取出字符,完成字符边界对齐。收发器的接收器和发射器分别向外提供了各自的时钟:和和的频率与收发器的参考时钟同频不同相。fc接口逻辑的工作时钟由参考时钟直接提供,为了减少在不同时钟域间传递信号时产生亚稳态的可能性,在时钟域和时钟域之间传递的信号及在时钟域和时钟域之[17]间传递的信号都需要双同步。
频谱中只有主瓣。没有出现旁瓣的原因是旁瓣正处在窗函数主瓣两侧采样频率间隔处的零分量点。如果时间序列的长度不是周期的整数倍,窗函数的连续频谱将偏离主瓣的中心,频率偏移量对应着信号频率和频率分辨率的差异,这个偏移导致了频谱中出现旁瓣,所以,窗函数的旁瓣特性直接影响着各频谱分量向相邻频谱的泄漏宽度。每种窗函数有其自身的特性,不同的窗函数适用于不同的应用。要选择正确的窗函数,必须先估计信号的频谱成份。如若信号中有许多远离被测频率的强干扰频率分量,应选择旁瓣衰减速度较快的窗函数;如果强干扰频率分量紧邻被测频率时,应选择旁瓣峰值较小的窗函数;如果被测信号含有两个或两个以上的频率成份,应选用主瓣很窄的窗函

8、分为四类。①液柱式压力计它根据流体静力学原理,将被测压力转换成液柱高度进行测量。按其结构形式的不同有u形管压力计、单管压力计等。优点:这类压力计结构简单、使用方便。缺点:其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响,测量范围较窄,一般用来测量较低压力、真空度或压力差。②弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。③电气式压力计它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、电流、频率等)来进行测量的仪表。④活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理,将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。优点:测量精度很高,允许误差可小到%~
如果是单一频率信号,且要求幅度精度较高,则推荐用宽主瓣的窗函数。对频带较宽或含有多个频率成份的信号则采用连续采样。绝大多数应用采用汉宁()窗即可得到满意的结果,因为它具有较好的频率分辨率和抑制频谱泄漏的能力。以下资料参考中一.实验目的1.掌握几种典型窗函数的性质、特点,比较几种典型的窗函数对信号频谱的影响。2.通过实验认识它们在克服频谱分析的能量泄漏和栅栏效应误差中的作用,以便在实际工作中能根据具体情况正确选用窗函数二.实验原理1.信号的截断及能量泄漏效应数字信号处理的主要数学工具是博里叶变换.应注意到,傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。然而,当运用计算机实现工程测试信号处理时,不基于FPGA的等精度频率计的设计

9、当转盘停止时,指针落在哪一区域就可以获得相应的奖品,下表是活动进行中的一组统计数据:(1)计算并完成表格:转动转盘的次数落在“铅笔”的次数落在“铅笔”的频率(2)请估计,当很大时,频率将会接近多少?(3)转动该转盘一次,获得铅笔的概率约?(4)在该转盘中,标有“铅笔”区域的扇形的圆心角大约?(精确到1°)解答:(;(;(;(°≈°.评注:(1)试验的次数越多,所得的频率越能反映概率的大小;(2)频数分布表、扇形图、条形图、直方图都能较好地反映频数、频率的分布情况,我们可以利用它们所提供的信息估计概率.基础训练一、选一选(请将唯一正确答案的代号填入题后的括号内)1.盒子中有白色乒乓球8个和黄色乒乓球若干个。
前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化,后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化(应力),而且前者的灵敏度比后者大倍。压阻式传感器可用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应力、流量、真空度)的测量和控制。压阻式传感器的优点是:①频率响应高例如有的产品固有频率达兆赫以上,适于动态测量;②体积小(例如有的产品外径可达毫米),适于微型化;③精度高,可达%;④灵敏高,比金属应力计高出很多倍,有些应用场合可不加放大器;⑤无活动部件,可靠性高,能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大(有时需进行温度补偿)、工艺较复杂和造价高等。
对频率与概率之间关系的理解.一、自学指导.(20?分钟)自学:阅读教材?.归纳:对于一般的随机,在做大量重复试验时,随着试验次数的增加,一个出现的频率,总在一个固定数的附近摆动,显示出一定的稳定性.当重复试验的次数大量增加时,发生的频率就稳定在相应的概率附近,因此,可以通过大量重复试验,用一个发生的频率来估计这一发生的概率.二、自学检测:学生自主完成,小组内展示,点评,教师巡视.(2?分钟)1.小强连续投篮?75?次,共投进?45?个球,则小强进球的频率是.2.抛掷两枚硬币,当抛掷次数很多以后,出现“一正一反”这个不确定的频率值将稳定在?左右.一、小组合作:小组讨论交流解题思

10、进行统计,整理见下表:组别分组频数频率合计表中a=,b=,c=;若成绩在90分以上(含90分)的学生获一等奖,估计全市获一等奖的人数为.三、做一做12.小颖有20张大小相同的卡片,上面写有个数字,她把卡片放在一个盒子中搅匀,每次从盒中抽出一张卡片,记录结果如下:实验次数的倍数的频数的倍数的频率(1)完成上表;(2)频率随着实验次数的增加,稳定于什么值左右?(3)从试验数据看,从盒中摸出一张卡片是3的倍数的概率估计?(4)根据推理计算可知,从盒中摸出一张卡片是3的倍数的概率应该?13.甲、乙两同学开展“投球进筐”比赛,双方约定:①比赛分6局进行,每局在指定区域内将球投向筐中。
导致系统产生稳态误差的主要因素有哪3个方面?答:影响伺服系统稳态精度,导致系统产生稳态误差的主要因素有3个方面:(1)由检测元件引起的检测误差;(2)由系统的结构和输入信号引起的原理误差;(3)负载扰动引起的扰动误差。42.常用的交流伺服电动机有哪两大类?答:目前常用的交流伺服电动机分为同步型交流伺服电动机和异步型交流伺服电动机两大类。43.何谓交流调速过程中的同步调制?答:在改变正弦调制波的频率f的同时成正比的改变三角载波的频率fc,使载频比n保持不变,则称为同步调制。44.何谓异步调制?答:在改变正弦调制波的频率f的同时,三角载波的频率fc的值保持不变。
其受迫振动的振幅将不同,如图是共振曲线图.驱动力频率?f?等于系统的固有频率?f0时,受迫振动的振幅最大,这种现象叫做共振.要点诠释:驱动力频率接近物体的固有频率时,受迫振动的振幅最大,这种现象叫做共振.要点二、共振的应用与防止1.共振的应用与防止(1)共振的应用:由共振的条件知,要利用共振就应尽量使驱动力的频率与物体的固有频率一致.如:共振筛、共振转速计、共鸣箱、仪等.①共振筛:共振筛是利用共振现象制成的.把筛子用四根弹簧支起来,在筛架上安装一个偏心轮,就成了共振筛.偏心轮在发动机的带动下转动时,适当调节偏心轮的转速,可以使筛子受到的驱动力的频率接近筛子的固有频率,筛子发生共振,提高了筛选工作的效率.②共鸣箱:乐器发出的声音也作为驱动力使乐器箱内的空气做受迫振动.当满足共振条件时。

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