頻率設(shè)計的原理及詳細講解

1、第一章概述第一章概述 單片機即MCU（MICRO CTROL UNIT） 翻譯成中文就是微型控制單元。它的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。并且由于單片機具顯著的優(yōu)點，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。 頻率測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且測量低頻信號時不宜直接使用。頻率信號抗干擾性強、易于傳輸 ,可以獲得較高的測量精度。同時 ,頻率測量方法的優(yōu)化也越來越受到重視.

2、并采用 AT89C51片機和相關(guān)硬軟件實現(xiàn)。MCS51單片機具有體積小，功能強，性能價格比較高等特點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領(lǐng)域。我們研制的頻率計以89c51，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好等特點。 實現(xiàn)一個寬頻域，高精度的頻率計，一種有效的方法是：在高頻段直接采用頻率法，低頻段采用測周法。一般的數(shù)字頻率計本身無計算能力因而難以使用測周發(fā)，而用89c51機構(gòu)成的頻率計卻很容易做到這一點。對高頻段和低頻段的劃分，會直接影響測量精度及速度。經(jīng)分析我們將f=1MHz做為高頻，采用直接測頻法；將f=1Hz做為低頻，采用測周期法。為了提高測量精度，我們又對高低頻再進行分段。 以89

3、C51機為控制器件的頻率測量方法，并用C語言進行設(shè)計，采用單片機能控制，結(jié)合外圍電子電路，得以高低頻率的精度測量。最終實現(xiàn)多功能數(shù)字頻率計的設(shè)計方案，根據(jù)頻率計的特點，可廣泛應(yīng)用于各種測試場所。 在基礎(chǔ)理論和專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過對數(shù)字頻率計的設(shè)計，用十進制數(shù)字來顯示被測信號頻率的測量裝置。以精確迅速的特點測量信號頻率，在本設(shè)計在實踐理論上鍛煉提高了自己的綜合運用知識水平，為以后的開發(fā)及科研工作打下基礎(chǔ)。第二章 測量方法及設(shè)計方案2.1頻率測量方法 直讀法又稱無源網(wǎng)絡(luò)頻率特性測量法;比較法是將被測頻率信號與已知頻率信號相比較 ,通過觀、聽比較結(jié)果 ,獲得被測信號的頻率;電容充放電式計數(shù)法是利用電

4、子電路控制電容器充放電的次數(shù) ,再用電磁式儀表測量充放電電流的大小 ,從而測出被測信號的頻率值;電子計數(shù)法是根據(jù)頻率定義進行測量的一種方法 ,它是用電子計數(shù)器顯示單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實現(xiàn)頻率的測量。 利用電子計數(shù)式測量頻率具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速 ,以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列優(yōu)點.首先，被測信號通過放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計數(shù)脈沖。然后，N將它加到閘門的一個輸入端，閘門由門控信號來控制其關(guān)閉時間。計得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來。而由晶振產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個10分頻10s，1s，0.1s，0.01s，1

5、ms，那么有fx=NT符合測頻定義。根據(jù)f=NT。不難看出，采用計數(shù)器測頻的測量誤差，一方面決定于閘門時間T準(zhǔn)不準(zhǔn)確，即由晶振提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度TT=-(fofo)；另一方面放大整形閘門技術(shù)顯示器 門控信號Fx分頻石英振蕩器控制電源放大整形 圖一 電子技術(shù)測頻原理方框圖決定于計數(shù)器計得的數(shù)準(zhǔn)不準(zhǔn)，即1誤差，NN=1N=(1XTfx)。所以，計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項，即1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。測低頻時，由于1誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測頻方法。由于fX較低時，利用計數(shù)器直接測頻，由1誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度。所以，為了提高測量低頻時的準(zhǔn)確度，即減少1誤

6、差的影響，可改成先測周期Tx，然后計算fx=1Tx。2.2設(shè)計方案系統(tǒng)采用MCS51單片機8032作為控制核心，門控信號由8032內(nèi)部的計數(shù)定時器產(chǎn)生，單位為1 s。由于單片機的計數(shù)頻率上限較低(12MhZ晶振時約500khz)，所以需對高頻被測信號進行硬件欲分頻處理，8032則完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片機，使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展與改進。2.3頻率測量模塊高精度恒誤差測頻法 通過對傳統(tǒng)的測量方法的與研究，結(jié)合高精度恒誤差測量原理，我們設(shè)計里一種測量精度與被測頻率無關(guān)的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。3.3 頻率測量模

7、塊對頻率測量模塊有以下四種實現(xiàn)方法： （1）直接測頻法 直接測頻法是把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間T（以秒計）內(nèi)，被計數(shù)的脈沖被送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設(shè)計數(shù)器的值為N，由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率為 f=N/T經(jīng)分析，本測量在低頻段的相對測量誤差較大。增大T可以提高測量精度，但在低頻段仍不能滿足該題發(fā)揮部分的要求。（2）組合法 直接測量周期法在低頻段精度高。組合測頻法是指在低頻時采用直接測量周期法測信號周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補方法（1）的不足，但是難以確定最佳分測點，且電路實現(xiàn)較復(fù)雜。（3）倍頻法 直接測頻法在高頻段

8、有著很高的精度?？梢园杨l率測量范圍分成多個頻段，使用倍頻技術(shù)，根據(jù)頻段設(shè)置倍頻系數(shù)將經(jīng)整形的低頻信號進行倍頻后再進行測量，高頻段則進行直接測量。（4）高精度恒誤差測頻法 通過對傳統(tǒng)的測量方法的與研究，結(jié)合高精度恒誤差測量原理，我們設(shè)計里一種測量精度與被測頻率無關(guān)的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。以上四種方法中，倍頻法雖然在理論上可以達到很高的精度，但在低頻段，就目前常規(guī)的鎖相器件而言，鎖相電路工作性能不理想，頻率小于looHz時甚至不能工作.前三種方法本質(zhì)上都是立足于頻率基本定義，沒有擺脫傳統(tǒng)的測量方法的局限。從下文的詳細論述中可以看出，用方法(4)可以用單片機程序方

9、便地完成寬位浮點數(shù)的數(shù)學(xué)運算，實現(xiàn)高精度測量。基于上述論證及第二部分中詳細的理論分析，我們擬選擇方法(4)。2.4周期測量模塊 (1)直接周期測量法 用被測信號經(jīng)放大整形后形成的方波信號直接控制計數(shù)門控電路，使主門開放時間等于信號周期Tx,時標(biāo)為Ts的脈沖在主門開放時間進入計數(shù)器。設(shè)T為被測周期，Ts為時標(biāo)，在Ts期間計數(shù)值為N，可以根據(jù)以下公式來算得被測信號周期： Tx=NTs 經(jīng)誤差分析表明，被測信號頻率越高，測量誤差越大。采用對多個周期進行計數(shù)取平均值的方法雖可提高精皮，但如果要達到賽題要求，測量頻率為01Hz信號時，每測一次至少要等待1000s，顯然是不可取的。(2)高料度恒誤差周期測

10、量方法 本方法在測量電路和測量精度上與高精度恒誤差頻率測量完全相同，只是在進行計算時公式不同，用周期T代換高精度恒誤差頻率測量公式中的頻率因數(shù)即可,計算公式為: Tx=(TsNs)/Nx式中，Tx為被測信號周期的測量值，Ns,Nx分別與(12)式中的Ns,Nx含義相同。從降低電路的復(fù)雜度及提高招度上考慮、顯然方法(2)遠好于方法(1)，方法(2)的測量電路完全可以使用高精度恒誤差頻率測量電路o適應(yīng)振蕩器 放大整形閘門 技術(shù)譯碼器 門控信號 放大整形 分頻TX 圖二 電子技術(shù)器測周期原理圖2.5脈沖信號占空比測量模塊在進行脈沖寬度的測量時，首先經(jīng)信號處理電路進行處理，限制只有信號的50幅度及其以

11、上部分才能輸入數(shù)字測量部分。脈沖邊沿被處理得非常陡峭，然后送入測量計數(shù)器進行測量。測量電路在檢測到脈沖的上升沿時打開計數(shù)器，在下降沿時關(guān)掉計數(shù)器。由下式Twx=Nx/Fs可知計數(shù)值既為測得的脈沖寬度。 測一個脈沖信號的脈寬，記其值為Twx1；信號反相后,再測一次脈寬并記錄其值Twx2,通過以下公式汁算：占空比=Twx1/(Twx1+Twx2)100% 2.6標(biāo)頻發(fā)生電路和信號處理部分本模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的恒溫可微調(diào)的晶體振蕩器作標(biāo)頻發(fā)生電路小信號處理部分受限于寬帶放大器的性能，放大電路需要附有高速整形電路。有以下幾種方案。(1)采用分立元件 使用場效應(yīng)管做輸入級，以提高輸入阻抗。用截

12、止頻率1000的三極管如9018做放大級。由于電路復(fù)雜，要調(diào)節(jié)部分較多，且一致性差，故不采用。(2)采用運算放大器 電路簡潔，但因為與TTL電平接口而另需電平移位電路。并且要用運放做一高速寬帶放大器，市場上難以買到高速運放，應(yīng)用受到了限制。(3)立接采用比較器 采用比較器可以簡單地完成設(shè)計。采用高速比較器LM361可以處理高達10 MHz的插入信號。LM961有低輸入失調(diào)電壓和電壓范圍靈活等特點，響應(yīng)時間最大僅20ns，輸出電平可與TTL電平相匹配。綜合考慮，本部分電路采用方案(3)。比較器輸入易受干擾，因此電路上采用凈化電源并合理安排地線。經(jīng)最后實測，輸入靈敏度4mV左右，完全滿足小信號測量

13、的需要 第三章 硬件電路的設(shè)計3.1 電路設(shè)計方案多周期同步測量法的基本思路是使被測信號與閘門之間實現(xiàn)同步化，從而從根本上消除了在閘門時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)時的1量化誤差，使測量精度大大提高。倒數(shù)計數(shù)器就是基于該方法而設(shè)計出來的一種具有創(chuàng)新思想的測頻、測周期的儀器。它采用多周期同步測量法，即測量輸入多個（整數(shù)個）周期值，再進行倒數(shù)運算而求得頻率。其優(yōu)點是：可在整個測頻范圍內(nèi)獲得同樣高的測試精度和分辨率。LED數(shù)碼顯示其單 片 機 閘門AA通道同部門及功能切換 邏 輯事件計數(shù)器時間計數(shù)器LED發(fā)光管 fc 閘門B fc按鍵 圖3.1系統(tǒng)電路原理框圖以單片機為核心 按鍵和經(jīng)過處理的A通道信號作為

14、單片機的輸入信號，運行程序執(zhí)行相應(yīng)的LED數(shù)碼管顯示和LED發(fā)光管發(fā)光最終實現(xiàn)系統(tǒng)功能1輸入通道的設(shè)計。輸入通道是由前置放大器和整形器組成的，所以要對前置放大器的增益和帶寬指標(biāo)進行估計。為了能準(zhǔn)確測量信號，將輸入信號經(jīng)過一個放大整形電路。其具體實施方案為：將輸入信號經(jīng)過LM358運放放大，再通過74LS132整形，此時的信號還不能直接送入單片機，這是因為在硬件上CPU對INT0和INT1引腳的信號不能控制，解決這個問題要通過硬件，再配合軟件來解決。2預(yù)置閘門時間發(fā)生電路設(shè)計。閘門時間的確定，可以先由一個555定時器產(chǎn)生一個脈沖信號，將555產(chǎn)生的脈沖信號送入到74LS90十進制計數(shù)器當(dāng)中，由于

15、74LS90具有二-五進制混合計數(shù)的功能，所以可以用它來實現(xiàn)五進制計數(shù)，將74LS90的輸出接到38線譯碼器74LS138的輸入端，再將譯碼器的輸出端接上五個發(fā)光二極管，這樣就可以實現(xiàn)硬件上的閘門時間控制。但是考慮到硬件實現(xiàn)上的復(fù)雜性，可以通過軟件上來實現(xiàn)，就是將五個發(fā)光二極管直接接到單片機的P1口由軟件上來實現(xiàn)，通過按鍵來改變它的閘門時間。3數(shù)碼顯示電路的設(shè)計。該部分電路是由單向八位移位寄存器74LS164和數(shù)碼管組成的?？紤]到精度的問題，取五位計數(shù)值，采用五片74LS164級聯(lián)，同時還要顯示頻率和周期的單位，所以還需再級聯(lián)一塊74LS164，在74LS164的輸出端接六個單位指示燈，分別表

16、示周期頻率的三個不同的單位數(shù)量級，即周期單位s，ms，s和頻率單位Hz，KHz及MHz。移位寄存器的時鐘信號是由單片機的串行輸出口TXD腳控制。.2電路各部分及其功能敘述圖3.2.1輸入信號選擇部分 圖3.2.2晶振電路和復(fù)位電路 圖3.2.3閘門圖3.2.4信號放大電路圖3.2.5整流電路 圖3.2.6信號處理電路圖3.2.7以單片機為核心的控制電路 第四章 理論誤差分析與系統(tǒng)電路分析4.1 高精度恒定誤差頻率和周期測量技術(shù)頻率測量誤差分析及其公式推導(dǎo)如下。(1)量化誤差 設(shè)測得頻率為Fx被測頻率真實值為Fxe標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs,在一次測量中預(yù)置門時間為Tpr，被測信號計數(shù)值為Nx，標(biāo)推頻率信號

17、計數(shù)值為Ns .Fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在Tpr時間內(nèi)對Fx的計數(shù)Nx無誤差；在此時間內(nèi)Fs的計數(shù)從Ns最多相差一個脈沖，即 |et|1 而 Fx/Nx=Fs/Ns Fex/Nx=Fs/(Ns+et)由上式可得 Fx=(Fs/Ns)Nx Fxe=Fs/(Ns+et)Nx根據(jù)相對誤差公式有|=Fxe/Fxe=|Fxe-Fx|/Fxe由上式得 Fxe/Fxe=|t|/Ns因為 |et|1所以 |et|/Ns1/Ns即 |=Fxe/Fxe1/Ns Ns=TprF由上式可以得出以下結(jié)論相對測量誤差與頻率無關(guān)。增大Tpr或提高Fs，可以增大Ns，減少測量誤差，提高測量精度。（2）標(biāo)

18、準(zhǔn)頻率誤差 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為Fs/Fs,因為晶體的穩(wěn)定度很高，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以進行校準(zhǔn)，相對于量化誤差，校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以忽略。（3）分變率誤差分析先由單片機給出閘門開啟信號 ,此時計數(shù)器并不計數(shù) ,而是等到被測信號的上升沿到來時,才開始計數(shù)。然后,兩組計數(shù)器分別對被測信號和時標(biāo)脈沖計數(shù)，當(dāng)單片機給出閘門關(guān)閉信號后 ,計數(shù)器并不立即停止計數(shù) ,而是等到被測信號下降沿到來的時刻才結(jié)束計數(shù) ,完成一次測量過程。可以看出 ,實際閘門與設(shè)定的閘門并不嚴(yán)格相等 ,但最大差值不超過被測信號的一個周期。 設(shè)被測信號的計數(shù)為 NX ,對時標(biāo)的計數(shù)為 N0 ,時標(biāo)頻率為 f0 ,閘門時間為,則被測信號頻率為

19、: FoNx/No計數(shù)器的開閉與被測信號是完全同步的 ,即在實際閘門中包含整數(shù)個被測信號的周期 ,因而不存在對被測信號計數(shù)的 1 個字誤差 ,由式 微分可得: FoNxdNo/ dN0=1 =Nx/fx 相對誤差為: e=fX/fX=NX/NX-N0/N0+f0/f0式 Fxe=Fs/(Ns+et)Nx中前兩項分別表示計數(shù)器 T0 和計數(shù)器 T1 的誤差 ,第三項為頻率準(zhǔn)確度。由于計數(shù)是在相關(guān)同步門控時間內(nèi)完成的,即由待測信號同步控制,因此同步門控與計數(shù)器 T1 的計數(shù)脈沖相關(guān),且 T/ Tx 的比值 Nx為整數(shù) ,故被測信號計數(shù)值不存在計數(shù)誤差。而計數(shù)器 T0 對時標(biāo)的計數(shù) ,由于門控的啟閉

20、時刻的隨機性及 T/ T0之比值 N0 為非整數(shù)( T0 為時標(biāo)周期) ,在門控的啟閉時刻分別有時間零頭T1 和 T2 無法計入,故存在 1 誤差。當(dāng)忽略頻率準(zhǔn)確度誤差時,多周期同步法測頻的最大誤差為: 由式|=Fxe/Fxe=|Fxe-Fx|/Fxe可以看出 ,測量分辨率與被測信號頻率的大小無關(guān) ,僅與閘門時間及時標(biāo)頻率有關(guān) ,即實現(xiàn)了被測頻帶內(nèi)的等精度測量,閘門時間越長,時標(biāo)頻率越高 ,分辨率越高。 4.2 預(yù)置門時間信號與閘門時間信號預(yù)置門的概念與傳統(tǒng)的閘門的概念是不同的。預(yù)置門是指同時啟動或停止標(biāo)準(zhǔn)頻率信號計數(shù)器和被測信號計數(shù)器的門控信號。碩置門的概念用于高精度恒定誤差測頻測周期方法中

21、，并稱預(yù)置門的時間寬度為預(yù)置門時間。高精度恒定誤差測頻方法測量精度與預(yù)置門時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無關(guān)。在預(yù)置門時間和閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下，高精度恒誤差額率測量法的測量精度不變，而直接測頻法精度隨著被測信號頻率的增加而接近線性地增大。高精度恒誤差周期測量方法的分析思路和結(jié)果均與對高精度恒誤差頻率測量相似或相同。4.3 脈沖寬度測量理論誤差分析 根據(jù)方案中的脈沖寬度測量方法，分析脈寬測量誤差。設(shè)被測信號脈寬為Twxe，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號頻率為Fs，則脈沖寬度的測量值為 Twx=Nx/Fs在一次測量中，對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值Nx可能產(chǎn)生1個標(biāo)準(zhǔn)頻率信號周期的計數(shù)誤差，則脈寬

22、測量相對誤差為 |Twx/Twx|=(1Fs)/(NxFs)=1/Nx其中NxTwxFs.可以看出，在Fs一定時，脈寬越小，誤差越大。當(dāng)Twx=100s，F(xiàn)s=60MHz時，Nx6000，則有 |Twx/Twx|=1/6000=0.174.4周期脈沖信號占空比測量誤差分析使用第一部分中所述的占空比方法，根據(jù)誤差合成原理，周期測量相對誤差最大恒等于脈沖寬度測量相對誤差。在標(biāo)準(zhǔn)頻率為60MHz，被測頻率1kHz(即周期為0.001s)時。設(shè)其占空比為10，如果要滿足題日部分要求，由脈沖寬測量相對誤羌公式計算出的相對誤差應(yīng)小于 1(0.00110%60106)160000.17實際精度完全可以超過這

23、個要求。4.5、系統(tǒng)設(shè)計與電路分析（1）穩(wěn)壓電源設(shè)計本項設(shè)計要求的電源：12V、-12v、+5v穩(wěn)壓電源。在進行電源設(shè)計時，功率交流輸入端加一級電源濾波器，以降低工頻頻率干擾。（2）測量控制電路單片機(AT89C51成整個測量電路的控制和數(shù)據(jù)處理兩片Dpl5H016完成計數(shù)器功能。鍵盤信號由AB9c51處理。AT89C51spLSI1016讀回計數(shù)數(shù)據(jù)進行高精度浮點運算，并向顯示電路輸出測量結(jié)果。電路如圖7.1所示。（3）輸入信號處理部分為測量小侍號，需要在輸入端加前置信號處理電路，將小信號放大后送入整形電路.（4）小信號處理部分在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)LM361的輸出在零瞬間有些毛刺，在輸出與地間并聯(lián)一

24、只100Hz瓷片電容消除了毛刺，且處理后的波形仍較陡峭，本部分電路抗干擾能力也很強。 （5）標(biāo)準(zhǔn)頻率方波發(fā)生電路本設(shè)計采用60Hz的晶體振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率方波信號(頻標(biāo))供數(shù)字測量電路使用。晶體振蕩器采用恒溫晶振，穩(wěn)定度為：2.010724小時。（6）顯示器電路顯示器電路采用7SEG LED顯示器。因為本設(shè)計用高精度恒誤差的頻率和周期測試方法，預(yù)置門時間為15s，在標(biāo)準(zhǔn)頻率信號為60MHz的情況下，根據(jù)上文討論的高精度恒誤差的頻率和周期測試方法相對誤差計算公式可以算出測量精度為 1(1.560106)=1.1108即能夠顯示接近8位有效數(shù)字，所以，電路中采用了8位LED顯示器.（7）實際數(shù)字測

25、量部分本題目要求測量功能模塊較多，題目中要求的被測信號以及標(biāo)準(zhǔn)頻率信號為1MHz，發(fā)揮部分要求為10MHz，高頻信號之間的信號干擾非常強。在方案實現(xiàn)過程中要求處處考慮到干擾問題，減少布線的復(fù)雜度。本設(shè)計擬定計數(shù)器所采用電路中的兩個計數(shù)器應(yīng)不低于60MHz。我們選用LATTICE公司高速ispLSI器件（在系統(tǒng)可編程大規(guī)模集成電路）。在一片ispLSI器件中可以完成一個或多個模塊的設(shè)計，大大降低了電路復(fù)雜度，減少引線信號間的干擾，提高電路的可靠性、穩(wěn)定性。鑒于本題目要求測量功能模塊較多、我們采用兩片工作頻率為60MHz的ispLSI1016-60器件。采用在系統(tǒng)可編程邏輯器件來設(shè)計測量功能模塊電

26、路。在具體實現(xiàn)過程中我們將以下模塊做在兩片ispLSI1016器件中：a頻率測量模塊b周期測量模塊；c脈沖寬度測量模塊；d脈沖占空比測量模塊；e自校電路 (8)自校電路為了檢測系統(tǒng)的精度，本電路附加了自校電路，用以產(chǎn)生1MHz信號，可在功能按鍵控制下進行自校。（9）、高頻抗干擾設(shè)計在高頻情況下，線路之間的干擾對頻率測量結(jié)果影響很大，因此我們采用了一些高頻線路抗干擾措施。測量電路的電路板采用自制印刷電路板，減少了引線交叉，降低了高頻引線干擾，效果明顯。例如，在模塊初步設(shè)計和調(diào)試期間，我們在實驗板上采用直接連線方式，因電路工作不穩(wěn)定而出現(xiàn)了很大的測量誤差。在自制印刷電路板上完成設(shè)計時，這個現(xiàn)象消失

27、了。被測信號經(jīng)過前置處理后，引向測量部分的引線全部采用屏蔽線。由于輸入信號的變化可能很大，在大信號時能滿足要求而在50 mv(峰峰值)時，很容易受到干擾。電路在設(shè)計時，采用大面積接地和金屬屏蔽層，輸入引線采用高頻輸入線，以消除外界的電磁場干擾；在每一部分的電源電路均采用電感、電容濾波，消除各部分電路的相互干擾；而且在電路中采用施密特觸發(fā)器，提高比較門限，消除了大部分雜波，保證了信號的純真度；對機械按鍵在閉合時伴有的抖動，加上了防抖控制；單片機還采用了“看門狗”電路防止CPU失控，確保系統(tǒng)安全運行；在軟件上采用軟件陷阱、容錯技術(shù)和均值濾波等抗干擾措施，提高了抗干擾特性；采用四字節(jié)乘除法保證了測試

28、的精度在數(shù)據(jù)處理時不受影響。 第五章計頻器的軟件設(shè)計5.1計數(shù)原理信號經(jīng)過整形成為方波，輸入到 端，在P3.2處于低電平時進行初始化操作；TR0置位，打開定時器/計數(shù)器；GATE=1，使T0在TR0和 均為1時開始計數(shù)；將T0的高八位單元TH0和低八位單元TL0均賦值00H,使T0由0開始計數(shù) T0初始化完成后，TR0=1,GATE=1,此時T0等待 升為高電平，高電平到達，T0啟動計數(shù)。每一機器周期，T0自動加1計數(shù)。當(dāng) 降為低電平后，由于不能同時滿足TR0和 均為高電平，故T0停止計數(shù)。T0中存儲的是以周期數(shù)表示的脈寬。注：此計算過程調(diào)用無符號雙字除法程序來實現(xiàn)。為顯示頻率，必須將二進制碼

29、轉(zhuǎn)換為BCD碼，這一過程分兩步完成。第一步，二進制轉(zhuǎn)換成壓縮BCD碼；第二步，將壓縮BCD碼分送各緩沖區(qū)，調(diào)用顯示子程序，送數(shù)碼管延時顯示頻率值。5.2總體軟件編程(1)設(shè)計方案/12OSC利用AT89C51T0、T1的定時計數(shù)器功能，來完成對輸入的信號進行頻率計數(shù)，計數(shù)的頻率結(jié)果通過4位動態(tài)數(shù)碼管顯示出來。要求能夠?qū)?10KHZ的信號頻率進行準(zhǔn)確計數(shù)，計數(shù)誤差不超過1HZ。TL(8位 )THX（8位）TFX& Ta腳 TR1=1 GATE INTX腳 圖四 定時器工作原理圖(2)工作原理1). 定時/計數(shù)器T0和T1的工作方式設(shè)置，由圖可知，T0是工作在計數(shù)狀態(tài)下，對輸入的頻率信號進行計數(shù)，

30、但對工作在計數(shù)狀態(tài)下的T0，最大計數(shù)值為fOSC/12，由于fOSC12MHz，因此：T0的最大計數(shù)頻率為10KHz。對于頻率的概念就是在一秒只數(shù)脈沖的個數(shù)，即為頻率值。所以T1工作在定時狀態(tài)下，每定時1秒中到，就停止T0的計數(shù)，而從T0的計數(shù)單元中讀取計數(shù)的數(shù)值，然后進行數(shù)據(jù)處理。送到數(shù)碼管顯示出來。2) . T1工作在定時狀態(tài)下，最大定時時間為65ms，達不到1秒的定時，所以采用定時50ms，共定時20次，即可完成1秒的定時功能。5.3 源程序 #include unsigned char code dispbit=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;unsigned char cod

31、e dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40; unsigned char dispbuf4=0,0, 10,10; unsigned char temp4; unsigned char dispcount; unsigned char T0count;unsigned char timecount;bit flag; unsigned long x; void main(void) unsigned char i; TMOD=0x15; TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-4000)/2

32、56;TL1=(65536-4000)%256;TR1=1;TR0=1;ET0=1;ET1=1;EA=1;while(1)if(flag=1)flag=0;x=T0count*65536+TH0*256+TL0;for(i=0;i4;i+)tempi=0;i=0;while(x/10)tempi=x%10;x=x/10;i+;tempi=x;for(i=0;i6;i+)dispbufi=tempi;timecount=0;T0count=0;TH0=0;TL0=0;TR0=1;void t0(void) interrupt 1 using 0T0count+;void t1(void) int

33、errupt 3 using 0TH1=(65536-4000)/256;TL1=(65536-4000)%256;timecount+;if(timecount=10)TR0=0;timecount=0;flag=1;P0=dispcodedispbufdispcount;P2=dispbitdispcount;dispcount+;if(dispcount=4)dispcount=0; 第一章概述 單片機即MCU（MICRO CTROL UNIT） 翻譯成中文就是微型控制單元。它的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能

34、、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。并且由于單片機具顯著的優(yōu)點，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。 頻率測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且測量低頻信號時不宜直接使用。頻率信號抗干擾性強、易于傳輸 ,可以獲得較高的測量精度。同時 ,頻率測量方法的優(yōu)化也越來越受到重視.并采用 AT89C51片機和相關(guān)硬軟件實現(xiàn)。MCS51單片機具有體積小，功能強，性能價格比較高等特點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領(lǐng)域。我們研制的頻率計以89c51，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好等特

35、點。 實現(xiàn)一個寬頻域，高精度的頻率計，一種有效的方法是：在高頻段直接采用頻率法，低頻段采用測周法。一般的數(shù)字頻率計本身無計算能力因而難以使用測周發(fā)，而用89c51機構(gòu)成的頻率計卻很容易做到這一點。對高頻段和低頻段的劃分，會直接影響測量精度及速度。經(jīng)分析我們將f=1MHz做為高頻，采用直接測頻法；將f=1Hz做為低頻，采用測周期法。為了提高測量精度，我們又對高低頻再進行分段。 以89C51機為控制器件的頻率測量方法，并用C語言進行設(shè)計，采用單片機能控制，結(jié)合外圍電子電路，得以高低頻率的精度測量。最終實現(xiàn)多功能數(shù)字頻率計的設(shè)計方案，根據(jù)頻率計的特點，可廣泛應(yīng)用于各種測試場所。 在基礎(chǔ)理論和專業(yè)技術(shù)

36、基礎(chǔ)上，通過對數(shù)字頻率計的設(shè)計，用十進制數(shù)字來顯示被測信號頻率的測量裝置。以精確迅速的特點測量信號頻率，在本設(shè)計在實踐理論上鍛煉提高了自己的綜合運用知識水平，為以后的開發(fā)及科研工作打下基礎(chǔ)。第二章 測量方法及設(shè)計方案2.1頻率測量方法 直讀法又稱無源網(wǎng)絡(luò)頻率特性測量法;比較法是將被測頻率信號與已知頻率信號相比較 ,通過觀、聽比較結(jié)果 ,獲得被測信號的頻率;電容充放電式計數(shù)法是利用電子電路控制電容器充放電的次數(shù) ,再用電磁式儀表測量充放電電流的大小 ,從而測出被測信號的頻率值;電子計數(shù)法是根據(jù)頻率定義進行測量的一種方法 ,它是用電子計數(shù)器顯示單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實現(xiàn)頻率的測量。 利

37、用電子計數(shù)式測量頻率具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速 ,以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列優(yōu)點.首先，被測信號通過放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計數(shù)脈沖。然后，N將它加到閘門的一個輸入端，閘門由門控信號來控制其關(guān)閉時間。計得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來。而由晶振產(chǎn)生的1MHz的振蕩信號經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個10分頻10s，1s，0.1s，0.01s，1ms，那么有fx=NT符合測頻定義。根據(jù)f=NT。不難看出，采用計數(shù)器測頻的測量誤差，一方面決定于閘門時間T準(zhǔn)不準(zhǔn)確，即由晶振提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度TT=-(fofo)；另一方面放大整形閘門技術(shù)顯示器 門控信號Fx分

38、頻石英振蕩器控制電源放大整形 圖一 電子技術(shù)測頻原理方框圖決定于計數(shù)器計得的數(shù)準(zhǔn)不準(zhǔn)，即1誤差，NN=1N=(1XTfx)。所以，計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項，即1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。測低頻時，由于1誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測頻方法。由于fX較低時，利用計數(shù)器直接測頻，由1誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度。所以，為了提高測量低頻時的準(zhǔn)確度，即減少1誤差的影響，可改成先測周期Tx，然后計算fx=1Tx。2.2設(shè)計方案系統(tǒng)采用MCS51單片機8032作為控制核心，門控信號由8032內(nèi)部的計數(shù)定時器產(chǎn)生，單位為1 s。由于單片機的計數(shù)頻率上限較低(12MhZ晶振時約5

39、00khz)，所以需對高頻被測信號進行硬件欲分頻處理，8032則完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片機，使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展與改進。2.3頻率測量模塊高精度恒誤差測頻法 通過對傳統(tǒng)的測量方法的與研究，結(jié)合高精度恒誤差測量原理，我們設(shè)計里一種測量精度與被測頻率無關(guān)的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。3.3 頻率測量模塊對頻率測量模塊有以下四種實現(xiàn)方法： （1）直接測頻法 直接測頻法是把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間T（以秒計）內(nèi)，被計數(shù)的脈沖被送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設(shè)計數(shù)器的值為N，由頻

40、率定義式可以計算得到被測信號頻率為 f=N/T經(jīng)分析，本測量在低頻段的相對測量誤差較大。增大T可以提高測量精度，但在低頻段仍不能滿足該題發(fā)揮部分的要求。（2）組合法 直接測量周期法在低頻段精度高。組合測頻法是指在低頻時采用直接測量周期法測信號周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補方法（1）的不足，但是難以確定最佳分測點，且電路實現(xiàn)較復(fù)雜。（3）倍頻法 直接測頻法在高頻段有著很高的精度?？梢园杨l率測量范圍分成多個頻段，使用倍頻技術(shù)，根據(jù)頻段設(shè)置倍頻系數(shù)將經(jīng)整形的低頻信號進行倍頻后再進行測量，高頻段則進行直接測量。（4）高精度恒誤差測頻法 通過對傳統(tǒng)的測量方法的與研究，結(jié)合高精度恒誤差

41、測量原理，我們設(shè)計里一種測量精度與被測頻率無關(guān)的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。以上四種方法中，倍頻法雖然在理論上可以達到很高的精度，但在低頻段，就目前常規(guī)的鎖相器件而言，鎖相電路工作性能不理想，頻率小于looHz時甚至不能工作.前三種方法本質(zhì)上都是立足于頻率基本定義，沒有擺脫傳統(tǒng)的測量方法的局限。從下文的詳細論述中可以看出，用方法(4)可以用單片機程序方便地完成寬位浮點數(shù)的數(shù)學(xué)運算，實現(xiàn)高精度測量?；谏鲜稣撟C及第二部分中詳細的理論分析，我們擬選擇方法(4)。2.4周期測量模塊 (1)直接周期測量法 用被測信號經(jīng)放大整形后形成的方波信號直接控制計數(shù)門控電路，使主門開

42、放時間等于信號周期Tx,時標(biāo)為Ts的脈沖在主門開放時間進入計數(shù)器。設(shè)T為被測周期，Ts為時標(biāo)，在Ts期間計數(shù)值為N，可以根據(jù)以下公式來算得被測信號周期： Tx=NTs 經(jīng)誤差分析表明，被測信號頻率越高，測量誤差越大。采用對多個周期進行計數(shù)取平均值的方法雖可提高精皮，但如果要達到賽題要求，測量頻率為01Hz信號時，每測一次至少要等待1000s，顯然是不可取的。(2)高料度恒誤差周期測量方法 本方法在測量電路和測量精度上與高精度恒誤差頻率測量完全相同，只是在進行計算時公式不同，用周期T代換高精度恒誤差頻率測量公式中的頻率因數(shù)即可,計算公式為: Tx=(TsNs)/Nx式中，Tx為被測信號周期的測量

43、值，Ns,Nx分別與(12)式中的Ns,Nx含義相同。從降低電路的復(fù)雜度及提高招度上考慮、顯然方法(2)遠好于方法(1)，方法(2)的測量電路完全可以使用高精度恒誤差頻率測量電路o適應(yīng)振蕩器 放大整形閘門 技術(shù)譯碼器 門控信號 放大整形 分頻TX 圖二 電子技術(shù)器測周期原理圖2.5脈沖信號占空比測量模塊在進行脈沖寬度的測量時，首先經(jīng)信號處理電路進行處理，限制只有信號的50幅度及其以上部分才能輸入數(shù)字測量部分。脈沖邊沿被處理得非常陡峭，然后送入測量計數(shù)器進行測量。測量電路在檢測到脈沖的上升沿時打開計數(shù)器，在下降沿時關(guān)掉計數(shù)器。由下式Twx=Nx/Fs可知計數(shù)值既為測得的脈沖寬度。 測一個脈沖信號

44、的脈寬，記其值為Twx1；信號反相后,再測一次脈寬并記錄其值Twx2,通過以下公式汁算：占空比=Twx1/(Twx1+Twx2)100% 2.6標(biāo)頻發(fā)生電路和信號處理部分本模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的恒溫可微調(diào)的晶體振蕩器作標(biāo)頻發(fā)生電路小信號處理部分受限于寬帶放大器的性能，放大電路需要附有高速整形電路。有以下幾種方案。(1)采用分立元件 使用場效應(yīng)管做輸入級，以提高輸入阻抗。用截止頻率1000的三極管如9018做放大級。由于電路復(fù)雜，要調(diào)節(jié)部分較多，且一致性差，故不采用。(2)采用運算放大器 電路簡潔，但因為與TTL電平接口而另需電平移位電路。并且要用運放做一高速寬帶放大器，市場上難以買到高速運放，應(yīng)用受到了限制。(3)立接采用比較器 采用比較器可以簡單地完成設(shè)計。采用高速比較器LM361