基于單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

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論文題目文獻(xiàn)綜述：頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)基本參數(shù)，同時(shí)也是一個(gè)十分重要的參數(shù)，因此，頻率測(cè)量已成為電子測(cè)量領(lǐng)域最基本最重要的測(cè)量之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展提高，人們對(duì)科技產(chǎn)品的要求也相應(yīng)的提高，數(shù)字化的電子產(chǎn)品越來(lái)越受到歡迎。頻率計(jì)作為比較常用和實(shí)用的電子測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校、家庭等場(chǎng)合，因此它的重要性和普遍性勿庸質(zhì)疑。數(shù)字頻率計(jì)具有體積小、攜帶便利；功能完善、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在以后的時(shí)間里，必將有著更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。譬如：將數(shù)字頻率計(jì)稍作改進(jìn)，就可制成既可測(cè)頻率，又能測(cè)周期、占空比、脈寬等功能的多用途數(shù)字測(cè)量?jī)x器。將數(shù)字頻率計(jì)和其他電子測(cè)量?jī)x器結(jié)合起來(lái)，制成各種智能儀器儀表，應(yīng)用于航空航天等科研場(chǎng)所，對(duì)各種頻率參數(shù)進(jìn)行計(jì)量；應(yīng)用在高端電子產(chǎn)品上，對(duì)其中的頻率參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；應(yīng)用在機(jī)械器件上，對(duì)機(jī)器振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲頻率進(jìn)行監(jiān)控；等等。研究數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，有助于頻率計(jì)功能的不斷改進(jìn)、性價(jià)比的提高和實(shí)用性的加強(qiáng)。以前的頻率計(jì)大多采用TTL數(shù)字電路設(shè)計(jì)而成，其電路繁雜、耗電多、體積大、成本高。隨后大規(guī)模專用IC（集成電路）出現(xiàn)，如ICM7216，ICM7226頻率計(jì)專用IC，使得頻率計(jì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，但由于價(jià)格較高，因此利用IC設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的較少?，F(xiàn)在，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，不但測(cè)量確鑿，精度高，而且誤差也很小。數(shù)字頻率計(jì)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在大量設(shè)計(jì)繁雜、功能多樣的電子設(shè)備中，都使用了數(shù)字頻率計(jì)。雖然一些數(shù)字頻率計(jì)的功能繁雜，但是使用起來(lái)既簡(jiǎn)單又便利。由于大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，數(shù)字頻率計(jì)發(fā)展進(jìn)入了智能化和微型化的新階段。其功能進(jìn)一步擴(kuò)大，除了測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算方均根值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等功能。此外，還能測(cè)量電壓、電流、阻抗、功率和波形等。目前，測(cè)量頻頻的方法有直接測(cè)頻法、內(nèi)插法、游標(biāo)法、頻差倍增法等等。直接測(cè)頻的方法較簡(jiǎn)單，但精度不高。頻差倍增多法和周期基于單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)1

法是一種頻差倍增法和差拍法相結(jié)合的測(cè)量方法，這種方法是將被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)頻差倍增使被測(cè)信號(hào)的相位起伏擴(kuò)大，再通過(guò)混頻器獲得差拍信號(hào)，用電子計(jì)數(shù)器在低頻下進(jìn)行多周期測(cè)量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時(shí)間狀況下，得到比測(cè)頻法更高的系統(tǒng)分辯率和測(cè)量精度，但是依舊存在著時(shí)標(biāo)不穩(wěn)而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。在電子系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，四處看見(jiàn)處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的冰箱和電視、航空通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過(guò)程中都用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字頻率計(jì)是現(xiàn)代通信測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)中必不可少的測(cè)量?jī)x器，不但要求電路產(chǎn)生頻率的確鑿度和穩(wěn)定度都高的信號(hào)，也要能便利的改變頻率。文獻(xiàn)[1]介紹了頻率計(jì)的設(shè)計(jì)大致可分為三種方案：方案一：采用小規(guī)模數(shù)字集成電路制作。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形變換為脈沖信號(hào)后加到主控門的輸入端，時(shí)基信號(hào)經(jīng)控制電路產(chǎn)生閘門信號(hào)送至主控門，只有在閘門信號(hào)采樣期間輸入信號(hào)才通過(guò)主控門，若時(shí)基信號(hào)周期為T，進(jìn)入計(jì)數(shù)器的輸入脈沖數(shù)為N，則被信號(hào)的測(cè)頻率其頻率F=N/T。方案二：采用單片機(jī)為控制中心進(jìn)行測(cè)頻控制。單片機(jī)技術(shù)比較成熟，功能也比較強(qiáng)大，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入測(cè)頻電路，由單片機(jī)對(duì)測(cè)頻電路的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)送至顯示器顯示。采用這種方案優(yōu)點(diǎn)是成熟的單片機(jī)技術(shù)、運(yùn)算功能較強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大、設(shè)計(jì)成本也較低、缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，在傳統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中必需使用大量分立元件組成單片機(jī)的外圍電路，整個(gè)系統(tǒng)顯得十分繁雜，并且單品機(jī)的頻率不能做的很高，使得測(cè)量精度大大降低。方案三：采用FPGA作為控制中心的數(shù)字頻率計(jì)。FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，其規(guī)律單元、可編程內(nèi)部連線和I/O單元都可以由用戶編程，可以實(shí)現(xiàn)任何規(guī)律功能，滿足各種設(shè)計(jì)需求，其速度快、功耗低，通用性強(qiáng)，特別適用于繁雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用VHDL（超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言,采用自頂向下(ToptoDown)和基于庫(kù)(Library-based)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)者不但可以不必了解硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而且將使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化,提高整體的性能和可靠性。文獻(xiàn)[2]介紹了液晶顯示器具有顯示信息多、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，在單片計(jì)算機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中被廣泛用于人機(jī)界面。點(diǎn)陣式液晶顯示器LM12864與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)，液晶顯示器作為一種低功耗顯示器件，廣泛應(yīng)用于計(jì)算器、數(shù)

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字式儀表等低功耗系統(tǒng)中。但一般使用的液晶顯示器均為七段筆劃式，只能顯示數(shù)字和少量字符，對(duì)于較繁雜的字符或圖形則無(wú)能為力。而點(diǎn)陣式液晶顯示模塊可以顯示各種各樣的字符（包括簡(jiǎn)單的漢字），且點(diǎn)陣顯示模塊具有可編程能力，與單片機(jī)接口便利。由于以上優(yōu)點(diǎn)，點(diǎn)陣式液晶顯示模塊獲得了廣泛的應(yīng)用。此文獻(xiàn)以LM12864為例介紹了液晶顯示器與51單片機(jī)的兩種連接方式，并給出了例程，對(duì)于其它型號(hào)的液晶顯示器同樣具有參考價(jià)值。RT12864M是一種圖形液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)/列驅(qū)動(dòng)和128*64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可顯示8*4個(gè)（16*16點(diǎn)陣）漢字。1、電源：VDD+5V，模塊內(nèi)自帶-10V負(fù)壓，用于LCD的驅(qū)動(dòng)。2、顯示內(nèi)容：128（列）*64（行）點(diǎn)。3、七種指令。4、與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線。5、工作溫度：0-60。文獻(xiàn)[3]介紹了STC89C52單片機(jī)，采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差?？煽啃院茫?jiǎn)纹瑱C(jī)依照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)，抗?fàn)幑I(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般的CPU，程序指令和數(shù)據(jù)都可以燒寫在ROM大量信號(hào)通道都在同一芯片，因此可靠性高。易擴(kuò)展：?jiǎn)纹瑱C(jī)有一般電腦所必需的器件，如三態(tài)雙向總線，串并行的輸入及輸出引腳，可擴(kuò)展為各種規(guī)模的微電腦系統(tǒng)?？刂乒δ軓?qiáng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)指令除了輸入輸出指令，規(guī)律判斷指令外還有更豐富的條件分支騰躍指令。由于單片機(jī)具有優(yōu)越的高集成電路性，使其工作速度更快、效率更高。文獻(xiàn)[4]介紹了數(shù)字頻率計(jì)的基本原理數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置，它可以測(cè)量正弦波、方波、三角波信號(hào)的頻率。其基本原理是，被測(cè)信號(hào)fs首先經(jīng)整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率fx一致。時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，分頻后控制計(jì)數(shù)與保持狀態(tài)。當(dāng)其低電平日，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；高電平日，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)送入鎖存器進(jìn)行鎖存顯示。然后對(duì)計(jì)數(shù)器清零，準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù)。所謂頻率，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）里變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得的這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為：f=N/T因此，數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻率時(shí)的原理框圖如圖3-1。3

被測(cè)信號(hào)Fs整形脈沖信號(hào)閘門計(jì)數(shù)譯碼顯示門控信號(hào)時(shí)機(jī)信號(hào)

圖3-1原理框圖文獻(xiàn)[5]介紹了8位單片機(jī)是MSC-51系列產(chǎn)品升級(jí)版，有世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL在購(gòu)買MSC-51設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢(shì)技術(shù)——（掉電不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術(shù)對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時(shí)，世界上其他的著名公司也通過(guò)基本的51內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如51F020等高性能單片機(jī)。AT89S52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運(yùn)行空間、8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)空間，支持最大64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個(gè)定時(shí)器、8個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(hù)?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。同時(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價(jià)格讓該型號(hào)單片機(jī)暢銷10年不衰。根據(jù)不同場(chǎng)合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，使用雙列直插DIP-40的封裝。AT89S52引腳如下圖3-2所示。4

圖3-2AT89S52引腳圖文獻(xiàn)[6]介紹了單片機(jī)測(cè)頻技術(shù)及測(cè)量精度的提高所謂頻率，就是周期性信號(hào)的在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若被測(cè)波信號(hào)的周期為Tx，分頻數(shù)m1，分頻后信號(hào)的周期為T，則可知：Tx=m1T（3-1）若在分頻后的周期T內(nèi)共有N個(gè)由單片機(jī)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期To，則可知：T=NTo（3-2）由公式（3-1）以及（3-2），則可以算出被測(cè)量信號(hào)的周期Tx：Tx=m1NTo（3-3）由于單片機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的誤差，尋常狀況下很?。欢到y(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測(cè)量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測(cè)量的精度越高。文獻(xiàn)[7]介紹了數(shù)字頻率計(jì)的誤差分析，被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形進(jìn)入加法計(jì)數(shù)器；晶體振蕩器的頻率信號(hào)通過(guò)分頻產(chǎn)生秒（或分鐘）信號(hào)，在計(jì)數(shù)顯示控制器中生成寄放脈沖和清零脈沖。寄放脈沖將加法計(jì)數(shù)器的BCD碼送入寄放器，通過(guò)譯碼驅(qū)動(dòng)，LED數(shù)碼管顯示一秒（或分鐘）內(nèi)的計(jì)數(shù)值，直到下一次寄放脈沖的到來(lái)；緊接著清零，進(jìn)行下一輪計(jì)數(shù)、寄放（譯碼顯示）；如此，不休止測(cè)頻。假使我們考察一下這些信號(hào)的時(shí)序，不難發(fā)覺(jué)這種定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)量方法的缺陷是：被計(jì)數(shù)脈沖

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有±1的誤差。假使被測(cè)頻率為10000Hz,多一或少一的誤差，相對(duì)來(lái)講只不過(guò)萬(wàn)分之一；假使被測(cè)頻率為2Hz,±1的誤差，相對(duì)來(lái)講就達(dá)到了百分之五十，不難看出頻率越低，誤差越大，而且還有一點(diǎn)，把一秒變成一分鐘，誤差就變小了。低頻時(shí)，如不延長(zhǎng)采樣時(shí)間，要提高精度就要采用測(cè)周的方法。我們不難發(fā)覺(jué)：上述二者的區(qū)別在于晶體振蕩器與被測(cè)信號(hào)的位置作了互換，象是代數(shù)上的分子分母的顛倒，也正是物理上的頻率和周期互為倒數(shù)。測(cè)周的誤差與測(cè)頻相像，是±1一個(gè)晶體振蕩器脈沖，也就是±1個(gè)時(shí)基脈沖，晶體振蕩器脈沖頻率確鑿度越高誤差越小，晶體振蕩器脈沖頻率越高誤差也越小，被測(cè)頻率越高誤差越大；因此測(cè)量高頻時(shí)，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻，確實(shí)是提高測(cè)周精度的好方法。在周期過(guò)長(zhǎng)時(shí)，還可通過(guò)計(jì)數(shù)器，借助計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。通過(guò)以上文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容的總結(jié)，不難發(fā)現(xiàn)：由于當(dāng)今社會(huì)的需要，對(duì)信息傳輸和處理的要求不斷提高，對(duì)頻率的測(cè)量的精度也需要更高更確鑿的時(shí)頻