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基于单片机的数字频率计的设计.doc

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基于单片机的数字频率计的设计.doc

摘要I摘要随着电子信息产业的不断发展,信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通常是用很多的逻辑电路和时序电路来实现的,这种电路一般运行缓慢,而且测量频率的范围比较小。考虑到上述问题,本论文设计一个基于单片机技术的数字频率计。首先,我们把待测信号经过放大整形然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数,获得频率值最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。本文从频率计的原理出发,介绍了基于单片机的数字频率计的设计方案,选择了实现系统得各种电路元器件,并对硬件电路进行了仿真。关键字单片机,频率计,测量ABSTRACTIIABSTRACTWiththeunceasingdevelopmentofelectronicinformationindustry,themeasurementofthesignalfrequencyisplayingasignificantroleintheorystudyandpraticalapplication.Theconventionalfrequencycounterusuallyconsistsofalargenumberofhardwarebasedelectriccircuits,suchascombinedandtimeserialelectriccircuits.Itisbulkyandslow.Consideringtheshortcomingsabove,thispaperdevelopsakindofsinglechipbasedfrequencycounterusingmicrocomputertechniques.Firstly,therectangularpulse,whichthemeasuredsignalisamplifiedandreshaped,isusedascontrolthrottlevalve.Then,thefrequencycountercountsthenumberoftheperiodsusingtheinternaltimer/counterofsignalischipsoastogainthefrequencyvalueofmeasuredsignal.Finally,thefrequencyvalueofmeasuredsignalisdisplayedthroughstaticdisplaycircuits.Sincetheinternaloscillationfrequencyofsignalchipisveryhigh,themeasurederrorinoneperiodisverysmall.KeyWordsMicorcomputer,Frequency,Measure目录III目录第1章引言.................................................................................................................1第2章方案论证.........................................................................................................22.1数字频率计设计的几种方案............................................................................22.2几种方案的优劣讨论........................................................................................32.3本次设计采用的方案........................................................................................3第3章系统硬件设计.................................................................................................43.1数字频率计工作原理........................................................................................43.1.1一般数字式频率计的原理......................................................................43.1.2基于单片机的数字频率计原理..............................................................43.2电路原理图........................................................................................................53.3放大整形电路....................................................................................................73.3.1放大整形电路的必要性..........................................................................73.3.2放大整形电路的原理..............................................................................73.4分频电路...........................................................................................................113.4.1分频电路介绍.........................................................................................113.5四选一电路......................................................................................................123.6单片机..............................................................................................................143.7显示电路..........................................................................................................153.7.1显示原理................................................................................................153.7.2显示电路图............................................................................................173.8电路PCB板.....................................................................................................19第4章系统软件设计...............................................................................................214.1测频软件实现原理..........................................................................................214.2软件流程图......................................................................................................214.3几个重要的分程序..........................................................................................22第5章系统的仿真和调试.......................................................................................355.1硬件电路的仿真..............................................................................................355.2误差分析..........................................................................................................38结束语............................................................................................................................39目录IV参考文献........................................................................................................................41致谢................................................................................................................................42附录................................................................................................................................43附录一系统整体电路图.....................................................................................43附录二电路PCB图............................................................................................44附录三系统整体程序.........................................................................................45外文资料原文................................................................................................................61翻译文稿........................................................................................................................64第1章引言1第1章引言随着电子信息产业的发展,信号作为其最基础的元素,其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要,而且需要测频的范围也越来越宽。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成,产品不但体积较大,运行速度慢,而且测量范围低,精度低。因此,随着对频率测量的要求的提高,传统的测频的方法在实际应用中已不能满足要求。因此我们需要寻找一种新的测频的方法。随着单片机技术的发展和成熟,用单片机来做为一个电路系统的控制电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。因此本论文采用单片机来做为电路的控制系统,设计一个能测量高频率的数字频率计。用单片机来做控制电路的数字频率计测量频率精度高,测量频率的范围得到很大的提高。本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。主要介绍了整形电路、控制电路和显示电路的构成原理,以及其测频的基本方法。进行了相应的硬软件设计。电子科技大学学士学位论文2第2章方案论证2.1数字频率计设计的几种方案测量频率的方法有很多种,主要分为模拟法和数字法两大类,因为本次设计的要求和环境,现在主要讨论数字法中的电子计数式的几种测频方法。电子计数式的测频方法主要有以下几种脉冲数定时测频法M法,脉冲周期测频法T法,脉冲数倍频测频法AM法,脉冲数分频测频法AT法,脉冲平均周期测频法M/T法,多周期同步测频法。下面是几种方案的具体方法介绍。脉冲数定时测频法M法此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx,则待测频率为FxMx/Tc21脉冲周期测频法T法此法是在待测信号的一个周期Tx内,记录标准频率信号变化次数Mo。这种方法测出的频率是FxMo/Tx22脉冲数倍频测频法AM法此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。其待测频率为FxMx/ATo23脉冲数分频测频法AT法此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测频率为FxAMo/Tx(24)脉冲平均周期测频法M/T法此法是在闸门时间Tc内,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo。若标准信号的频率为Fo,则待测信号频率为FxFoMx/Mo(25)第2章方案论证3多周期同步测频法是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法,待测信号频率与M/T法相同。2.2几种方案的优劣讨论以上几种方法各有其优缺点脉冲数定时测频法,时间Tc为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx的误差。其特点在于测量方法简单,测量精度与待测信号频率和门控时间有关,当待测信号频率较低时,误差较大。脉冲周期测频法,此法的特点是低频检测时精度高,但当高频检测时误差较大。脉冲数倍频测频法,其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低精度比M法高A倍,但控制电路较复杂。脉冲数分频测频法,其特点是高频测量精度比T法高A倍,但控制电路也较复杂。脉冲平均周期测频法,此法在测高频时精度较高,但在测低频信号时精度较低。多周期同步测频法,此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的±1个字误差,测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。2.3本次设计采用的方案根据频率的定义,频率是单位时间内信号波的个数,因此采用上述各种方案都能实现频率的测量。但是本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计,采用脉冲定时测频法,则在低频率的测量时误差会大一些。采用脉冲周期测频法则测高频率时精度无法保证采用脉冲数倍频测频法和脉冲数分频测频法则精度有所提高,但控制电路较复杂采用脉冲平均周期测频法则很难兼顾低频信号的测量而采用多周期同步测频法,闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的±1误差,测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。本次设计由于个人水平有限,因此,本次设计根据需要,采用脉冲定时测频法。

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