电工电子技术课程设计-数字频率计.doc

电子产品创作设计课程项目设计论文 题目 简易计数式频率计 院系: 电子工程学院班级: 021211班作者：西安电子科技大学摘要1. 简单介绍论文讨论的内容、成果，关键词为讨论内容的主要表述词;本设计采用的是脉冲宽度测量法实现对频率的测量，采用了MCS-51系列的单片机AT89C51和五个硬件电路。单片机片内有两个独立的16位定时计数器,对被测信号进行分频后送入单片机,由单片机内部时钟12分频的脉冲信号对其测量,将测量的结果,经过运算后通过LED数码管显示出来。本文设计的频率计就是基于上述设计思路，实现测量的数字化、自动化、智能化。关键词：数字频率计； 频率测量； 周期测量； 单片机控制 目录1概述2频率计测量频率的理论基础的介绍2.1 频率计测量方案的选取2.2频率测量的基本原理3频率计设计任务及要求4频率计的整体设计思想及设计框图5频率计主要硬件电路设计5.1系统的实现5.2硬件电路的设计6频率计主要软件电路设计 6.1主程序的设计 6.2中断服务子程序的设计7 .被测信号的频率范围及其误差分析 7.1所测频率最大值fmax 7.2所测频率最小值fmin8.结束语9.总结10.参考文献11.附录11. 概述频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史。一直以来，人们对频率计的特性主要有如下需求：足够宽的频率测量范围，高精度和高分辨率。精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精确度越高测量越准确。分辨率表明很小的变化都能在仪器上显示出来，高分辨率可快速测出更小的漂移值和不稳定值。长期以来，人们测量频率的方法有两大种类：直接测量频率法，间接测量频率法。直接测量就是依据频率的定义对被测信号进行测量，即是单位时间内（通常是1s）发出的脉冲个数，直接测量频率法在低频误差较大，不能满足设计要求。间接测量频率法有多种，较常用的是周期测量频率法和脉冲宽度测量法，实际上周期测量和脉冲测量方法基本相同，本论文就是用的脉冲宽度测量法实现对频率的测量，它的特点是测量迅速、灵敏，结构简单，精度高，误差小。为了测量更为精准，本论文部分单元电路采用了单片机技术。单片机是一门发展极快,应用方式极其灵活的使用技术。它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本,在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到广泛的应用。微电子技术和计算机技术的飞速发展,使得现代电子系统的设计和应用进入了一个全新的时代。高性能但结构简单的电子技术产品已经成为了市场的主体。频率的测量在生产和科研部门中经常使用, 频率计在教学、科研、仪器测量、工业控制等方面都有较广泛的应用。也是一些大型系统实时检测的重要组成部分。采用单片机与频率测量技术相结合可大大提高频率计的自动化程度和灵活性,采用分频周期测量法可提高测频的精确度。本设计是对被测信号进行分频后送入单片机,由单片机内部时钟12分频的脉冲信号对其测量,将测量的结果,经过运算后通过LED数码管显示出来。本文设计的频率计就是基于上述设计思想。实现测量的数字化、自动化、智能化。众所周知，数字化、自动化、智能化已成为各类仪器仪表设计的方向,这里介绍一种用单片机控制的、全自动、数字显示的测量频率的方法。本论文基于单片机的频率计设计针对中高频的测量，该设计具有结构简单，价格低廉，使用方便，可靠性高，可自主更改测量频率范围，灵活性强等很多优点。2. 频率计测量频率的理论基础的介绍2.1频率计测量方案的选取频率测量方法很多，但常用的是直接测量法和间接测量法。直接测频法是依据频率的含义把被测频率信号加到闸门的输入端,只有在闸门开通时间T(以1s计)内,被测的脉冲送到十进制计数器进行计数。设计数器的计数值为N,则可得到被测信号频率为f= N。但是由于闸门的开通、关闭的时间与被测频率信号的跳变难以同步,因此采用此测量方法在低频段的相对测量误差很大,即在低频段不能满足设计要求。直接测频法虽然简单方便可行,但是在低频段测量时误差较大,因此，我们可以采用间接测频法测量,这样就可以提高频率测量的精度了。间接测频法最常用的方法就是直接周期测量法。直接周期测量法是用被测周期信号直接控制计数门控电路,使主门开放时间等于TX,时标为TS的脉冲在主门开放时间进入计数器。设在TX期间计数值为N,可以根据TX=NTS来算得被测信号周期。与直接测频法相似,经误差分析,用该测量法测量时,被测信号的周期越短,测量误差越大。也就是说,直接周期测量法在高频段时误差较大,这时可以在高频段采用直接测频法来提高测量精度。下面我们选择和直接周期测量法相似的脉冲宽度测量法对被测信号进行频率测量。测量电路在检测到脉冲信号的上升沿时打开计数器,在下降沿时关闭计数器。设脉冲宽度为TWX,计数时钟周期为TS =1/fs,计数结果为N,则根据TWX=N/fs=NTS就可得出测量结果。这种脉宽测量方法与周期测量方法基本相同。由以上分析可得频率测量的主要思路，高频的我们可以通过分频转化为低频段进行测量。2.2频率测量的基本原理频率测量的主要思路是:首先被测信号通过放大器进行放大，然后对放大后的脉冲信号整形、分频，其次由单片机控制选择器选择分频通道，被选择的分频信号进入单片机，最后用单片机中的已知标准频率的信号去测量一个或几个已分频的被测信号的周期(见图1-1,以4分频为例)。在被测信号的一个或几个周期内,通过的标准信号的脉冲个数为N,则被测信号的周期TX如下计算1。 TX=T0N/m （1-1）其中m为分频数 图1-1 测频原理图标准信号周期 T0 =1/f0 （1-2）所以被测信号频率 fx =1/Tx=mf0/N （1-3）被测信号频率的相对误差： dfx/fx =dN/N+dfo/f0 (1-4) fx=N + f0 （1-5）即：fx=N + f0为被测信号的相对误差; N= dN/N =1/N为读数的相对误差,即量化误差;fo=df0/f0 为标准频率的相对误差,由石英晶体振荡器决定,石英稳定度达 ,所以相对误差很小。若不考虑标准频率的误差,则被测信号的相对误差为: (1-6)根据以上分析,被测信号的相对误差取决于N,N越大,被测信号频率的精度越高。由于标准信号f0不变,可采用对被测信号fx进行m分频的方法,来提高N,从而减小相对误差,提高被测频率的精度。3. 频率计设计任务及要求 利用常用IC,设计测量脉冲频率的计数器。集体要求如下：（1）设计5V直流稳压电源，作为系统供电电源。（2）测量脉冲频率范围：1HZ-10MHZ，分为三档测量：1HZ-100KHZ，10HZ-1MHZ，110HZ-10MHZ。测量脉冲幅度0-9V。（3）脉冲频率值用5位LED显示。（4）作品包装按测量仪器形式。4. 频率计的整体设计思想及设计框图4.1设计思想单片机中一般都设有定时计数器,如MCS-51系列的单片机片内有三个独立的16位定时计数器, 本设计是对被测信号进行10分频或100分频通过开关选择电路模块后送入单片机,由单片机内部时钟12分频的脉冲信号对其测量,将测量的结果,经过运算后通过LED数码管显示出来。本文设计的频率计就是基于上述设计思想从而实现测量的数字化、自动化、智能化。提高频率计的工作频率只能在硬件选材上下工夫。本文所设计的频率计,为了能实现对超高频的信号进行测频,保证测量的高精度,在硬件选材方面做如下选择:a. 选用了组合逻辑电路74LS160对输入的脉冲信号进行分频,其特点是设计简便，工作频率高。b. 选用了74LS139以及开关所组成的组合电路对频率计的档位进行选择。c. 单片机的12MHz晶振选用超高精度的晶体振子TCXO器件,它具有对温度进行自动补偿的功能,其稳定度可达3PPM。d. 单片机选用89C52,其片内有8KB的E2PROM、512B的RAM,故整个系统比较简单。4.2 整个电路的设计框图： Ui图2-1 系统结构框图5. 频率计主要硬件电路设计5.1系统的实现数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号是周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器系统实现包括硬件系统的实现和软件系统的实现。硬件系统三个电路单元和一个AT89C52单片机：软件系统设计的实现包括两个部分，主程序的设计和中断服务子程序的设计。软硬件的紧密配合，才能使频率计稳定、精确的工作。5.2硬件电路的设计硬件系统包括三个电路单元和一个单片机AT89C52。硬件系统的五个电路单元分别为：（1）分频处理电路，（2）多路开关，（3）单片机外围电路及显示电路。下面图3-1是系统的硬件电路图3。图3-1 系统的硬件电路框图下面分别对他们的作用和功能作简单的介绍。5.2.1分频处理电路前向通道的第一级电路即为分频处理电路。第一级采用十进制同步计数器74LS160,对输入的信号进行分频,从2个输出端输出的分别是对被测信号进行10和100分频,通过74LS153及两路开关与四选一选择器74LS139相连。5.2.2 多路开关前向通道的第二级电路即为多路开关电路，也就是四选一数据选择器。第二级电路是由CC74HC151构成的多路开关(见上图3-1),将数据选择器的输出端直接与单片机的外中断INT1相连,通道的控制信号A2、A1、A0与CPU的I/O端P3.2、P3.1、P3.0相连,根据对被测信号相对误差的要求,CPU给出对应的控制信号,选择相应的分频输入通道,被测信号通过INT1的引脚向CPU申请中断。5.2.3 单片机显示电路输出显示,本电路采用动态显示的方法。实际使用的LED显示器都是多位的。对多位LED显示器,通常都是采用动态扫描的方法进行显示,即逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮,但是由于人眼具有视觉残留效应,看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。为了实现LED显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段（字形代码）的输入之外，还要对显示器加位的控制，这就是通常所说的段控和位控。因此多位LED显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线（有小数点显示）；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的接口电路。P1 口作为字型口输出口,即段控口输出口，以P1.0P1.7输出段控线。以输出8位字形代码。P2口作为字位口输出口, 即位控口，以P2.0P2.5输出位控线。考虑到单片机端口的驱动能力,在字型口(P2口)的输出端加74LS244单向驱动电路。单片机显示电路见图3-1 系统的硬件电路图。5.2.4 6AT89C52单片机显示电路ATMEL的AT89C52是一种带有8K字节可电擦除电编程的只读存储器,高性能的8位CMOS处理器,可1000次循环写/擦,数据保留时间为10年右,512字节的内部RAM,32个可编程I/O线,3个16位的定时器/计数器,8个中断源,一个可编程串行通讯口，静态工作频率：0Hz-24MHz。在本设计中, 单片机有三个作用。第一,时钟设计第二,运算,将测量到的脉冲个数N,经过运算得到被测信号的频率;再将运算得到的十进制的结果转换成用于显示的BCD码。第三,将要显示的结果通过数码管显示出来2 图3-3 AT89C52的引脚排列管脚说明VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的底位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。6. 频率计软件设计6.1主程序的设计在主程序中先初始化各单元,T0工作在方式1(16位的定时/计数方式) , 无门控定时状态。INT1工作在中断状态、边沿触发方式, 设置各标志位。显示子程序执行一次需6ms,而显示次数决定显示器的刷新时间,显示结束后,将计算得到的结果转换成BCD码,送显示缓冲器,程序框图见下图3-3 开始 清缓冲单元、结果单元 初始化标志位 初始化定时计数器 设INT1为边沿触发开中断 设置显示次数 显示是否结束 调用显示子程序N 有测量结果YN Y 将结果转换成BCD码送显示缓冲器 清测量结束标志图3-4 主程序设计框图6.2中断服务子程序的设计第一次进入中断服务主程序后,对T0寄存器TH0、TL0清零,选择分频通道, 初始状态为D0通道(2分频)。启动定时/计数器T0(TR0=1),返回主程序。第二次进入中断服务子程序,首先停止计数(TR0=0),判断T0是否溢出,若溢出,则被测信号的频率低于设计频率,给出错标志,中断返回;否则判断相对误差是否达到要求,达到要求,根据公式fx=mf0/N计算出被测信号频率,中断返回;若达不到要求,则修改数据选择器控制信号的地址,选择D1通道(4分频),以此类推达到相对误差要求为止,CC74HC151的地址、通道与分频的关系见表1 ,该电路的设计最高分频是,若分频,还达不到要求,则被测信号的频率高于设计频率,给出错标志,中断返回。表3-1 CC74HC151的地址、通道与分频的关系6 A2 A1 A0 Y 分频0 0 0 D0 0 0 1 D1 0 1 0 D2 0 1 1 D3 1 0 0 D4 1 0 1 D5 1 1 0 D6 1 1 1 D7 显示子程序、计算被测频率及转换成BCD码子程序,较简单,这里不在讲述。下面是中断服务子程序的流程图。 开始测量是否结束 YN（F0）=0N停止计数TR0=0TH0 TLO清零 设置分频通道选择启动计数TR0=1Y低于设计频率 给出错标志T0是否溢出Y误差是否达到要求F0取反计算Y高于设计频率 给出错标志通道选择是否结束中断返回Y设置测量结束标志选择下一通道图3-5 INT1中断子程序框图7.被测信号的频率范围及其误差分析频率运算法在速度、流量、以及旋转加速度等物理量的测量上被广泛采用。频率运算方法，有定时计数法（测频法）、定数计时法（测周法）和同步计数计时法。本文结合实际，对这几种方法加以探讨，并且对主要误差源加以分析，进而描述改进方法和缩小误差的过程。测频法在测量上有1的误差，低速时误差较大；测周法也有1个时间单位的误差，在高速时，误差也很大。同步计数计时法结合了前两种方法的优点，在测量准确度上有了新的提高，并且又分出定时采集法和定脉冲采集法，虽然都运用同步计数计时法，但是又分别与早期的测频法和测周法相似，往往又被归类为测频法和测周法；至于归类的合理性问题，在此不做探讨。同步计数计时法在整个测量范围都达到了很高的精度，误差率在万分之五以上的频率测量仪表（转速表、流量表、频率计）基本都是这种方法。7.1所测频率最大值fmax测量最高频率时,选择D7通道m为256分频,标准信号的频率f0=fosc/12 ,是fosc系统的设计时钟频率为12MHz,则f0=1MHz。根据公式fxmax=mf0/N = 256KHz ,所以该系统的最高频率取250KHz。若要提高被测信号的频率,可提高m 的值即可。7.2所测频率最小值fmin该系统的最低分频是2分频(m =2),而单片机的定时/ 计数器T0工作在方式1,计数的最大值为,即NMAX = 65536。根据公式fxmin=mf0/N=31.5Hz,所以最低频率取为35Hz。若要降低下限频率,可记录定时/ 计数器T0溢出次数的方法来获得。从上面测频原理可看到，频率误差来自两个方面：脉冲个数，标准信号f0。被测信号频率的相对误差：dfx/fx =dN/N+dfo/f0 (4-1) fx=N + f0 (4-2)即: fx=N + f0为被测信号的相对误差; N= dN/N =1/N 为读数的相对误差,即量化误差;fo=df0/f0为标准频率的相对误差,由石英晶体振荡器决定, 石英稳定度达 ,所以相对误差很小。若不考虑标准频率的误差,则被测信号的相对误差为: (4-3)根据以上分析,被测信号的相对误差取决于N,N越大