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频率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 而且测量低频信号时不宜 直接使用 频率信号抗干扰性强 易于传输 可以获得较高的测量精度 同时 频率测量方 法的优化也越来越受到重视 并采用 AT89C51 单片机和相关硬软件实现 MCS 51 系列单片机具有体积小 功能强 性能价格比较高等特点 因此被广泛应用于工 业控制和智能化仪器 仪表等领域 我们研制的频率计以 89c51 单片机为核心 具有性能 优良 精度高 可靠性好等特点 实现一个宽频域 高精度的频率计 一种有效的方法是 在高频段直接采用频率法 低 频段采用测周法 一般的数字频率计本身无计算能力因而难以使用测周发 而用 89c51 单 片机构成的频率计却很容易做到这一点 对高频段和低频段的划分 会直接影响测量精度 及速度 经分析我们将 f 1MHz 做为高频 采用直接测频法 将 f 1Hz 做为低频 采用测 周期法 为了提高测量精度 我们又对高低频再进行分段 以 89C51 单片机为控制器件的频率测量方法 并用 C 语言进行设计 采用单片机智能 控制 结合外围电子电路 得以高低频率的精度测量 最终实现多功能数字频率计的设计 方案 根据频率计的特点 可广泛应用于各种测试场所 在基础理论和专业技术基础上 通过对数字频率计的设计 用十进制数字来显示被测信 号频率的测量装置 以精确迅速的特点测量信号频率 在本设计在实践理论上锻炼提高了 自己的综合运用知识水平 为以后的开发及科研工作打下基础 2 方案设计与初步论证 2 1 频率测量方法概述 频率测量方法 模拟法 数字法 直读法 比较法 电容充放电式 电子计数式 电桥法 谐振法 差频法 示波法 拍频法 李沙育图形法 测周期法 表 1 频率测量方法 直读法又称无源网络频率特性测量法 比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较 通 过观 听比较结果 获得被测信号的频率 电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器 充放电的次数 再用电磁式仪表测量充放电电流的大小 从而测出被测信号的频率值 电子 计数法是根据频率定义进行测量的一种方法 它是用电子计数器显示单位时间内通过被测 信号的周期个数来实现频率的测量 利用电子计数式测量频率具有精度高 测量范围宽 显示醒目直观 测量迅速 以及 便于实现测量过程自动化等一系列优点 所以下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种 方法 1 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 Fx Mx Tc 显然 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 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 Fx Mo Tx 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 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 Fx Mx ATo 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 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 Fx AMo Tx 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 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 Fx FoMx Mo M T 法在测高频时精度较高 但在测低频时精度较低 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 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 3 确定实验方案 3 1 可用实验方案介绍 3 1 1 方案 1 采用频率计模块 如 ICM7216 构成 原理框图如图 3 2 所示 特点是结构简单 量程 可以自动切换 ICM7216 内部带有放大整形电路 可以直接输入模拟信号 外部振荡部分选用一块高 精度晶振体和两个低温系数电容构成 10MHz 并联振荡电路 用转换开关选择 10ms 0 1s 1s 10s 四种闸门时间 同时量程自动切换 缓冲电路是为了让频率计采用记忆方式 即计数过程中不显示数据 待计数过程结束后 显 示测频结束 并将此显示结果保持到下一次计数结果 显示时间不小于 1s 小数点位置随量 程自动移动 芯片驱动电路输出 15mA 35mA 的峰值电流 所以在 5V 电源下可直接点 亮 LED 图 3 2 ICM7216 测频电路原理框图 3 1 2 方案 2 系统采用可编程逻辑器件 PLD 如 ATV 2500 作为信号处理及系统控制核心 完成包括计 数 门控 显示等一系列工作 该方案利用了 PLD 的可编程和大规模集成的特点 使电路大为简化 但此题使用 PLD 则 不能充分发挥其特点及优势 并且测量精度不够高 导致系统性能价格比降低 系统功能 扩展受到限制 原理框图如图 B 1 2 所示 3 1 3 方案 3 系统采用 MCS 51 系列单片机 8032 作为控制核心 门控信号由 8032 内部的计数定时 器产生 单位为 1 s 由于单片机的计数频率上限较低 12MhZ 晶振时约 500khz 所以需 对高频被测信号进行硬件欲分频处理 8032 则完成运算 控制及显示功能 由于使用了单 片机 使整个系统具有极为灵活的可编程性 能方便地对系统进行功能扩展与改进 原理框图如 B 1 3 所示 3 2 方案比较及确定 以上方案均需使用小信号放大 整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度 方案比较及选用依据 显然方案二要比方案一简洁 新颖 但从系统设计的指标要求上看 要实现频率的测量范 围 0 1Hz 10MHz 以频率下限 0 1Hz 比来说 要达到误差 0 01 的目的 必须显示 5 位的有效数字 而使用直接测频的方法 要达到达个测量精度 需要主门连续开启 1000S 由此可见 直接测频方法对低频测量是不现实的 而采用带有运算器的单片机则 可以很容易地解决这个问题 实现课题要求 也就是采用先测信号的周期 然后再通过单 片机求周期的倒数的方法 从而得到我们所需要的低频信号的测量精度 另外由于使用了 功能较强的 8032 芯片 使本系统可以通过对软件改进而扩展功能 提高测量精度 因此我 们选择采用方案三作为具体实施的方案 3 3 频率测量模块 对数字频率计电路各模块的实现有以下几种不同设计方案 对频率测量模块有以下四种实现方法 1 直接测频法 直接测频法是把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端 只有在闸门开通时间 T 以秒计 内 被计数的脉冲被送到十进制计数器进行计数 设计 数器的值为 N 由频率定义式可以计算得到被测信号频率为 f N T 3 9 经分析 本测量在低频段的相对测量误差较大 增大 T 可以提高测量精度 但在低频 段仍不能满足该题发挥部分的要求 2 组合法 直接测量周期法在低频段精度高 组合测频法是指在低频时采用直接测量周 期法测信号周期 然后换算成频率 这种方法可以在一定程度上弥补方法 1 的不足 但 是难以确定最佳分测点 且电路实现较复杂 3 倍频法 直接测频法在高频段有着很高的精度 可以把频率测量范围分成多个频段 使用倍频技术 根据频段设置倍频系数将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量 高频 段则进行直接测量 4 高精度恒误差测频法 通过对传统的测量方法的与研究 结合高精度恒误差测量原理 我们设计里一种测量精度与被测频率无关的硬件测频电路 本方法立足于快速的宽位数高 精度浮点数字运算 图 3 4 预置门控信号图 如图 3 4 所示 预置门控信号是一个宽度为 Tpr 的脉冲 CNT1 CNT2 是两个可控计 数器 标准频率信号从 CNT1 的时钟输入端 CLK 输入 其频率为 Fs 经整形后的被测信 号从 CNT2 的时钟输入端 CLK 输入 其频率为 Fxe 测得 Fx 当预置门控信号为高电平时 经整形后的被测信号的上升沿通过 D 触发器的 Q 端同时 启动计数器 CNT1 CNT2 CNT1 CNT2 分别对整形后的被测信号 频率为 Fx 和标准频 率信号 频率为 Fs 同时计数 预置门信号为低电平时 经整形后的被测信号的一个上升沿 将使这两个计数器同时关闭 设在一次预置时间 Tpr 中对被测信号计数值 Nx 对标准频率信号的计数值 Ns 则下式 成立 F x Nx Fs Ns 推得 Fx Fs Ns Nx 相 2 N F F 从误差分析中可以看出 其测量精度为 Ns 和标准频率精确度有关 而与被测频率无 关 显然 Ns 决定于预置门时间和标准频率信号的频率 其关系式如下 Ns Tpr Fs 如果采用频率为 60 MHz 的晶体振荡器 则有 1 s 若顶置门时间 Tpr o 1s 则 Ns 0 1 60000000 6000000 1 6 10 6 可见 在整个测量范围内 精度比赛题发挥部分的要求高一个数量级 若采用更高频串的 晶体振荡器或适当延长顶置门时间 精度则会更高 以上四种方法中 倍频法虽然在理论上可以达到很高的精度 但在低频段 就目前常 规的锁相器件而言 锁相电路工作性能不理想 频率小于 looHz 时甚至不能工作 前三种方法本质上都是立足于频率基本定义 没有摆脱传统的测量方法的局限 从下 文的详细论述中可以看出 用方法 4 可以用单片机程序方便地完成宽位浮点数的数学运算 实现高精度测量 基于上述论证及第二部分中详细的理论分析 我们拟选择方法 4 3 4 周期测量模块 1 直接周期测量法 用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路 使主门开放时间等于信号周期 Tx 时标为 Ts 的脉冲在主门开放时间进入计数器 设 T 为被 测周期 Ts 为时标 在 Ts 期间计数值为 N 可以根据以下公式来算得被测信号周期 Tx NTs 3 15 经误差分析表明 被测信号频率越高 测量误差越大 采用对多个周期进行计数取平均值的方法虽可提高精皮 但如果要达到赛题要求 测 量频率为 0 1Hz 信号时 每测一次至少要等待 1000s 显然是不可取的 2 高料度恒误差周期测量方法 本方法在测量电路和测量精度上与高精度恒误差频率 测量完全相同 只是在进行计算时公式不同 用周期 T 代换高精度恒误差频率测量公式中 的频率因数即可 计算公式为 Tx Ts Ns Nx 3 16 式中 Tx 为被测信号周期的测量值 Ns Nx 分别与 1 2 式中的 Ns Nx 含义相同 从降低电路的复杂度及提高招度上考虑 显然方法 2 远好于方法 1 方法 2 的测量电 路完全可以使用高精度恒误差频率测量电路 o 3 5 脉冲宽度测量模块 在进行脉冲宽度的测量时 首先经信号处理电路进行处理 限制只有信号的 50 幅度 及其以上部分才能输入数字测量部分 脉冲边沿被处理得非常陡峭 然后送入测量计数器 进行测量 测量电路在检测到脉冲的上升沿时打开计数器 在下降沿时关掉计数器 由下式 Twx Nx Fs 3 17 可知计数值既为测得的脉冲宽度 3 6 周期脉冲信号占空比测量模块 测一个脉冲信号的脉宽 记其值为 Twx1 信号反相后 再测一次脉宽并记录其值 Twx2 通 过以下公式汁算 占空比 Twx1 Twx1 Twx2 100 3 18 3 7 标频发生电路 本模块采用高频率稳定度和高精度的恒温可微调的晶体振荡器作标频发生电跃 3 8 小信号处理部分 小信号处理部分受限于宽带放大器的性能 放大电路需要附有高速整形电路 有以下几种 方案 1 采用分立元件 使用场效应管做输入级 以提高输入阻抗 用截止频率 1000 的三 极管如 9018 做放大级 由于电路复杂 要调节部分较多 且一致性差 故不采用 2 采用运算放大器 电路简洁 但因为与 TTL 电平接口而另需电平移位电路 并且要 用运放做一高速宽带放大器 市场上难以买到高速运放 应用受到了限制 3 立接采用比较器 采用比较器可以简单地完成设计 采用高速比较器 LM361 可以 处理高达 10 MHz 的插入信号 LM961 有低输入失调电压和电压范围灵活等特点 响应时 间最大仅 20ns 输出电平可与 TTL 电平相匹配 综合考虑 本部分电路采用方案 3 比较器输入易受干扰 因此电路上采用净化电源 并合理安排地线 经最后实测 输入灵敏度 4mV 左右 完全满足小信号测量的需要 4 硬件系统实现 系统电路原理框图如 4 1 图所示 因输入信号为脉冲信号 所以直接将信号送入 AT89C51 单片机计数 但为了增强抗干扰能力及实现对非标准脉冲信号的测量 因此利用 试密特触发器 74LS132 进行整形 图 4 1 系统电路原理框图 5 软件系统实现 该方案主要利用 89C51 内部的定时器和数据处理 其程序设计相应软件包括 主程序 数据处理 显示主程序等 主程序流程图如 5 1 图所示 图 5 1 主程序流程图 6 基本测量原理与理论误差分析 6 1 高精度恒定误差频率 周期测量技术 频率测量误差分析及其公式推导如下 1 量化误差 设测得频率为 Fx 被测频率真实值为 Fxe 标准频率为 Fs 在一次测量中预 置门时间为 Tpr 被测信号计数值为 Nx 标推频率信号计数值为 Ns Fx 计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的 在 Tpr 时间内对 Fx 的计数 Nx 无误 差 在此时间内 Fs 的计数从 Ns 最多相差一个脉冲 即 et 1 6 1 而 Fx Nx Fs Ns 6 2 Fex Nx Fs Ns et 6 3 由上式可得 Fx Fs Ns Nx 6 4 Fxe Fs Ns et Nx 6 5 根据相对误差公式有 Fxe Fxe Fxe Fx Fxe 6 6 由上式得 Fxe Fxe t Ns 6 7 因为 et 1 6 8 所以 et Ns 1 Ns 6 9 即 Fxe Fxe 1 Ns 6 10 Ns Tpr Fs 6 11 由上式可以得出以下结论 相对测量误差与频率无关 增大 Tpr 或提高 Fs 可以增大 Ns 减少测量误差 提高测量精度 2 标准频率误差 标准频率误差为 Fs Fs 因为晶体的稳定度很高 标准频率误差可 以进行校准 相对于量化误差 校准后的标准频率误差可以忽略 3 分变率误差分析 先由单片机给出闸门开启信号 此时计数器并不计数 而是等到被测信号的上升沿到来 时 才开始计数 然后 两组计数器分别对被测信号和时标脉冲计数 当单片机给出闸门关闭 信号后 计数器并不立即停止计数 而是等到被测信号下降沿到来的时刻才结束计数 完成 一次测量过程 可以看出 实际闸门与设定的闸门并不严格相等 但最大差值不超过被测信 号的一个周期 设被测信号的计数为 NX 对时标的计数为 N0 时标频率为 f0 闸门时间为 则被测 信号频率为 fx foNx No 6 12 计数器的开闭与被测信号是完全同步的 即在实际闸门中包含整数个被测信号的周期 因 而不存在对被测信号计数的 1 个字误差 由式 微分可得 dfx NxfodNo N02 6 13 dN0 1 6 14 Nx fx 6 15 相对误差为 e fX fX NX NX N0 N0 f0 f0 6 16 式 5 中前两项分别表示计数器 T0 和计数器 T1 的误差 第三项为频率准确度 由于计 数是在相关同步门控时间 内完成的 即由待测信号同步控制 因此同步门控 与计数器 T1 的计数脉冲相关 且 T Tx 的比值 Nx 为整数 故被测信号计数值不存在计数误差 而计数 器 T0 对时标的计数 由于门控 的启闭时刻的随机性及 T T0 之比值 N0 为非整数 T0 为时标周期 在门控 的启闭时刻分别有时间零头 T1 和 T2 无法计入 故存在 1 误差 当忽略频率准确度误差时 多周期同步法测频的最大误差为 em 1 N 1 f0 6 17 由式 6 可以看出 测量分辨率与被测信号频率的大小无关 仅与闸门时间及时标频率 有关 即实现了被测频带内的等精度测量 闸门时间越长 时标频率越高 分辨率越高 6 2 预置门时间信号与闸门时间信号 预置门的概念与传统的闸门的概念是不同的 预置门是指同时启动或停止标准频率信 号计数器和被测信号计数器的门控信号 硕置门的概念用于高精度恒定误差测频 测周期 方法中 并称预置门的时间宽度为预置门时间 高精度恒定误差测频方法测量精度与预置门时间和标准频率有关 与被测信号的频率 无关 在预置门时间和闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下 高精度恒误差额率测 量法的测量精度不变 而直接测频法精度随着被测信号频率的增加而接近线性地增大 6 3 高精度恒误差周期测量方法 分析思路和结果均与对高精度恒误差频率测量相似或相同 6 4 脉冲宽度测量理论误差分析 根据方案中的脉冲宽度测量方法 分析脉宽测量误差 设被测信号脉宽为 Twxe 标准频率信号频率为 Fs 则脉冲宽度的测量值为 Twx Nx Fs 6 18 在一次测量中 对标准频率信号的计数值 Nx 可能产生 1 个标准频率信号周期的计数 误差 则脉宽测量相对误差为 Twx Twx 1 Fs Nx Fs 1 Nx 6 19 其中 Nx Twx Fs 可以看出 在 Fs 一定时 脉宽越小 误差越大 当 Twx 100 s Fs 60MHz 时 Nx 6000 则有 Twx Twx 1 6000 0 17 6 5 周期脉冲信号占空比测量误差分析 使用第一部分中所述的占空比方法 根据误差合成原理 周期测量相对误差最大恒等 于脉冲宽度测量相对误差 在标准频率为 60MHz 被测频率 1kHz 即周期为 0 001s 时 设其占空比为 10 如果 要满足题日部分要求 由脉冲宽测量相对误羌公式计算出的相对误差应小于 1 0 001 10 60 106 1 6000 0 17 实际精度完全可以超过这个要求 7 7 系统设计与电路分析 7 1 稳压电源设计 本项设计要求的电源 12V 12v 5v 稳压电源 在进行电源设计时 功率交流输 入端加一级电源滤波器 以降低工频频率干扰 7 2 测量控制电路 单片机 AT89C51 完成整个测量电路的控制和数据处理 两片 Dpl5H016 完成计数器功 能 键盘信号由 AB9c51 进行处理 AT89C51 从 ispLSI1016 读回计数数据进行高精度浮点 运算 并向显示电路输出测量结果 电路如图 7 1 所示 图 7 1 测量控制电路 7 3 输入信号处理部分 为测量小侍号 需要在输入端加前置信号处理电路 将小信号放大后送入整形电路 7 4 小信号处理部分 电路如图 7 2 所示 在调试中发现 LM361 的输出在零瞬间有些毛刺 在输出与地间并 联一只 100Hz 瓷片电容消除了毛刺 且处理后的波形仍较陡峭 本部分电路抗干扰能力也 很强 图 7 2 LM361 信号电路 7 5 标准频率方波发生电路 本设计采用 60Hz 的晶体振荡器产生标准频率方波信号 频标 供数字测量电路使用 晶 体振荡器采用恒温晶振 稳定度为 2 0 107 24 小时 7 6 显示器电路 显示器电路采用 7SEG LED 显示器 因为本设计用高精度恒误差的频率和周期测试方法 预置门时间为 1 5s 在标准频率 信号为 60MHz 的情况下 根据上文讨论的高精度恒误差的频率和周期测试方法相对误差 计算公式可以算出测量精度为 1 1 5 60 106 1 1 10 8 即能够显示接近 8 位有效数字 所以 电路中采用了 8 位 LED 显示器 7 7 实际数字测量部分 本题目要求测量功能模块较多 题目中要求的被测信号以及标准频率信号为 1MHz 发 挥部分要求为 10MHz 高频信号之间的信号干扰非常强 在方案实现过程中要求处处考虑 到干扰问题 减少布线的复杂度 本设计拟定计数器所采用电路中的两个计数器应不低于 60MHz 我们选用 LATTICE 公司高速 ispLSI 器件 在系统可编程大规模集成电路 在一片 ispLSI 器件中可以完成一个或多个模块的设计 大大降低了电路复杂度 减少引线信号间 的干扰 提高电路的可靠性 稳定性 鉴于本题目要求测量功能模块较多 我们采用两片 工作频率为 60MHz 的 ispLSI1016 60 器件 采用在系统可编程逻辑器件来设计测量功能模块电路 在具体实现过程中我们将以下模块做在两片 ispLSI1016 器件中 a 频率测量模块 b 周期测量模块 c 脉冲宽度测量模块 d 脉冲占空比测量模块 e 自校电路 8 图 7 3 ispLSI 电路原理图 各模块电路详细设计如下 1 频率测量与周期测量电路 因为本设计采用高精度恒误差频率测量法与高精度恒误 差周期测量法 这两种方法使用的电路完全相同 所以在方案实现中 频率测量与周期测 量用同一电路 只是单片机运算部分算法不同 频率测量与周期测量电路由前图中的控制信号及以下三个子模块所构成 a CONTRL 本模块的控制部分 主要接收单片机的指令 控制计数器 CONT1 CONT2 b CONTl 对由被测信号整形后形成的脉冲进行计数 c CONT2 对标准频率信号进行计数 根据高精度恒误差频率和周期测量原理 本模块电路按以下方式进行工作 经整形后 被测信号脉冲从 CONTRL 的 FIN 端输人 标准频率信号从 CONTRL 的 FSD 端输入 CONTRL 的 CLK 输入端是本模块电路的工作初始化信号输入端 在进行频率或周期测量 时 进行以下几步 a 在 CONTRL 的 CLR 端加一正脉冲信号以完成测试电路状态的初始化 b 由预置门控信号将 CONTRL 的 START 端置高电平 预置门开始定时 同时出被测 信号的上升沿打开计数器 CONT1 并使标准频率信号进入计数器 CONT2 c 须置门定时结束信号把 CONTRL 的 START 端置为低电平 这位在被测信号的下一 个脉冲的上升沿到来时 CONTl 停止计数 同时输入 CONT2 的标准频率信号被关断 d 控制部分 CONTRL 的 EEND 端输出低电乎来指示测量计数结束 单片机读回 CONTl 和 CONT2 的计数值 根据高精度恒误差测量公式进行浮点运算 计算出被测信号 的频率或周期值 2 控制部分设计 控制部分原理图如图 7 4 所示 图 7 4 控制设计电路图 当 D 触发器的输入端 START 为高电平时 在 FIN 端来一个上升沿时 Q 端为高电平 导通 FIN CLK1 和 FSD CLK2 同时 EEND 被置为高电平 在 D 触发器的输入端 START 为低电平时 当 FIN 端输入一个脉冲上升沿 FIN CLK1 和 FSD CLK2 的信号 通道披切断 计数器 CONT1 是用 8 个四位并行二进制计数器按行波计数器原理所构成的 32 位二进 制计数器 输出 8 位数据总线 分 4 次将 32 位数据全部读出 CONT1 的设计是用 ABEL 语言实现的 ispLSI1016 器件在结构上是由 16 个 GLB 所构成 每个 GLB 中含有四个可配置的触发 器 对应着 GLB 的四个输出端 根据 GLB 的结构及我们的设计经验 四位并行二进制 计数器在 ispLSI 中的布线是最优的 我们在 EDA 设计中严格采用模块设计法 总体设计采用原理图输入方式 每个子模 块都采用 ABEL 语言描述 3 脉冲宽度测量和占空比列量电路 本模块的电路设计在 ispLSIl016 中 根据第二部分所述的脉宽副量原理 设计电路原理图如下所示 图 7 5 脉冲测量宽度和占空比测量电路 输入到本模块的被测量信号是经过信号处理电路处理后的被测信号 该信号的上升沿和 下降沿信号对应于未经处理时的被测信号的 50 幅度时上升沿和下降沿信号 信号从 FIN 端输入 CLR 为本模块电路的工作初始化信号输入端 START 为本电路 的工作使能端 PUL 端输出如图中所示 GATE 的输入端 PUL 测量脉冲宽度采用以下几步 a 向 CONTRL2 的 CLR 端送一个脉冲以进行电路的工作状态初始化 b 将 GATE 的 CNT 端置高电平 表尔进入脉冲宽度测量 这时 CONT2 的输入信号为 PUL unsigned char code dispcode 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x00 0 x40 unsigned char dispbuf 4 0 0 10 10 unsigned char temp 4 unsigned char dispcount unsigned char T0count unsigned char timecount bit flag unsigned long x void main void unsigned char i TMOD 0 x15 TH0 0 TL0 0 TH1 65536 4000 256 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 i 4 i temp i 0 i 0 while x 10 temp i x 10 x x 10 i temp i x for i 0 i 6 i dispbuf i temp i timecount 0 T0count 0 TH0 0 TL0 0 TR0 1 void t0 void interrupt 1 using 0 T0count void t1 void interrupt 3 using 0 TH1 65536 4000 256 TL1 65536 4000 256 timecount if timecount 10 TR0 0 timecount 0 flag 1 P0 dispcode dispbuf dispcount P2 dispbit dispcount dispcount if dispcount 4 dispcount 0 10 小论 本文的工作基础是应用单片机设计的数字频率计 利用 C 语言进行单片机应用系统数 字频率计的设计 不仅编程简单 精度高 而且避免了汇编语言在进行乘除法运算时要考 虑采用浮点运算的要求 与汇编语言相比编程语句大大减少 数字频率计的软件均经过测 试 并进行了误差分析 频率的测量范围从 1Hz 到 1MHz 具有一定的实用价值 信号频率测量仪信号频率测量仪 院系 电气与信息工程学院院系 电气与信息工程学院 设计人 胡梦滢设计人 胡梦滢 李莲李莲 李进中李进中 目录目录 一 一 设计题目及摘要设计题目及摘要 二 二 引言引言 三 三 方案设计方案设计 四 四 优选方案详述优选方案详述 一一 基本设计原理 基本设计原理 二 二 信号频率测量仪单元电路与分析 1 待测信号产生电路 2 整流电路 3 倍压电路 4 时基电路 5 标准 4MHz 信号产生电路 6 放大与整形电路 7 闸门 8 计数锁存及译码电路 9 逻辑控制电路 10 测周期小数点控制电路 11 发挥部分 五 五 结论结论 六 六 附录附录 一 设计题目及摘要一 设计题目及摘要 数字显示 信号源频率测试仪 一 任务 设计并制作一个信号频率测量仪 示意图如图 2 如示 二 设计要求 基本要求 1 自制被测信号源 可以输出正弦波 方波 三角波 2 频率测量范围 1kHz 100kHz 测量误差 1 3 具有十进制数字显示功能 发挥部分 1 扩展频率测量范围 1Hz 1MHz 测量误差 0 1 2 具有周期测量功能 3 其它有益附加功能 三 摘要 频率计又称频率计数器 是一种用十进制数字显示被测量信号频率的数字 测量仪器 其基本功能是测量外加的正弦信号 方波信号 三角波信号 尖脉 冲信号以及其他各种周期性信号单位时间内的变化量 本次设计用直接测频法 即用计数器计算输入信号 1 秒内脉冲的个数 此时我们称闸门时间为 1 秒 它 是由模块电路组成 包括各种集成块 逻辑器件 简单的电子器件构成的简易 数字频率计 本设计用了扩展电路 可以扩大频率的测量范围 以更广泛的应 用于实际 四 关键词 信号频率测量仪 集成电路 放大整形 锁存器 单稳态触发器 译码电路 二 引言二 引言 信号频率测量仪 是一种用十进制数字显示被测量周期信号频率的数字测 量仪器 频率是周期信号在单位时间 1s 内变化的次数 如果能在一定的时 间内对信号的波形变化进行计数 并将计数结果显示出来 就能读取被测信号 的频率 数字频率计必须先获得相对稳定和准确的时间 同时将被测信号转换 成幅度与波形均能被电路识别的脉冲信号 然后通过计数器计算这段时间间隔 内的脉冲个数 将其换算后显示出来 本次设计基本频率测量范围采用直接测频法 即用计数器计算输入信号 1 秒内脉冲的个数 并通过七段数码管直接显示出信号频率 而低频段通过测量 周期达到频率测量的目的 信号频率测量仪主要由以下几部分构成 时基电路 高频标准脉冲发生器 待测信号放大整形电路 输入电路 计数显示电路以及控制电路 在一个测量 周期过程中 被测周期信号经过放大 整形后形成特定周期的矩形脉冲被计数 器进行脉冲个数计数 在该设计的基本频率测量部分中 采用闸门时间为 1 秒 闸门时间越长 得到的频率值就越准确 但闸门时间越长则每测一次频率的 间隔就越长 闸门时间越短 测的频率值刷新就越快 但测得的频率精度就受 到影响 在该设计的低频测量部分中 将高频标准脉冲接入闸门 通过待测信 号控制闸门开关 标准时基信号做计数脉冲 通过测的信号的周期 Tx然后计算 fX 1 Tx得到 拓展部分我们设计了超量程报警单元 三 方案设计三 方案设计 通过在图书馆及上网查阅型关资料 并结合自己在大二学过的模拟电路 数 字电路的基本知识 我想出了以下方案来实现该系统功能 方案一 双计数器多周期同步测量法 双计数器多周期同步法频率测量 就是将预置的时间信号和被测信号同时输 入到同步电路 在同步信号输出端得到一个闸门信号 闸门信号同时控制闸门 A 和闸门 B 的开启和关闭 在相同的闸门开启时间内 两个计数器分别对标准 信号和待测信号进行计数 假设由计数器 A 计得的数为 NS 计数器 B 记得的数 为 NX 则有 N NS S T TG Gf fS S 1 1 N NX X T TG Gf fX X 2 2 由式 1 2 得 F FX X N NX Xf fS S N NS S 根据上式计算可得被测信号频率值 方案二 直接测量与间接测量结合法 由于设计对测量范围和精度的规定 基本测量范围 1kHz 100kHz 误差 1 拓展频率测量范围 1Hz 1MHz 误差 0 1 如果仅采用直接测量的方 法 则测量出来的低频信号误差较大 不能满足要求 所以采取直接测量与间 接测量相结合的方法 对于较低频信号 1Hz 1kHz 将高频标准脉冲接入闸门 通过待测信号 控制闸门开关 标准时基信号做计数脉冲 通过测的信号的周期 Tx然后计算 fX 1 Tx得到 对于高频信号 1kHz 1MHz 采用闸门时间为 1 秒 闸门时间越长 得到 的频率值就越准确 但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长 闸门时间 越短 测的频率值刷新就越快 但测得的频率精度就受到影响 优选方案 由于方案一需经过计算才能得到待测信号的频率 而且误差不易控制 而 方案二虽然电路结构会相对复杂 但可以确保所得结果的精确度 故本次设计 选用方案二 四 优选方案详述 一 信号频率测量仪的基本设计原理 1 系统框图及简要分析 由设计任务书上的要求 可设计如下系统电路框图 见图一 图一 对各电路框图作如下说明 1 时基电路是指用来产生一个标准信号 1s 的标准时间信号由定时器 555 构 成的多谐振荡器产生 4MHz 的标准高频脉冲由一个晶振电路产生 2 波形的放大和整形是指将待测信号放大和整理成方波 3 闸门电路是指利用较低频率的信号控制闸门开关以输出计数脉冲 4 计数器是对计数脉冲的高电平进行计数 5 锁存器是对计数器输出的数值进行锁存 6 译码显示部分是指用集成的译码显示器及数码显示管构成的一个译码显示 电路 2 设计技术参数 1 测量信号幅值范围 0 5 5V 2 显示方式 六位十进制数码管显示 3 测量范围及误差 1kHz 100kHz 误差 1 1Hz 1MHz 误差 0 1 4 测量响应时间 1 秒 二 信号频率测量仪单元电路与分析 1 待测信号产生电路 设计要求自制信号源 可以输出正弦波 方波 三角波 故选用精密函数发 生器 ICL8038 电路接法如图二 图二 ICL8038ICL8038 功能特性简介功能特性简介 ICL8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路 只需调整个别的 外部组件就能产生从 0 001HZ 300kHz 的低失真正弦波 三角波 矩形波等脉 冲信号 输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制 另外由于该芯片 具有调频信号输入端 所以可以用来对低频信号进行频率调制 ICL8038 的引 脚图如图三 图三 2 整流电路 由于电子元件的工作电压通常为 5V 左右的直流电压 故需要一个整流电路 将 220V 的交流电调整为 5V 的直流电压输出作为电源供给整体电路 图四即为 该信号频率测量仪的整流电路 图四 3 倍压电路 由于选用的电子元器件的工作电压分别为 5V 和 10V 而整流变压器产生的 直流电压为 5V 故需要一个倍压芯片实现倍压 本设计选用的芯片是 MAX660 见图五 图五 4 时基电路 时基电路的作用是产生一个标准时间信号 高电平持续时间为 1 秒 可以 由定时器 555 构成的多谐振荡器产生 当标准时间的精度要求较高时 应通过 晶体振荡器分频获得 若振荡器的输出波形如图一中的波形所示 其中 t1 1s t2 0 25s 根据公式 t1 0 7 R1 R2 C t2 0 7R2C 由此可算出电阻 R1 和 R2 及电容 C 的值 见下图六 图六 5 标准 4MHz 信号发生电路 此电路产生的标准高频信号用于测量待测信号的周期 同时若测低频信号时依旧采用 555 定时器产生的标准时间信号 高电平持 续时间为 1s 控制闸门的开关 会导致较大误差 无法保证则的数据的精确度 故在测量低频信号时我们选择采用先测量信号的周期 再利用公式 fX 1 Tx计算 得到待测信号的周期 这就需要一个新的标准高频脉冲信号作为计数信号 并 利用待测信号的高电平控制闸门开关 标准 4MHz 信号发生电路如下图七 a 有高频等效电路图可看到 V1 管 的 c e 极之间有一个 LC 回路 其谐振频率为 f MHz0 4 10330107 42 1 126 所以在晶振工作频率 5MHz 处 此 LC 电路等效为一个电容 可见 这是一 个皮尔斯振荡电路 晶振为等效电感 容量为 5 35pF 的可变电容起微调作用 使振荡器工作在晶振的标称频率 4MHz 上 图七 6 放大与整形电路 放大整形电路由晶体管 3DG100 与 74LS00 等组成 具体电路见图八所示 其中 3DG100 组成放大器将输入频率为 fx 的正弦信号 三角波信号 方波信号 等周期信号进行放大 而与非门 74LS00 则可以构成施密特触发器 它对放大器 的输出信号进行整形 将其调整为矩形脉冲送入闸门 图八 7 闸门 所谓闸门就是一个与非门 即使用频率较小的信号的高电平控制闸门的开 关 从而在单位时间内输出相应的计数脉冲 如下图八 图八 8 逻辑控制电路 如图一 b 所示波形在计数信号 II 结束时产生锁存信号 IV 锁存信号 IV 结 束时产生清 0 信号 V 脉冲信号 IV 和 V 可由两个单稳态触发器 74LS123 产 生 他的脉冲宽度邮电路的时间常数决定 设锁存信号 IV 和清 0 信号 V 的脉冲宽度 tw相同 吐过要求 tw 0 02s 则得 tw 0 45RextCext 0 02 若取 Rext 10k 则 Cext tw 0 45Rext 4 4 F 由 74LS123 的功能可得 当 1 1B 1 触发脉冲从 1A 端输入时 在触发 D R 脉冲的负跳变作用下 输出端可获得一负脉冲 其波形关系正好满足图一所Q1 示的波形 IV 和 V 的要求 手动复位开关 S 按下时 计数器清零 用 74LS123 1 的 1Q 高电平输出接锁存器的 CP 使能端 上升沿触发锁存 1低电平输出脉冲作为 74LS123 2 的触发脉冲 74LS123 2 2低电平QQ 输出端 用于控制计数器的清零 这样计数器的清零脉冲就较锁存器的使能信 号有一定延时 如图九 图九 74LS123 简介 74LS123 为两个可以重触发的单稳态触发器 共有 54 74123 和 54 74LS123 两 种线路结构形式 七主要电特性的典型值如下 型号输出脉冲宽度 PD CT54123 CT7412345ns 230mW CT54LS123 CT74LS123116ns 60mW 123 的输出脉冲宽度 twQ有三种方式控制 一是通过选择外定是原件 CEXT和 RT 值来确定脉冲宽度 二是通过正触发端 A 或负触发端 B 的重触发延长 tWQ 三是通过清除端 CLR 的清除使 tWQ缩小 管脚图如下图十 图十 九 计数锁存及译码电路 从闸门输出的计数脉冲送入已连成十进制计数器计数器的 74LS390 的 CP0 端 计数器的输出接锁存器 74LS273 锁存后的信号经七段译码器送入七段数 码管并显示出计数数值 连接电路见图十一 图十一 74LS390 简介 74LS90 功能 十进制计数器 2 和 5 原理说明 本电路是由 4 个主从触发器和用作除 2 计数器及计数周期长度 为除 5 的 3 位 2 进制计数器所用的附加选通所组成 有选通的零复位和置 9 输 入 为了利用本计数器的最大计数长度 十进制 可将 B 输入同 QA 输出连 接 输入计数脉冲可加到输入 A 上 此时输出就如相应的功能表上所要求的那 样 LS90 可以获得对称的十分频计数 办法是将 QD 输出接到 A 输入端 并把输入 计数脉冲加到 B 输入端 在 QA 输出端处产生对称的十分频方波 引脚图见图 十二 图十二 74ls273 简介 74LS273 是 8 位数据 地址锁存器 他是一种带清除功能的 8D 触发器 下 面我介绍一下他的管脚图功能表等资料 1 1 脚是复位 CLR 低电平有效 当 1 脚是低电平时 输出脚 2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 全部输出 0 即全部复位 2 当 1 脚为高电平时 11 cp 脚是锁存控制端 并且是上升沿触发锁存 当 11 脚有一个上升沿 立即锁存输入脚 3 4 7 8 13 14 17 18 的电平状 态 并且立即呈现在在输出脚 2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 上 其引脚图见下图十三 图十三 10 测周期小数点控制电路 由于测周期得到的脉冲计数需经过处理才能的到正确的数字 例如待测信 号的频率是 100Hz 用于周期测量的高频计数脉冲为 1MHz 在一个闸门打开所得 的脉冲数为 10k 而 100Hz 的信号周期为 0 01s 所以 测周期时应保持最高位 数码管的小数点常亮 在此我设计了一个双刀双掷开关 当标准信号输入为 1s 时 接小数点控制端的一段悬空 当标准信号接 1MHz 时 小数点控制端接高电 平 5V 原理如下图十四 图十四 11 发挥部分 超量程报警 本电路采用 6 位数字显示 最高显示为 999999 因此 超过 999999 就应 该报警 即当最高位达到 9 即 1001 时 如果次高位上再来一个时钟脉冲 即进位脉冲 就可以利用此来控制蜂鸣器报警 电路如下图十五 图十五 五 结论 本次对频率测量仪的设计基本满足了设计对量程 精度和具有测量周期功 能的要求 并附加了超量程报警功能 该设计我较为不满意的是对于低频信号频率的测量 由于本设计对低频信 号频率的测量是通过测周期实现的 即用大测信号的高电平来控制闸门的开关 得到的脉冲数经过处理在七段数码管上显示的到的是周期数据而非频率 为了 得到频率信号 必须手工计算 再者 测周期的标准信号我选用的是 1MHz 的高频脉冲 这与拓展量程的 上限一致 就导致测量高频信号周期时 存在较大误差 但由于时间有限 设 计题目对拓展量程范围的周期测量精度也无具体要求 就没有进行进一步的完 善与修改 经过本次设计 我们初步掌握了电子 电路设计的基本方法与思路 根据 设计电路的任务与指标初选电路 经过查阅资料与研究 进行相关数据计算 最后确定优选方案 另外 我们对于一些元件和电路的构成又有了进一步的了 解 巩固了常用电子器件的正确使用方法 进一步熟悉芯片的结构 了解了多 种芯片的工作原理与使用方法 更重要的是我提升了通过查找资料来填补知识漏洞的能力 经过本次的电 路设计 使我们逐步树立正确 严谨的学习态度 并注重理论联系实际 为以 后实践性学习打下良好基础 现阶段我们学到的知识还是很有限的 需要通过 不断地学习与积累才能不断地进步 所以在以后的学习过程中 我们应该更加 明确自己的目标 在专业知识的学习中得到更大的收获 附录 一 一 部分电子元件清单 元件名称元件名称用途用途个数个数 ICL8038 产生待测信号 1 MAX660 倍压输出 1 555 定时器产生高电平为 1S 的标准信号 1 5MHz 晶体振荡器产生 4MHz 标准信号 1 74LS390 十进制计数 6 74LS273 8 位数据 地址锁存 3 74HC4511 七段译码器 6 74LS123 可以重触发的单稳态触发器 2 二 参考文献 1 康华光等编著 电子技术基础数字部分 第五版 高等教育出版社 2 康华光等编著 电子技术基础模拟部分 第五版 高等教育出版社 3 陈振官等编著 数字电路及制作实例 国防工业出版社 4 周冰航 蔡明生等编著 数字电路实验与设计 湖南大学出版社 5 陈永甫编著 数字电路基础及快速识图 人民邮电出版社 6 包亚平等编著 数字逻辑设计与数字电路实验技术 中国水利水电出版社 知 识产权出版社 7 高吉祥 主编 电子技术基础实验与课程设计 电子工业出版社 8 肖果和编著 实用报警电路 300 例 北京 中国电力出版社 9 韩广兴等编著 电子元器件与实用电路基础 北京 电子工业出版社 10 杨帮文编著 新型集成器件实用电路 北京 电子工业出版社 11 郁