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电子技术课程设计 辽宁石油化工大学职业技术学院 设计题目 简易数字频率计设计 目录 任务书题解部分测量方法的分析与比较多周期同步测量法 倒数计数器法 双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现电路结构图 任务书 一 任务设计并制作一台数字显示的简易频率计 二 要求1 基本要求 1 频率测量a 测量范围信号 方波 正弦波幅度 0 5V 5V 注 频率 1Hz 1MHzb 测试误差 0 1 任务书 续 2 周期测量a 测量范围信号 方波 正弦波幅度 0 5V 5V 注 频率 1Hz 1MHzb 测试误差 0 1 任务书 续 3 脉冲宽度测量a 测量范围信号 脉冲波幅度 0 5V 5V 注 脉冲宽度 100 sb 测试误差 0 1 任务书 续 4 显示器十进制数字显示 显示刷新时间1 10秒连续可调 对上述三种测量功能分别采用不同颜色的发光二极管指示 5 具有自校功能 时标信号频率为1MHz 6 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源 任务书 续 2 发挥部分 1 扩展频率测量范围为0 1Hz 10MHz 信号幅度 0 5V 5V 注 测试误差降低为0 01 最大闸门时间 10s 任务书 续 2 测量并显示周期脉冲信号 幅度0 5V 5V 注 频率1Hz 1KHz 的占空比 占空比变化范围为10 90 测试误差 1 3 在1Hz 1MHz范围内及测试误差 0 1 的条件下 进行小信号的频率测量 提出并实现抗干扰的措施 题解部分 4 1题目分析4 1 1设计者特定背景知识的自查与准备4 1 2顶层要求的确认 要实现的测量功能以及测量精度 即明确 做什么 以及 做到何种程度 即质量的要求 测量功能 测频 测周期 测脉冲宽度以及测脉冲的占空比 发挥部分 题解部分 续 测频 测周期 测脉冲宽度的误差 0 1 测占空比的误差 1 发挥部分 其次 在顶层设计中应当明确的主要技术指标 被测信号的频率范 1Hz 1MHz 误差 0 1 基本要求 0 1Hz 10MHz 误差 0 01 发挥要求 被测脉冲信号的宽度 100 s 题解部分 续 最大闸门时间 10s 显示刷新时间在1s 10s之间连续可调还有一些设计要求与技术指标将在设计由顶层向底层过渡之中逐步予以关注和考虑 至此 对该题 做什么 以及 做到何种程度 即质量的要求也就明确了 下一步工作就转向分析实现该频率计的各项要求所应当采用的测量方法 4 1 3测量方法的分析与比较 对各种数字化测频 测周法的 1误差进行比较 1 直接测量法 1 直接频率测量直接频率测量是严格按照频率的定义 即 周期性信号在单位时间 1S 内变化的次数 来测量的 其测量的相对误差公式如下式 直接频率测量的原理方框图如图1所示 直接频率测量的原理方框图 fX N TS 图1直接频率测量的原理方框图 图2频率测量时序 1 直接周期测量 当被测信号的频率较低时 采用直接测频方法由量化误差引起的测频误差太大 为提高测低频时的准确度 应先测周期Tx 然后计算fx 1 Tx 1 直接周期测量 续 数字频率计测周期的原理框图如图3所示 被测信号经放大整形电路变成方波 加到门控电路产生闸门信号 如Tx 10ms 则闸门打开的时间也为10ms 在此期间内 周期为Ts的标准脉冲通过闸门进入计数器计数 若TS 1uS 则计数器计得的脉冲N TX TS 10000个 若以毫秒 ms 为单位 则显示器上的读数为10 000 1 直接周期测量 续 以上分析可见 频率计测周期的基本原理正好与测频相反 即被测信号用来控制闸电路的开通与关闭 标准时基信号作为计数脉冲 TX NT0 k 图3计数式测周期的原理框图 2 直接与间接测量相结合的方法 当fx fm时 直接测频 间接测周 当fx fm时 直接测周 间接测频 中界频率 图1 21直接测频和直接测周期的量化误差 3 多周期同步测量法 倒数计数器法 双计数器多周期同步法频率测量的原理框图如图1所示 预置的时间和被测信号同时输入到同步电路 在同步电路输出端得到一个与被测信号同步的闸门信号 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被测信号进行计数 其工作的时序如图2 3 多周期同步测量法 倒数计数器法 续 假设由计数器 A 计得的数为 计数器 B 计得的数为 则 3 多周期同步测量法 倒数计数器法 续 根据式 2 和式 3 可得 根据上式 通过计算 便可得到被测信号的频率值 图1 6 9倒数计数器 多周期同步测量 图1 6 9倒数计数器 多周期同步测量 时间波形图 误差分析 由以上分析可知闸门时间和被测信号是同步的 即闸门信号的周期为被测信号周期的整数倍 所以对被测信号的测量中不存在量化误差 或称为 1误差 但闸门信号没有和标准信号同步 所以存在量化误差 由式 4 并根据测量误差的传递公式可得 误差分析 续 即 根据 4 式和 6 式可得双计数器多周期同步法频率测量的相对误差为 误差分析 续 其中 第一项为标准频率误差 若采用普通的晶振或温补晶振 其可达10 5 10 6量级 而对于高稳定度的石英晶体震荡器 例如 带恒温槽或双层恒温槽的 其准确度可达10 8量级 误差分析 续 第二项为用直接频率测量原理测标准频率时所产生的量化误差 其中为闸门 A 打开 计数器对计数绝对误差 其最大误差为 1文献1 所以再根据式 2 和式 7 可得 结论 由以上分析 根据式 8 可以得到如下结论 1 测量的相对误差与被测信号的频率无关 只与标准频率误差 标准频率以及闸门时间的大小有关 2 当闸门时间和标准频率确定之后 测量的相对误差也确定 即在被测信号的整个频段内测量的精度相同 双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现 双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现电路结构图如图3所示 预置信号和被测信号的同步是由D触发器完成的 被测信号从D触发器的CP脉冲端输入 预置信号由单片机产生 从D触发器D端输入 假设所选用的D触发器是上升沿触发 其工作的时序图如图2所示 双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现 续 在D触发器的输出Q便得到与输入信号同步的闸门信号 闸门信号再输入单片机INT0和INT1端 用于控制单片机的计数T0 T1的计数 标准信号和被测信号分别输入计数器T0和T1计数 双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现电路结构图 C51单片机定时器的结构与方式字 4 2设计方案讨论4 2 1方案的选择 1 测量方法的选择选用多周期同步测量法2 实现技术的选择 纯硬件实现法 可选的器件有通用的SSI MSI LSI集成电路 专用集成电路 可编程逻辑器件 如isPLD器件等 4 2设计方案讨论 纯软件实现法 可选的平台有PC机 单片机 DSP器件等 软硬件相结合的实现法 由 中选择与组合 选此实现技术 4 3系统级和子系统级设计4 3 1系统级框图 4 3 2子系统级总体框图1 频率计子系统的划分 测量控制及功能切换逻辑 2 各个子系统的主要技术指标及其组成 1 输入通道 考虑发挥部分要求时 带宽 0 10MHz 输入电阻 1M 增益 2 0 02 100 用TTL整形级时 2 多周期同步等精度测量控制及功能切换逻辑计数器容量 107 108 工作频率 10MHz 2 各个子