数字频率计设计报告

数字频率计设计报告电子信息学院王家华 2010301430004邹仁亭 2010301430003肖 伟 2010301430001摘 要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案，测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量显得更为重要。频率测量的方式通常是对方波信号进行沿判断或电平判断，再对相应的方波脉冲进行计数从而实现频率测量，因此频率测量的精度比一般其他物理量的精度要高很多。数字频率计是近代电子技术领域的重要工具之一，同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器（测量系统通过转换电路将所需测量的量转换为频率）从而通过测频率来提高精度的。本设计的数字频率计是基于超低功耗MSP430单片机来测量信号的频率，通过计数器计数，并用十进制数显示出来，它具有精度高，测量速度快，读数直观等优点。关键词：频率测量 ;数字频率计; 单片机; 计数器;显示；目 录一， 设计要求及功能设计方案1,设计任务要求及相关指标2,功能设计二， 频率测量方案的比较选择与理论分析 1，频率测量方法2，方案的比较选择与理论分析3，方案的选择确定三， 系统总设计方案及总体框图四， 单元模块电路与程序设计1， 稳压源模块2， 放大整形模块3， 数据测量计数模块4，程序设计模块五， 测试结果分析1，稳压模块测试2，放大整形电路测试3，频率精度测试六， 实验过程遇到的问题及解决方法1，电压不匹配2，161计数器计数不准确3，自动换挡模块效果不够理想4，不能满足小信号输入时的要求一，设计要求及功能设计方案1,设计要求1.1基本要求（1）频率测量测量范围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差差10-3;（2）周期测量测量范围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差差10-3；（3）十进制数字显示测量结果。1.2 发挥部分 （1）频率测量测量范围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差差10-5（2）周期测量测量范围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差10-5；（3）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。2，功能设计方案（1） 能够测量正常的方波频率，误差10-5；（2） 能够将正弦波放大整形为适合测量的方波并准确测量；（3） 能正确的以十进制数显示出测量频率；（4） 可以实现多次测量；（5） 可实现高低频率的自动切换测量; 二， 频率测量方案的比较选择与理论分析1，频率测量方法1.1,直接测频法根据频率测量的定义，在确定的闸门时间T内，利用计数器记录待测信号的周期数N，从而计算出待测信号的频率fx=N/T，原理如图2-1所示。此方案对低频信号的测量精度很低，较适合高频信号的测量。1.2，测周法以待测信号为门限，用计数器记录在此门限内的高频标准时钟脉冲数M，用计数器记录在此门限内的脉冲数N，由式fx=M/N确定待测信号的频率（原理如图所示）。当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时，可以获得很高的精度，而当被测信号频率过高时，由于测量时间不足会有精度不够的问题，所以此方案适用于低频信号的测量。测周法原理图1.3，等精度测频法此方案和测周法很相似，但其测量时间并不是被测信号的一个周期，而是人为设定的一段时间。如图所示，闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制，测量精度与被测信号频率无关，因而可以保证在整个测量频段内的测量精度保持不变。相关计数法同时使用两个计数器分别对待测信号频率fx和标频信号fm在设定的精确门内进行计数，fx的上升沿触发精确门。若两个计数器在精确门内对fx和fm的计数值分别为M和N，待测信号的频率为：fx=Mfx/N。等精度测量原理图此方法和直接测量法不同的是，计数器真正开始计数的时刻不是预置闸门的开始时刻。这样计数器1对待测信号计数，计数由待测信号的上升沿控制，计数值M为整数，不存在误差。计数器2对标频信号计数，这样计数值N为非整数，故会存在1的误差。另外，标频信号由晶振提供，故不存在误差。具体实现方法D QCLK闸门脉冲Fx计数器与门运算单元Mfx Fm计数器与门fm时钟发生器N2，方案的比较选择与理论分析2.1 方案比较与理论分析直接测频法：此方案电路简单，软件容易实现，为满足实验要求精度，较适合高频信号的测量，对低频信号测量精度很低。理论分析：设开启其闸门时间为1S，计数值为N，则fx=N。但对其计数时会出现1的误差，故要达到10-5精度要求，必须使频率10k。但是，当给入方波经过软件试验后所测得的大量数据未能达到要求的精度，此外低频段要用测周法测量，直接测频法会给其频率的上限太高因而无法实现（测周法分析将会详细介绍）。故不能选用直接测频法。测周法：此方案是用于测量频率较低的信号，频率高时，由于测量时间不够，导致精度较低。理论分析：运用此方案时，以待测信号为门限，由430给出12MHz的高频脉冲为标频，记录此门限内的脉冲数N，则fx=12*106/N;但是由于待测信号的闸门开启闭合时间对标频信号是随机的，故对N会存在1的误差。所得fx*=12*106/（N1）； 相对误差=（fx-fx*）/fx10-5，此时，计算可得fx应满足fx120Hz。 等精度测频法：由于计数值M为准确值无误差，计数值N仅有1的误差，所以，理论上等精度法高低频测得的值都比较准确。理论分析:此时标频信号依然用430提供的fm=12MHz的高频脉冲，由于对脉冲信号计数是由待测信号的上升沿控制，故计数 值M无误差，N出现1误差,则fx*=M*fm/(N1)。=（fx-fx*）/fx=1/(N1)。由此可知，理论上等精度法测得的值误差均可达到要求。但是由于预置门和精确门开启时间有限，本设计为1s左右，理论上能测低频为1Hz信号。此外，通过等精度法侧低频得到以下数据:fx15014013012011010090fx*150.001140.002130.002120.003110.004099.998089.998单位:Hz fx:输入信号频率 fx*:测得信号由以上实验数据可以看出，等精度测频法在100Hz以上都可以达到五位数字有效，fx100Hz后精度达不到。3，方案的选择确定 鉴于三种方案的能满足设计要求精度的频率限制比较,直接测频法误差太大,不予以考虑。而测周法仅适用于低频信号的测量，等精度法对低频信号有一定限制。故本设计采用测周法和等精度法相结合的方法测量，即低频信号（fx100Hz）由测周法测量，高频信号由等精度法测量。具体实现方法： D QCLK数据选择器Fx计数器闸门脉冲与门运算单元滞回比较M fx 高频段 数据选择器Fm计数器与门低频段fm时钟发生器作为闸门 fm 计数 N三，系统总设计方案及总体框图由上述所介绍各种频率测量方案的比较选择选定频率测量方案后，可确定最终总体系统方案：把输入的待测信号经过整形放大，得到可进行沿判断或电平判断的方波信号，再对此信号进行判断。若是所设置的低频信号（fx100Hz），则采用测周法用MSP430软件实现；若为所设置的高频信号，则采用等精度法，即把所设置的预置门信号和此待测信号分别作为D触发器的D和CLK输入，由触发器触发精确门信号，把此信号分别和待测信号、MSP430提供的12M高频脉冲送入与门，然后分别用74HC161计数器1和计数器2经过与门后的信号进行计数，最终送入运算单元运算后算出所测频率和周期，并通过液晶频显示出来。系统总体框：MSP430等精度法放大整形滞回比较 显示待测信号 测周法初始化系统总电路图（见附录）四， 单元模块电路与程序功能设计1， 稳压源模块本实验设计稳压电源模块方便对电路供电，稳压电源要求实现由220v交流市电转化为稳定输出的15v,12v,5v直流电压。本设计采用前级220v转15v变压器变压后，经过KBP206桥式整流器进行整流后得到18v左右的直流电压，将其接入此前设计的稳压模块输入端即可输出15v,12v,5v直流电压。电路图如下：2，放大整形模块2.1 信号放大电路本设计的信号放大电路选用的是OPA604运放，它是FET输入型运放，摆率为25V/us,增益带宽积为20MHz。此时我们采用两级OPA604，每级放大10倍左右，使之达到饱和放大以便过LM311进行电压比较，电路如图所示。2.2 整形电路本设计的整形电路选用的是LM311比较器进行比较使之得到稳定输出的方波信号，为尽量避免信号噪声的干扰，在其输出端接入200欧电阻到+5v设计成为滞回比较器，输出端与+5v端接入与门输出以便让信号上升下降更加陡峭，方便计数。3，数据测量计数模块 3.1 计数器单元 本实验选用74HC161计数器用来记录所要获得的数据，74HC161是四位二进制可预置的同步加法计数器,并具有数据输出保持功能，要满足试验精度要求，仅记四位是远远不够的。为保证实验计数及精度的准确性，本设计采用六个计数器级联的方式分别对待测信号和标频信号在精确门内进行计数，此时可记24位。电路如图： 3.2 读取数据单元 由于计数器位数太多，需要大量数据口对其进行读数，所以本设计采用74HC151数据选择器来对74HC161所记的数一一选择出来，此后在对其还原即可，如此便节省大量数据口，避免浪费。电路图如下： 4，程序设计模块 系统程序流图如下： 五， 测试结果分析1， 稳压模块测试经测试，稳压模块正常工作，所得电压稳定输出所需电压，测试结果如下：理想电压+15v+12v+5v-5v-12v-15v测得电压+15.5v+11.7v+4.9v-4.8v-11.8v-15.4v2， 放大整形电路测试对于前级放大整形模块进行测试：方波和正弦波的相互切换能输出稳定的方波信号，并且调频1Hz1MHz，调电压幅度50mv5v均能正常稳定输出待测信号频率的方波以便后级计数模块对其进行计数。3，频率精度测试fx110501005001k10kfx*1.000029.9999849.9997100.001499.9981000.0110000.3fx50k100k300k500k800k1M1.5Mfx*49999.210000.129999.749999.880000.31000011500006单位:Hz fx:输入信号频率 fx*:测得信号测试结果显示，频率计测量精度达到10-5满足实验要求。六，实验过程遇到的问题及解决方法1， 电压不匹配实验过程时发现待测信号经过整形放大后再和相应的精确门共同经过与门后，输出的信号频率远远偏离理想值。然而对整形后待测信号和精确门信号进行测试，均为理想值。故可断定为与门出现问题。解决方法：实验时与门的使用通常采取+5V供电，查询74HC08pdf可知此时对与门来说高电平应为3 V以上。而本实验采取低功耗单片机MSP430实现，其所能提供的最大电压为3.3v。从而发现电压不匹配问题，本实验采取给与门供电减小为MSP430所提供的电压，使实验现象达到相应要求。2， 161计数器计数不准确 在连接好实验电路后对高频信号检测的过程中发现，实验所测得的频率与给出信号的频率相差甚远。此时，先检查数据选择器借口所有数据是否正确，经检验得其选择数据环节没有偏差。又通过对74HC161的各个输出进行检测，结果发现其输出口分频结果完全正确，并且记到的数字与程序所及数据恰好吻合（但与准确频率有很大偏离），此时确定为计数器74HC161使用的问题。通过查阅74HC161芯片手册发现此芯片分频和计数功能不尽相同，查看其时序图可知，其开始计数是被测信号的上调沿触发，进位是前一位的下跳沿触发。故在级联时会出现提前计数的问题，导致数据紊乱。通过仔细，研究发现每一片的第四位总是在理想数据下提前其clk信号的1/16,并且是理想计数信号的取反。解决方法：由上述可知，改进方法有两种：一，根据实际信号与理想信号差值关系和记录的实验数据把记录的错误数值进行写算法对其矫正。二，对每一芯片的最后一位输出端加一非门，使之正确的充当下一片的clk，从而正确计数。由于电路板已经布线焊接完毕，在每个161第四位加一非门可能破坏电路的性能美观等且不易焊接。故本实验采取第一种方案对其进行矫正。3， 自动换挡模块效果不够理想 本设计采用的是测周法和等精度法相结合的频率测量方法,但是在实验过程中发现在测周法和等精度法交接点附近的频率测量不够准确。经检查发现是此处对高低频率的判断出现问题，由于比较时的频率是初测值不够稳定，故其进入高低频测量法不确定。 解决方法：为解决