數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告電子信息學(xué)院王家華2010301430004鄒仁亭2010301430003**肖 偉2010301430001摘要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)精品文檔放心下載量方案，測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量顯得更為重要。精品文檔放心下載頻率測(cè)量的方式通常是對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行沿判斷或電平判斷，再對(duì)相應(yīng)的精品文檔放心下載方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)從而實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，因此頻率測(cè)量的精度比一般其他謝謝閱讀物理量的精度要高很多。數(shù)字頻率計(jì)是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要工具之一，同時(shí)也是其他許感謝閱讀多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測(cè)量?jī)x器（測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將所需測(cè)量的量轉(zhuǎn)謝謝閱讀換為頻率）從而通過(guò)測(cè)頻率來(lái)提高精度的。本設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)是基于謝謝閱讀超低功耗MSP430單片機(jī)來(lái)測(cè)量信號(hào)的頻率，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并用十感謝閱讀進(jìn)制數(shù)顯示出來(lái)，它具有精度高，測(cè)量速度快，讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。謝謝閱讀**關(guān)鍵詞：頻率測(cè)量;數(shù)字頻率計(jì);單片機(jī);計(jì)數(shù)器;顯示；謝謝閱讀目 錄一，設(shè)計(jì)要求及功能設(shè)計(jì)方案1,設(shè)計(jì)任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo)2,功能設(shè)計(jì)二，頻率測(cè)量方案的比較選擇與理論分析1，頻率測(cè)量方法2，方案的比較選擇與理論分析3，方案的選擇確定三，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案及總體框圖四，單元模塊電路與程序設(shè)計(jì)1，穩(wěn)壓源模塊2，放大整形模塊3，數(shù)據(jù)測(cè)量計(jì)數(shù)模塊4，程序設(shè)計(jì)模塊**五，測(cè)試結(jié)果分析1，穩(wěn)壓模塊測(cè)試2，放大整形電路測(cè)試3，頻率精度測(cè)試六，實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的問(wèn)題及解決方法1，電壓不匹配2，161計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確3，自動(dòng)換擋模塊效果不夠理想4，不能滿足小信號(hào)輸入時(shí)的要求一，設(shè)計(jì)要求及功能設(shè)計(jì)方案1,設(shè)計(jì)要求1.1基本要求（1）頻率測(cè)量測(cè)量范圍信號(hào)：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測(cè)量誤差差≤10-3;（2）周期測(cè)量測(cè)量范圍信號(hào)：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測(cè)量誤差差≤10-3；精品文檔放心下載（3）十進(jìn)制數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果。1.2發(fā)揮部分**（1）頻率測(cè)量測(cè)量范圍信號(hào)：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測(cè)量誤差差≤10-5（2）周期測(cè)量測(cè)量范圍信號(hào)：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測(cè)量誤差≤10-5；精品文檔放心下載（3）自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。2，功能設(shè)計(jì)方案（1） 能夠測(cè)量正常的方波頻率，誤差≤10-5；（2） 能夠?qū)⒄也ǚ糯笳螢檫m合測(cè)量的方波并準(zhǔn)確測(cè)量；感謝閱讀（3） 能正確的以十進(jìn)制數(shù)顯示出測(cè)量頻率；（4） 可以實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量；（5） 可實(shí)現(xiàn)高低頻率的自動(dòng)切換測(cè)量;二，頻率測(cè)量方案的比較選擇與理論分析1，頻率測(cè)量方法1.1,直接測(cè)頻法根據(jù)頻率測(cè)量的定義，在確定的閘門時(shí)間T內(nèi)，利用計(jì)數(shù)器精品文檔放心下載記錄待測(cè)信號(hào)的周期數(shù)N，從而計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的頻率fx=N/T，精品文檔放心下載原理如圖2-1所示。此方案對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量精度很低，較適合謝謝閱讀高頻信號(hào)的測(cè)量。**1.2，測(cè)周法以待測(cè)信號(hào)為門限，用計(jì)數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的高頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘精品文檔放心下載脈沖數(shù)M，用計(jì)數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的脈沖數(shù)N，由式fx=M/N精品文檔放心下載確定待測(cè)信號(hào)的頻率（原理如圖所示）。當(dāng)選定高頻時(shí)鐘脈沖而被謝謝閱讀測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，可以獲得很高的精度，而當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率過(guò)高謝謝閱讀時(shí)，由于測(cè)量時(shí)間不足會(huì)有精度不夠的問(wèn)題，所以此方案適用于低精品文檔放心下載頻信號(hào)的測(cè)量。測(cè)周法原理圖1.3，等精度測(cè)頻法此方案和測(cè)周法很相似，但其測(cè)量時(shí)間并不是被測(cè)信號(hào)的一感謝閱讀個(gè)周期，而是人為設(shè)定的一段時(shí)間。如圖所示，閘門的開啟和閉合由被測(cè)信號(hào)的上升沿來(lái)控制，謝謝閱讀測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，因而可以保證在整個(gè)測(cè)量頻段內(nèi)感謝閱讀**的測(cè)量精度保持不變。相關(guān)計(jì)數(shù)法同時(shí)使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率fx和標(biāo)感謝閱讀頻信號(hào)fm在設(shè)定的精確門內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，fx的上升沿觸發(fā)精確門。精品文檔放心下載若兩個(gè)計(jì)數(shù)器在精確門內(nèi)對(duì)fx和fm的計(jì)數(shù)值分別為M和N，謝謝閱讀待測(cè)信號(hào)的頻率為：fx=Mfx/N。等精度測(cè)量原理圖此方法和直接測(cè)量法不同的是，計(jì)數(shù)器真正開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻感謝閱讀不是預(yù)置閘門的開始時(shí)刻。這樣計(jì)數(shù)器1對(duì)待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)謝謝閱讀由待測(cè)信號(hào)的上升沿控制，計(jì)數(shù)值M為整數(shù)，不存在誤差。計(jì)精品文檔放心下載數(shù)器2對(duì)標(biāo)頻信號(hào)計(jì)數(shù)，這樣計(jì)數(shù)值N為非整數(shù)，故會(huì)存在±1精品文檔放心下載的誤差。另外，標(biāo)頻信號(hào)由晶振提供，故不存在誤差。具體實(shí)現(xiàn)方法D Q閘門脈沖CLK與Fx計(jì)數(shù)器M門運(yùn)算單元**fx與Fm計(jì)數(shù)器fm時(shí)鐘發(fā)生器門

N2，方案的比較選擇與理論分析2.1方案比較與理論分析直接測(cè)頻法：此方案電路簡(jiǎn)單，軟件容易實(shí)現(xiàn)，為滿足實(shí)驗(yàn)要求精度，較適合高頻信號(hào)的測(cè)量，對(duì)低頻信號(hào)測(cè)量精度很低。感謝閱讀理論分析：設(shè)開啟其閘門時(shí)間為1S，計(jì)數(shù)值為N，則fx=N。但對(duì)其計(jì)數(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)±1的誤差，故要達(dá)到10-5精度要求，必須使頻率≥10k。但是，當(dāng)給入方波經(jīng)過(guò)軟件試驗(yàn)后所測(cè)得的大量數(shù)據(jù)未能達(dá)到要求的精度，此外低頻段要用測(cè)周法測(cè)量，直接測(cè)頻法會(huì)給其頻率的上限太高因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)（測(cè)周法分析將會(huì)詳細(xì)介紹）。故不能選用直接測(cè)頻法。精品文檔放心下載測(cè)周法：此方案是用于測(cè)量頻率較低的信號(hào)，頻率高時(shí)，由于測(cè)量時(shí)間不夠，導(dǎo)致精度較低。精品文檔放心下載理論分析：運(yùn)用此方案時(shí)，以待測(cè)信號(hào)為門限，由430給出12MHz的高頻脈沖為標(biāo)頻，記錄此門限內(nèi)的脈沖數(shù)N，則fx=12*106/N;但是由于待測(cè)信號(hào)的閘門開啟閉合時(shí)間對(duì)標(biāo)頻信號(hào)是隨機(jī)的，故對(duì)N會(huì)存在±1的誤差。所得fx*=12*106/（N±1）；謝謝閱讀相對(duì)誤差△=（fx-fx*）/fx≤10-5，此時(shí)，計(jì)算可得fx應(yīng)滿足fx謝謝閱讀**≤120Hz。等精度測(cè)頻法：由于計(jì)數(shù)值M為準(zhǔn)確值無(wú)誤差，計(jì)數(shù)值N僅有±1的誤差，所以，理論上等精度法高低頻測(cè)得的值都比較準(zhǔn)確。精品文檔放心下載理論分析:此時(shí)標(biāo)頻信號(hào)依然用430提供的fm=12MHz的高頻脈沖，由于對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)是由待測(cè)信號(hào)的上升沿控制，故計(jì)數(shù)值M無(wú)誤差，N出現(xiàn)±1誤差,則fx*=M*fm/(N±1)。△=（fx-fx*）/fx=1/(N±1)。由此可知，理論上等精度法測(cè)得的值誤差均可達(dá)到要求。但是由于預(yù)置門和精確門開啟時(shí)間有限，本設(shè)計(jì)為1s左右，理論上能測(cè)低頻為1Hz信號(hào)。此外，通過(guò)等精度法側(cè)低頻得到以下數(shù)據(jù):感謝閱讀fx15014013012011010090fx*150.00140.00130.00120.00110.00099.99089.991223488單位:Hz fx:輸入信號(hào)頻率 fx*:測(cè)得信號(hào)由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，等精度測(cè)頻法在100Hz以上都可以達(dá)到五位數(shù)字有效，fx≤100Hz后精度達(dá)不到。精品文檔放心下載3，方案的選擇確定鑒于三種方案的能滿足設(shè)計(jì)要求精度的頻率限制比較,直接測(cè)頻法誤差太大,不予以考慮。而測(cè)周法僅適用于低頻信號(hào)的測(cè)量，等精度法對(duì)低頻信號(hào)有一定限制。故本設(shè)計(jì)采用測(cè)周法和等精度法相結(jié)感謝閱讀合的方法測(cè)量，即低頻信號(hào)（fx≤100Hz）由測(cè)周法測(cè)量，高頻信感謝閱讀**號(hào)由等精度法測(cè)量。具體實(shí)現(xiàn)方法：DQ數(shù)閘門脈沖CLK據(jù)與Fx計(jì)選M滯門數(shù)器擇運(yùn)fx回高頻段器算比單較低頻段數(shù)元與Fm計(jì)據(jù)fm時(shí)鐘發(fā)生器門數(shù)器選作為閘門擇fm器計(jì)數(shù)N三，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案及總體框圖由上述所介紹各種頻率測(cè)量方案的比較選擇選定頻率測(cè)量方謝謝閱讀案后，可確定最終總體系統(tǒng)方案：把輸入的待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)整形放大，感謝閱讀得到可進(jìn)行沿判斷或電平判斷的方波信號(hào)，再對(duì)此信號(hào)進(jìn)行判斷。謝謝閱讀**若是所設(shè)置的低頻信號(hào)（fx≤100Hz），則采用測(cè)周法用MSP430軟件實(shí)現(xiàn)；若為所設(shè)置的高頻信號(hào)，則采用等精度法，即把所設(shè)置的預(yù)置門信號(hào)和此待測(cè)信號(hào)分別作為D觸發(fā)器的D和CLK輸入，由觸發(fā)器觸發(fā)精確門信號(hào)，把此信號(hào)分別和待測(cè)信號(hào)、MSP430提供的12M高頻脈沖送入與門，然后分別用74HC161計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2經(jīng)過(guò)與門后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終送入運(yùn)算單元運(yùn)算后算出所測(cè)頻率和周期，并通過(guò)液晶頻顯示出來(lái)。謝謝閱讀系統(tǒng)總體框：等精度法放大滯MSP430回待測(cè)信號(hào)整形比顯示較測(cè)周法初始化系統(tǒng)總電路圖（見(jiàn)附錄）四，單元模塊電路與程序功能設(shè)計(jì)1，穩(wěn)壓源模塊本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源模塊方便對(duì)電路供電，穩(wěn)壓電源要求實(shí)現(xiàn)由220v交流市電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定輸出的±15v,±12v,±5v直感謝閱讀流電壓。本設(shè)計(jì)采用前級(jí)220v轉(zhuǎn)±15v變壓器變壓后，經(jīng)過(guò)謝謝閱讀**KBP206橋式整流器進(jìn)行整流后得到±18v左右的直流電壓，精品文檔放心下載將其接入此前設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓模塊輸入端即可輸出±15v,±12v,±精品文檔放心下載5v直流電壓。電路圖如下：V11T1230220Vrms0450Hz350°21450.068D2R11N41484.7kΩU27LM7815CT8C2C3VOLTAGELINEVREGLED1C410uF100nFCOMMON10uFC12C10 C11 10uF10uF100nFCOMMONVOLTAGELINE VREGU4LM7915CTD5181N41482，放大整形模塊

D117C1014mF31B4B4219C18144mFD3D41N41481N4148R21kΩU3U112LM7812CTLM7805CT116LINEVREGLINEVREGLED2C5VOLTAGEC7VOLTAGECOMMONC6COMMONC8C9100nF100nF10uF10uF100nF0C14C15C16C17R3C131kΩ10uF100nF10uF10uF100nFLED3COMMONCOMMONVOLTAGEVOLTAGE13LINEVREGLINEVREGU5U6LM7912CTLM7905CTD620D71N41481N41482.1 信號(hào)放大電路**本設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路選用的是OPA604運(yùn)放，它是FET輸入型運(yùn)放，擺率為25V/us,增益帶寬積為20MHz。此時(shí)我們采用兩級(jí)OPA604，每級(jí)放大10倍左右，使之達(dá)到飽和放大以便過(guò)LM311進(jìn)行電壓比較，電路如圖所示。謝謝閱讀2.2 整形電路本設(shè)計(jì)的整形電路選用的是LM311比較器進(jìn)行比較使之得到穩(wěn)定輸出的方波信號(hào)，為盡量避免信號(hào)噪聲的干擾，在其輸出端接入200歐電阻到+5v設(shè)計(jì)成為滯回比較器，輸出端與+5v端接入與門輸出以便讓信號(hào)上升下降更加陡峭，方便計(jì)數(shù)。精品文檔放心下載3，數(shù)據(jù)測(cè)量計(jì)數(shù)模塊3.1計(jì)數(shù)器單元**本實(shí)驗(yàn)選用74HC161計(jì)數(shù)器用來(lái)記錄所要獲得的數(shù)據(jù)，感謝閱讀74HC161是四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器 ,并具有數(shù)據(jù)謝謝閱讀輸出保持功能，要滿足試驗(yàn)精度要求，僅記四位是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。謝謝閱讀為保證實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)及精度的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用六個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)感謝閱讀的方式分別對(duì)待測(cè)信號(hào)和標(biāo)頻信號(hào)在精確門內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，此時(shí)感謝閱讀可記24位。電路如圖：**3.2讀取數(shù)據(jù)單元由于計(jì)數(shù)器位數(shù)太多，需要大量數(shù)據(jù)口對(duì)其進(jìn)行讀數(shù)，所以感謝閱讀本設(shè)計(jì)采用74HC151數(shù)據(jù)選擇器來(lái)對(duì)74HC161所記的數(shù)一一選精品文檔放心下載擇出來(lái)，此后在對(duì)其還原即可，如此便節(jié)省大量數(shù)據(jù)口，避免浪費(fèi)。謝謝閱讀電路圖如下：4，程序設(shè)計(jì)模塊系統(tǒng)程序流圖如下：**開始初始化MCUf<100測(cè)周法 等精度法LCD顯示五，測(cè)試結(jié)果分析1，穩(wěn)壓模塊測(cè)試經(jīng)測(cè)試，穩(wěn)壓模塊正常工作，所得電壓穩(wěn)定輸出所需電壓，謝謝閱讀測(cè)試結(jié)果如下：理想電壓+15v+12v+5v-5v-12v-15v測(cè)得電壓+15.5+11.7+4.9v-4.8v-11.8v-15.4vvv2，放大整形電路測(cè)試**對(duì)于前級(jí)放大整形模塊進(jìn)行測(cè)試：方波和正弦波的相互切換謝謝閱讀能輸出穩(wěn)定的方波信號(hào)，并且調(diào)頻1Hz~1MHz，調(diào)電壓幅度精品文檔放心下載50mv~5v均能正常穩(wěn)定輸出待測(cè)信號(hào)頻率的方波以便后級(jí)計(jì)數(shù)精品文檔放心下載模塊對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。3，頻率精度測(cè)試fx110501005001k10kfx*1.00009.999949.999100.00499.991000.010000.2871813fx50k100k300k500k800k1M1.5Mfx*49999.10000.29999.49999.80000.100001500021783106單位:Hzfx:輸入信號(hào)頻率fx*:測(cè)得信號(hào)測(cè)試結(jié)果顯示，頻率計(jì)測(cè)量精度達(dá)到10-5滿足實(shí)驗(yàn)要求。感謝閱讀六，實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的問(wèn)題及解決方法1，電壓不匹配實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)整形放大后再和相應(yīng)的精確門共同經(jīng)過(guò)與門后，輸出的信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理想值。精品文檔放心下載然而對(duì)整形后待測(cè)信號(hào)和精確門信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，均為理想值。感謝閱讀故可斷定為與門出現(xiàn)問(wèn)題。解決方法：實(shí)驗(yàn)時(shí)與門的使用通常采取+5V供電，查詢74HC08pdf可知此時(shí)對(duì)與門來(lái)說(shuō)高電平應(yīng)為3V以上。感謝閱讀**而本實(shí)驗(yàn)采取低功耗單片機(jī)MSP430實(shí)現(xiàn)，其所能提供的最感謝閱讀大電壓為3.3v。從而發(fā)現(xiàn)電壓不匹配問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)采取給與感謝閱讀門供電減小為MSP430所提供的電壓，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象達(dá)到相應(yīng)感謝閱讀要求。2，161計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確在連接好實(shí)驗(yàn)電路后對(duì)高頻信號(hào)檢測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的頻率與給出信號(hào)的頻率相差甚遠(yuǎn)。此時(shí)，先檢查數(shù)據(jù)選擇器借口所有數(shù)據(jù)是否正確，經(jīng)檢驗(yàn)得其選擇數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)沒(méi)有偏差。又通過(guò)對(duì)74HC161的各個(gè)輸出進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其輸出口分頻結(jié)果完全正確，并且記到的數(shù)字與程序所及數(shù)據(jù)恰好吻合（但與準(zhǔn)確頻率有很大偏離），此時(shí)確定為計(jì)數(shù)器74HC161使用的問(wèn)題。通過(guò)查閱74HC161芯片手冊(cè)發(fā)現(xiàn)此芯片分頻和計(jì)數(shù)功能不盡相同，查看其時(shí)序圖可知，其開始計(jì)數(shù)是被測(cè)信號(hào)的上調(diào)沿觸發(fā)，進(jìn)位是前一位的下跳沿觸發(fā)。故在級(jí)聯(lián)時(shí)會(huì)出現(xiàn)提前計(jì)數(shù)的問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)紊亂。通過(guò)仔細(xì)，研究發(fā)現(xiàn)每一片的第四位總是在理想數(shù)據(jù)下提前其clk信號(hào)的