1、數(shù)數(shù)兒字頻率率計(jì)量器設(shè)計(jì)主題：數(shù)字頻率計(jì)摘要本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為中心設(shè)計(jì)了一種能測(cè)量方波和正弦波信號(hào)的數(shù)字頻率計(jì)。 利用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，將廣泛使用的中型集成電路555計(jì)時(shí)器組合起來，用555計(jì)時(shí)器構(gòu)建的施密特觸發(fā)，其兩個(gè)閾值為0.2V、0.4V，避免了范圍的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，保證了精度。 1KHz的時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率由555計(jì)時(shí)器構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生。Abstractthisdectionsinglingchipsmathematicoperati on and control functions，withewidespreaduseof 555 timingscaleintegratedcircuit

2、， throughthesmittriggercomponentby 555 timing itstwotogglethreshold為0.4V，0.4V，avoidtheautomaticconversiofrange，andensuretheaccu關(guān)鍵詞。單片機(jī)，頻率測(cè)量，周期測(cè)量，頻率計(jì)1 .設(shè)計(jì)方案和論證情景1 :輸入頻道選擇器用可編程放大器，根據(jù)電壓振幅值選擇不同的放大系數(shù)。 輸入信號(hào)首先從ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過單片機(jī)判斷電壓的大小來決定放大系數(shù)。 放大的信號(hào)通過施密特觸發(fā)轉(zhuǎn)換成TTL電平的矩形波，可以直接發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。原理方框圖如下所示提案2 :輸入通道使用多

3、模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)(MUX )，根據(jù)與提案1不同的電壓振幅值選擇不同的放大系數(shù)，有與各電壓區(qū)間對(duì)應(yīng)的放大電路。 輸入信號(hào)首先從ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過單片機(jī)判斷電壓的大小來決定放大系數(shù)，選擇相應(yīng)的模擬通道。 放大的信號(hào)在施密特觸發(fā)下變換成TTL電平的矩形波，可以直接發(fā)送到單片機(jī)來進(jìn)行計(jì)數(shù)。原理方框圖如下所示情景3 :輸入通道只使用一個(gè)由555計(jì)時(shí)器制成的施密特觸發(fā)器，這兩個(gè)閾值電壓可以調(diào)整，輸入電壓范圍為0.5V-5V。 將施密特觸發(fā)的高閾值電壓設(shè)定為0.4V，將對(duì)應(yīng)的低閾值電壓設(shè)定為0.2V。 這種閾值電壓設(shè)定能夠?qū)?.5V-5V的正弦波和方波變換成相同頻率的TTL電平的矩形波。原理方框圖

4、如下所示方案比較和選擇的根據(jù)：在第一和第二種情況中都使用了ADC0809，它是8位ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，時(shí)間長(zhǎng)。前兩種情況對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行直接AD轉(zhuǎn)換，并且由于ADC的絕對(duì)量化誤差不變，所以在電壓幅度低的情況下，相對(duì)量化誤差很大。 此外，輸入信號(hào)是變化量，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量也發(fā)生變化，在單片機(jī)中必須制作專用的順序程序，所以求出電壓振幅值增加了制作軟件的難度。 并且前兩個(gè)方案使用了很多器件，電路復(fù)雜，可靠性差。場(chǎng)景3的電路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)難度低、可靠性高的輸入通道不需要由單片機(jī)控制，不會(huì)增加軟件制作的難度。 硬件和軟件很簡(jiǎn)單。如上所述，決定選擇方案3作為最終的具體實(shí)施方案。2 .理論分析和軟件說明1

5、 .測(cè)量原理1.1頻率測(cè)量單片機(jī)具有程序運(yùn)算功能，頻率是周期的倒數(shù)，所以頻率測(cè)量可以相互運(yùn)用。 頻率測(cè)量的基本原理如圖所示。根據(jù)頻率的定義，單位時(shí)間內(nèi)的周期信號(hào)的發(fā)生次數(shù)，圖中的參考水晶振動(dòng)提供測(cè)定的時(shí)間基準(zhǔn)，分頻后用控制電路開關(guān)時(shí)間門。 快門打開時(shí)，放大整形后的測(cè)量信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，快門關(guān)閉時(shí)停止計(jì)數(shù)。 如果快門打開時(shí)間是Tg并且計(jì)數(shù)值是n，則獲得被測(cè)量頻率fx=N/Tg。 在這樣的頻率測(cè)量原理中，對(duì)于頻率低的被測(cè)量信號(hào)，測(cè)量實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度之間存在矛盾，從圖中可知分頻系數(shù)M=Tg/Tr(Tr是基準(zhǔn)晶體振動(dòng)的周期)本身沒有誤差(如果電路正常動(dòng)作)，但測(cè)量誤差主要是計(jì)數(shù)誤差和基準(zhǔn)晶體振動(dòng)

6、的誤差這兩個(gè)要素f/f=(n/n ) (fr/fr )=(nfr/MF ) (fr/fr )為了減少第二項(xiàng)誤差，可以采用高精度的基準(zhǔn)晶體振蕩器。 第一項(xiàng)的誤差是計(jì)數(shù)絕對(duì)誤差，最大達(dá)到1，是不可避免的系統(tǒng)誤差，為了減小N/N，必須增大n，在被測(cè)定信號(hào)的頻率低的情況下，要求快門開放時(shí)間長(zhǎng)(即，在fr不變化的條件下，分頻系數(shù)大如果被測(cè)定頻度低，為了達(dá)到一定的測(cè)定精度，快門打開時(shí)間大，即一次測(cè)定處理時(shí)間長(zhǎng)，沒有使用意義。例如，如果被測(cè)定頻率為10Hz、精度要求為0.01%，則最短?hào)艠O打開時(shí)間N=Nf/f=1/0.0001=10000Tg=N/f=1000s這樣，完全不能接受測(cè)定周期，頻率測(cè)定法不能適用

7、于低頻信號(hào)的測(cè)定，以相同的精度測(cè)定10Hz只需要1ms，即，該方法適用于高頻信號(hào)。1.2周期測(cè)定周期測(cè)量的基本原理如圖所示雖然和頻率測(cè)量的基本構(gòu)造相同，但只是調(diào)換了水晶振動(dòng)引起的基準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)量信號(hào)的位置。 由此而得。T=N/Mfr=N Tr /M計(jì)數(shù)值n與被測(cè)定信號(hào)的周期成比例，n反映m個(gè)信號(hào)周期的平均值。 利用周期測(cè)量法在一定的信號(hào)頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)分頻系數(shù)m，可以很好地解決測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性的矛盾。 由上式得到t/t=n/ntr/tr)=n/tmfr tr/tr )因?yàn)榈诙?xiàng)的誤差依賴于結(jié)晶的穩(wěn)定度，第一項(xiàng)的計(jì)數(shù)器是量化誤差，所以該項(xiàng)主要依賴于n的大小。 在平均周期測(cè)定法中，n值的大小與測(cè)定時(shí)

8、間的長(zhǎng)度成比例，由測(cè)定精度的要求決定。 設(shè)N/N的允許誤差為0.001%，則在N=105、Tr選定的時(shí)間內(nèi)，測(cè)定時(shí)間為105Tr、Tr=2us，測(cè)定時(shí)間為0.2s。 關(guān)于不同范圍的被測(cè)定周期信號(hào)，通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù)m的大小，可以得到接近的測(cè)定精度、即接近的測(cè)定時(shí)間，不會(huì)變得太長(zhǎng)。當(dāng)然，對(duì)于高頻信號(hào)，周期法需要較大的分頻系數(shù)m，不應(yīng)該增加硬件和軟件的復(fù)雜性。2 .軟件的說明制作的軟件采用直接頻率測(cè)量方式，閘門時(shí)間固定為1S，每2S測(cè)量一次。2.1主程序的流程圖2.2中斷程序的流程圖3 .主要電路說明、測(cè)試方法1 .輸入頻道輸入通道由555計(jì)時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器構(gòu)成，閾值電壓可調(diào)整，閾值電壓由55

9、5計(jì)時(shí)器的5端子輸入電壓VIC來決定。 5端子輸入電壓VIC通過電容分壓得到。 此次設(shè)計(jì)中VIC為0.4V，輸入(2管腳)為0.5V-5V的正弦波和方波時(shí)，輸出(3管腳)總是輸出TTL級(jí)別的矩形波，可以直接進(jìn)給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。輸入通道模擬圖如下所示測(cè)定方法：向2端子輸入0.5V-5V的正弦波和方波，用示波器同時(shí)觀測(cè)2、3端子的電壓波形、振幅、頻率。實(shí)測(cè)結(jié)果：在上述輸入中，輸入輸出波形的頻率相同的3端子電平跳躍在2端子電壓振幅為閾值電壓時(shí)發(fā)生。2，1 khz校準(zhǔn)信號(hào)1KHz的信號(hào)產(chǎn)生在由555計(jì)時(shí)器構(gòu)成的振蕩器中，振蕩頻率f=。 其中R1為實(shí)際電路，選定了50公斤的容量，R2=2.4k，C2=0

10、.1uF。 從公式可以看出，R19.5k，其值必須在焊接電路后調(diào)整確定。模擬圖如下所示測(cè)定方法：將5針連接示波器，觀測(cè)輸出頻率。實(shí)測(cè)結(jié)果：在模擬實(shí)驗(yàn)箱中建立電路，測(cè)定1分鐘，頻率變化范圍為1.000491.00069kHz。3 .總電路圖因?yàn)閷?duì)輸入通道進(jìn)行了說明，所以省略說明。 輸出時(shí)使用6位7段數(shù)字電線管。 P0端口輸出應(yīng)該顯示的信息，需要施加電阻。 P2端口輸出芯片選擇信息。 數(shù)字軟線管共陽，采用動(dòng)態(tài)刷新。 P1.0LED燈點(diǎn)亮，表示正在進(jìn)行頻率測(cè)量。測(cè)試方法：輸入0.5V5V的正弦波和方形波，觀察LED數(shù)碼的顯示信息。 注：接通3s電源后顯示結(jié)果。仿真結(jié)果：低頻下沒有誤差，高頻下誤差幾乎

11、為0.1%。4 .數(shù)據(jù)、結(jié)果分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)低頻時(shí)沒有誤差，即使是高頻，誤差也保持在0.1%。本次設(shè)計(jì)采用直接頻率測(cè)量法，如第二部分理論分析和軟件說明所述，理論上低頻時(shí)的相對(duì)誤差大(絕對(duì)誤差為1 )，高頻時(shí)的誤差小。 模擬結(jié)果在高頻時(shí)與理論分析一致，在低頻時(shí)差異大。 這是因?yàn)槟M時(shí)的干擾信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際干擾。參考資料1 .丁元杰單片機(jī)原理和應(yīng)用北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052 .赫建國(guó)、鄭燕、雪延俠、單片機(jī)在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，20063 .蘇文平、任力穎、何希才、電子技術(shù)實(shí)踐和制作教程，北京：防衛(wèi)工業(yè)出版社，20074 .康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分，北京：高等教育出

12、版社，20065、楊世興、郭秀才、楊潔。 測(cè)量系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)。 北京：人民郵政出版社，2008五、附錄一、源程序閘門時(shí)間固定為1s，每2秒測(cè)量一次輸入信號(hào)的頻率。finishinequ00h； 測(cè)量標(biāo)志為“1”表的測(cè)量結(jié)束RUNEQU01H； 測(cè)量中標(biāo)志，“1”表示正在測(cè)量中LEDEQUP1.0； 測(cè)量指示燈、低電平點(diǎn)亮。 點(diǎn)亮表示正在計(jì)數(shù)中。CR2EQU0AH； 一區(qū)R2CR3EQU0BH； 一區(qū)R3OPR1EQU30H； 三字節(jié)十六進(jìn)制開頭地址存儲(chǔ)單元OPR2EQU31H； 4字節(jié)BCD代碼開頭地址存儲(chǔ)單元HEXEQU32H； 在3字節(jié)十六進(jìn)制的開頭地址中，上位是上位BCDEQU35H；

13、 4字節(jié)壓縮BCD代碼開頭地址，高位我是說，我是說，我是說，我是說，我是說ORG0000HPS的開始ORG001BH； 定時(shí)器1中斷入口LJMPT1S； 閘門定時(shí)中斷服務(wù)程序。ORG0030H開始： movsp、#60H； -請(qǐng)稍微放開堆棧，不要重用內(nèi)存MOVTMOD、#15H； 將C0設(shè)為計(jì)數(shù)器方式1t1設(shè)為計(jì)時(shí)器方式1MOVTH1、#3CH； 50ms定時(shí)初始值50000MOVTL1、#0B0HSETBET1SETBEA； 計(jì)時(shí)器關(guān)了，沒有啟動(dòng)CLRFINISH； 清除標(biāo)志，以防止電源接通時(shí)讀取計(jì)數(shù)器的初始值CLRA； 計(jì)數(shù)值為零清零MOVTH0，aMOVTL0，aMOVBCD，a； BC

14、D代碼緩沖區(qū)清除PR PS 1，aPR R 2，aPR R 3，aMOVCR2、#40； 50ms共計(jì)40次是2秒的軟件擴(kuò)展延遲。MOVCR3、#20； 50ms共計(jì)20次是1嗎？SETBTR1； 打開計(jì)時(shí)器LOOP:JBFINISH，NEXTlcall顯示器； 顯示測(cè)量數(shù)據(jù)-如果正在測(cè)量，則總是刷新LED，刷新間隔幾乎為0ssjmp環(huán)； 死循環(huán)、中斷結(jié)束-或者-FINISH被設(shè)置為1而結(jié)束.此外，還可以設(shè)置成1，以此來結(jié)束。NEXT:CLRFINISH； 清除測(cè)量結(jié)束標(biāo)志-在測(cè)量結(jié)束后僅執(zhí)行一次NEXT段MOVA、TL0； 取計(jì)數(shù)值輸入R2R3MOVR3，aMOVA，TH0MOVR2，aMO

15、VTH0、#0； 計(jì)數(shù)器集初始值刷新。MOVTL0、#0MOVR6、#0MOVR7、#1LCALLDMUL； 在子程序中，通過計(jì)數(shù)*1獲得頻率值PR PS，R5MOVHEX 1，R6MOVHEX 2，R7MOVOPR1、#HEX； 子程序，將十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成BCD代碼PR R 2，# PRLCALLBTODsjmp環(huán)主程序結(jié)束、主程序結(jié)束、主程序結(jié)束、主程序結(jié)束、主程序結(jié)束我是說，我是說，我是說，我是說計(jì)時(shí)器T1中斷服務(wù)子例程。完成2秒和0.5秒的定時(shí)，同時(shí)完成T0計(jì)數(shù)我是說，我是說，我是說，我是說T1S:MOVTH1、#3CH； 刷新50ms定時(shí)初始值MOVTL1、#0B0H推式電源SETBRS0； 選擇1區(qū)工作寄存器CLRRS1JBRUN、T1S1； -如果正在測(cè)量，1s后退出DJNZR2、T1S2； -在非測(cè)定狀態(tài)下，延遲2秒開始測(cè)定從2秒的時(shí)間開始測(cè)定。MOVR2、#40；