1、簡易數(shù)字頻率計論文摘要：本系統(tǒng)用單片機89C51為核心,設(shè)計了能夠測量頻率、周期、脈寬和占空比的簡易數(shù)字頻率計。本系統(tǒng)包括前端放大整形、分頻處理和單片機數(shù)據(jù)處理三大模塊。前級放大整形模塊采用74HC04做放大器對信號進行放大；分頻處理模塊提高測量的頻率范圍；單片機數(shù)據(jù)處理模塊利用軟件分頻的方法，克服了1誤差在高低頻段精度不等的缺陷，提高了測量系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)實現(xiàn)了測量頻率、周期、脈寬和占空比的測量要求，且測量的頻率可以達到0.1Hz10MHz。頻率和周期的測量誤差小于0.01%，脈寬的測量誤差小于1%?；就瓿闪巳蝿?wù)設(shè)計的要求。引言設(shè)計并制作一臺簡易的數(shù)字顯示頻率計?；疽螅簩Ψ葹?.5

2、V5V，頻率為1Hz1MHz的正弦波和方波信號進行頻率和周期的測量，測量誤差0.1%。能對幅度為0.55V，脈沖寬度100S的脈沖波進行測量，測量誤差1%。發(fā)揮部分：擴展頻率測量范圍為0.1Hz10MHz（信號幅度0.5V5V），測試誤差降低為0.01%（最大閘門時間10s）。測量并顯示脈沖信號（幅度0.5V5V、頻率1Hz1kHz）的占空比，占空比變化范圍為10%90%，測量誤差1%。在1Hz1MHz范圍內(nèi)及測試誤差0.1%的條件下，進行小信號的頻率測量，提出并實現(xiàn)抗干擾的措施。一方案比較與論證方案一：系統(tǒng)測頻部分采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路，用機械式功能轉(zhuǎn)換開關(guān)換檔，完成測頻率、測周期及測脈寬

3、等功能。該方案的特點是中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟，能可靠的完成頻率計的基本功能，但由于系統(tǒng)功能要求較高，所以電路過于復雜。而且多量程轉(zhuǎn)換開關(guān)使用不便。原理框圖如圖1所示。圖1 方框圖方案二：采用直接測頻法，把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門開通時間T（以秒計）內(nèi)，被計數(shù)的脈沖被送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設(shè)計數(shù)器的值為N，由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率為f=N/T。經(jīng)過分析，本種測量方法在低頻段的相對測量誤差較大。增大T可以提高測量精度，但在低頻段仍不能滿足設(shè)計的要求。方案三：系統(tǒng)采用89C51單片機為核心，門控信號由單片機內(nèi)部的計數(shù)定時器產(chǎn)生。由于單片機的計數(shù)頻率上限較低(12M晶

4、體振蕩器時約為500KHz),所以需對高頻被測信號進行硬件預(yù)分頻處理，89C51則完成運算、控制及顯示功能。由于使用單片機使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展和改進。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。圖2 系統(tǒng)方框圖比較以上三種方案，都有一個共同就是為了提高系統(tǒng)的測量精度和靈敏度，三中方案都使用了小信號放大整形電路。但是每個方案各有不同，方案一由于電路復雜，系統(tǒng)實現(xiàn)起來不方便，而且調(diào)試困難。對于方案二從系統(tǒng)設(shè)計的測量范圍0.1Hz10MHz，以頻率下限0.1Hz來說，要達到誤差0.01%的目的，必須顯示5位的有效數(shù)字，而使用直接測頻的方法，要達到這個測量精度，需要主門連續(xù)開啟100

5、00s，由此可見，直接測頻方法對低頻測量是不現(xiàn)實的，而采用帶有運算器的單片機則可以很容易地解決這個問題，實現(xiàn)課題的要求。也就是對低頻信號采用先測信號的周期，然后在通過單片機求周期倒數(shù)的方法，從而得到我們所需要的低頻信號的測量精度。另外由于使用了功能較強的89C51芯片，使本系統(tǒng)可以通過對軟件改進而擴展功能，提高測量精度，因此我們選用方案三作為具體實施的方案。二測量原理 1頻率測量由于單片機具有程序運算功能，且頻率為周期的倒數(shù)，使頻率測量與周期測量可以互通。按照頻率的定義，即單位時間內(nèi)周期信號的發(fā)生次數(shù)，通過參考晶體振蕩提供了測量的時間基準，分頻后通過控制電路去開啟與關(guān)閉時間閘門。閘門開啟時，經(jīng)

6、放大整形后的測量信號進入計數(shù)器進行計數(shù)，閘門關(guān)閉時，停止計數(shù)。若閘門開放時間為Tg,計數(shù)值為N，則被測頻率fx=N/Tg。測頻的框圖如圖3所示。圖3 測頻框圖用這種頻率測量原理，對于頻率較低的被測信號來說，存在著測量實時性與測量精度之間的矛盾，由分頻系數(shù)M=Tg /Tr（Tr為參考晶振的周期）本身是沒有誤差的（若電路工作正常的話），測量誤差主要由以下兩種因數(shù)產(chǎn)生的：計數(shù)誤差和參考晶體振蕩的誤差，也即為減小第二項誤差，可采用高精度的參考晶體振蕩器。對于第一項誤差為計數(shù)相對誤差，其最大可達1，屬于不可避免的系統(tǒng)誤差，若要減少，就必須增大N，在被測信號頻率很低，為達到一定的測量精度，就要求閘門開放時

7、間大得難以忍受，即一次測量過程的時間很長，失去了使用意義。例如若被測頻率為10Hz，精度要求為0.01%，則最短閘門開放時間為 像這樣的測量周期根本不可能接受的，可見頻率測量法不適用于低頻信號的測量，在同樣精度下10MHz的測量僅需要1ms，即對于高頻信號適宜用此方法測量。 2周期測量 周期測量的基本原理方框圖如圖4所示。圖4 測周期框圖它與測頻基本結(jié)構(gòu)是相同的，只是把晶體振蕩產(chǎn)生的基準信號與被測信號的位置互換了一下，由此得，計數(shù)值N與被測信號的周期成正比，N反映了M個信號周期的平均值。利用周期測量法在一定信號頻率范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù)M，可以較好地解決測量精度與實時性的矛盾。由上式可得：第

8、二項誤差取決于晶體穩(wěn)定度，第一項為計數(shù)的量化誤差，故該項主要取決于N的大小。在平均周期測量法中，N值的大小與測量時間的長短成正比，可根據(jù)測量精度要求而定。假設(shè)的允許誤差為0.001%，則N=105，在Tr選定時測量時間等于105Tr，若Tr=2S，則測得時間等于0.2s。對于不同范圍的被測周期信號，可以通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù)M的大小，達到相近的測量精度，也就有相近的測量時間，且不會太長。 當然，對于高頻信號，測量周期的方法就需要很大分頻系數(shù)M，增加了硬件的復雜性，不宜采用測周期的方法。 3脈寬和占空比測量 在脈沖周期Tp、脈沖寬度Tw、占空比Tw/Tp、兩個脈沖的時間間隔Ta-b等測量中，都要應(yīng)用時

9、間測量。實際上，時間間隔測量法與周期測量法類同，只是增加了一個信號通道而已。如圖5中A、B通道的波形與閘門開閉關(guān)系，由單片機的內(nèi)部運算即可得占空比。圖5 通道的波形與閘門開閉關(guān)系圖 三硬件電路設(shè)計與說明 為了測量小信號，需要在輸入端加前置信號處理電路，將小信號放大整形后，送入后級分頻電路進行處理。使用分頻電路是因為門控信號由89C51內(nèi)部的計數(shù)定時器產(chǎn)生，單位為1us。由于單片機的計數(shù)額定上限較低（12MH2晶振時約500 kHz），所以需對高頻被測信號進行硬件預(yù)分頻處理。又因為對頻率較低的信號，我們不必分頻，只是對高頻信號要分頻，因此我們使用模擬開關(guān)4052對不同頻率的信號進行不同的分頻。

10、1小信號放大電路根據(jù)任務(wù)的要求，對與一些小信號也應(yīng)該準確地測出其頻率，所謂的小信號即是電壓幅值小，約幾百毫伏或是幾十毫伏的信號。對于這么小的信號，要求對其進行放大，必須能讓后面的單片機識別出其頻率的變化，這就要求電路有足夠的放大倍數(shù)，而且要有較高的穩(wěn)定度。對于信號放大，我們不僅要考慮到對信號的放大作用，還應(yīng)該注意頻率的帶寬。由NE5534構(gòu)成電壓跟隨器起到增大輸入阻抗的目的。然后有兩個二極管對輸入信號進行限幅，使其幅度限制在大約0.7V0.7。再由NE5534將信號進行放大，最大的放大倍數(shù)為10倍。NE5534的增益帶寬積GB=10MHz，在輸入信號的頻率為1MHz時，我們對它進行放大10倍是

11、可以的。但是這種方案只能達到任務(wù)設(shè)計的基本要求，并不能達到任務(wù)的發(fā)揮部分的要求。由此我們可以利用反向器的線形區(qū)作為放大器，它的增益帶寬積有10MHz以上，頻響范圍很寬，能達到測量10MHz信號的任務(wù)要求。又由于反向器74LS04的轉(zhuǎn)換速度低，不適用本系統(tǒng)，所以我們采用轉(zhuǎn)換速度更快的74HC04。反向器的傳輸特性如圖6所示。圖6 反向器的傳輸特性 由圖我們可以看出，圖中的線形區(qū)的斜率很大，傳輸特性變化比較急劇，我們也就是利用了這種特性，用反相器作為放大器來使用，而且電路反應(yīng)速度也很快。只要將靜態(tài)工作點設(shè)置在圖中的反相器線形區(qū)域中，調(diào)節(jié)輸入輸出的電壓值相同，就能將電路工作于放大狀態(tài)。具體的實現(xiàn)電路

12、如圖7所示。圖7 小信號放大電路 這種電路實現(xiàn)簡單，便于調(diào)試。圖中使用了三級放大，保證了小信號的放大倍數(shù)，使單片機能識別出小信號的頻率。最后在輸出端加了一個7414施密特觸發(fā)器作為輸出波形的整形。2分頻器門控信號由89C51內(nèi)部的計數(shù)定時器產(chǎn)生，單位為1us。由于單片機的計數(shù)額率上限較低(12MH2晶振時約500 kHz)，所以需對高頻被測信號進行硬件預(yù)分頻處理。本設(shè)計對100Kz的被測信號先進行100分頻或是10分頻再送入單片機進行數(shù)據(jù)處理；對于1Hz100KHz的信號直接送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。由單片機的P1.0口和P1.1口控制74LS151的A、B端來進行選擇。74LS151的輸出端接

13、單片機的T1計數(shù)器，對信號進行計數(shù)。對被測信號的100分頻，則是由兩個4017芯片來實現(xiàn)的。電路如圖8所示。圖8 分頻器電路3按鍵與顯示系統(tǒng)的輸入設(shè)備采用4位帶上拉電阻的按鍵和控制4個LED指示燈。由單片機的P0.0P0.3作為按鍵輸入端口，P1.2P1.5端口控制4個LED指示燈的亮滅。輸出顯示采用8位的串行顯示。電路如圖9所示。圖9 串行顯示電路4CPU主電路電路如圖10所示。圖10 CPU主電路圖四軟件設(shè)計與流程圖 1系統(tǒng)流程設(shè)計系統(tǒng)的主流程圖如圖11所示。圖11 系統(tǒng)主流程圖由軟件完成各部分的控制和協(xié)調(diào)，下面對圖11的流程圖進行介紹。初始化系統(tǒng)：系統(tǒng)上電后完成硬件和系統(tǒng)變量的初始化。其

14、中包括外圍器件的端口設(shè)定、置中斷和定時器狀態(tài)、設(shè)置控制口P0和P1的狀態(tài)。等待功能鍵輸入：由鍵盤輸入測頻、測周、測脈寬和測占空比的顯示選擇。相應(yīng)量的測量計算：單片機讀入計數(shù)值M、N，通過單片機的內(nèi)部編程，選用適應(yīng)的準確算法，計算出頻率和周期。測量脈寬時只讀入計數(shù)器的值進行處理，計算出脈寬的值。占空比的計算只是將脈寬值與周期的比值。顯示：89C51通過控制P3.0和P3.1兩個端口，讓輸出結(jié)果通過串行顯示的方式，輸出顯示出來。2頻率和周期中的自動量程轉(zhuǎn)換頻率和周期是可以互相轉(zhuǎn)換的，測出其中一個參數(shù)就可以靠高精度的算法算出另一個參數(shù)。因此，在測量頻率或周期中，實際上是采用頻率測量法還是周期測量法，

15、并不取決于最后要求顯示的是頻率還是周期，而是取決于用哪一種測量方法精度更高。系統(tǒng)將根據(jù)信號的頻率范圍來自動選擇測量方法，信號頻率較高時將采用頻率測量法，并根據(jù)不同頻率改變計數(shù)閘門開放的時間（定時時間），較低時將采用周期測量法，并根據(jù)不同頻率自動改變周期擴展倍數(shù)，以滿足精度要求。五系統(tǒng)誤差分析與抗干擾措施1系統(tǒng)誤差分析該系統(tǒng)的測量誤差主要由以下兩種因素產(chǎn)生：計數(shù)誤差和參考晶體振蕩的誤差，也即因為采用了高精度的參考晶體振蕩器，所以參考晶體振蕩的誤差減小到很小，可以忽略。對于計數(shù)誤差，N為計數(shù)絕對誤差，其最大可達1，屬于不可避免的系統(tǒng)誤差，若要減小N/N，就必須增大N。本系統(tǒng)為了提高測量精度，采用了

16、直接與間接測量結(jié)合的方法進行測量。根據(jù)任務(wù)書提出的要求上面已經(jīng)算出臨界頻率為10KHz。 當在10KHz10MHz時，我們對10KHz300KHz的信號采用測頻的方法測量；對300KHz10MHz的信號先進行10分頻或100分頻后再用測頻法測量（即把300KHz10MHz的信號變?yōu)?0KHz300KHz的信號進行測量，再將測量結(jié)果乘于100）。在分頻電路工作正常的情況下，分頻不產(chǎn)生誤差。我們采用閘門時間為1S，當被測頻率為1KHz時，可計數(shù)1000個，這時由1量化誤差而導致的相對測試誤差為0.l；當被測信號為10KHz和100KHz時，可分別計數(shù)10000個和個，這時由1量化誤差而導致的相對測

17、試誤差分別為0.0l和0.001%。為了進一步提高測試精度，我們可以對相應(yīng)的頻段改變閘門時間，讓測試誤差為0.001%。這樣該系統(tǒng)在測量10KHz10MHz的信號時，系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差也都會小于0.01%。當在10KHz以下時，用測周期的方法測量，時標頻率采用1MHz。要滿足0.01%的誤差對10KHz以下的頻率再進行分段：0.1Hz1Hz， 1Hz10Hz，10Hz100Hz，100Hz1KHz，1KHz10KHz。測量周期的誤差公式如下式所示： （M為分頻系數(shù)）由上式可知，計數(shù)器測量周期時，其測量誤差主要決定于量化誤差，被測周期越大即頻率越小時，誤差越小，被測周期越小時誤差越大。為參考晶體振

18、蕩的誤差，可以忽略。所以上式可以改寫為：所以為了減小測量周期的誤差，對于10KHz以下不同的頻段，我們可以改變分頻系數(shù)M，讓相對測試誤差為0.00l，這樣該系統(tǒng)在測量10KHz以下的信號時，系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差都會小于0.01%。任務(wù)書要求測量脈寬100us，并且占空比10%90%。該系統(tǒng)在測量脈寬時時標頻率采用1MHz，在測量100us的脈寬時可以計100個數(shù)，這時由1量化誤差而導致的相對測試誤差為l。該系統(tǒng)測量脈寬時為了提高精度，當被測信號頻率大于1KHz時，先對其進行100分頻后在進行測量。則所以該系統(tǒng)測量脈寬時所產(chǎn)生誤差滿足任務(wù)書的要求（誤差1%）。2抗干擾措施在高頻情況下，線路之間的干擾

19、對頻率測量結(jié)果影響很大，因此，我們采用了一些高頻線路抗干擾措施。測量電路的電路板采用自制印刷電路板，減小了引線交叉，降低了高頻引線干擾，效果明顯。例如，在模塊初步設(shè)計和調(diào)試期間，我們在實驗板上采用直線連接方式，因電路工作不穩(wěn)定而出現(xiàn)了很大的測量誤差。在自制印刷電路板上完成設(shè)計時，這個現(xiàn)象消失了。被測信號經(jīng)過前置處理后，引向測量部分的引線全部采用屏蔽線。在高頻時的誤差來源還來自于分頻時的頻率損失，分界處誤差最大，但仍在設(shè)計要求的范圍之內(nèi)，即全頻段誤差達標；產(chǎn)生誤差的原因是在這些分界點兩邊所采用的運算方法不同所致，解決問題的辦法是盡量不分頻，而增加計數(shù)器的位數(shù)；也可采用頻率值平均等方法減小誤差。脈

20、寬測量誤差的原因是由門電路延時、施密特整形引起的，可采用減小施密特滯回電壓和改用高速AHCT系列門電路以及選用晶振頻率更高的單片機等措施，使測量誤差減小。六系統(tǒng)測試方法與結(jié)果1系統(tǒng)測試方法小信號放大整形：用信號發(fā)生器提供幾十毫伏至幾百毫伏的方波或正弦波信號，用示波器觀察電路的輸出端，調(diào)節(jié)電路中的精密電位器，使輸出有較好的方波信號。經(jīng)調(diào)試，此電路符合任務(wù)要求。分頻器：用信號發(fā)生器輸出500KHz的方波信號，經(jīng)分頻后，控制74151的A、B控制端，用示波器觀察信號的輸出頻率是否有1分頻、10分頻、和100分頻三種方式輸出。經(jīng)調(diào)試，此電路可以正常工作。串行顯示電路：將顯示電路與仿真機相連，編制一簡單

21、程序進行調(diào)試，并觀察顯示數(shù)碼管的變化是否正確。通過這種方法可以看出顯示模塊能夠正常工作。各單元均調(diào)試通過后，進行整機調(diào)試，其過程如下：將調(diào)好的各模塊連接在一起，用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生0.1Hz3MHz中的任意頻率，先用仿真機代替98C51單片機進行模擬調(diào)試，各個模塊的控制端是否正確，再由按鍵控制測量量，觀察串顯的顯示值是否與信號發(fā)生器的輸出頻率相同。再用示波器觀察信號發(fā)生器的脈寬和占空比是否與系統(tǒng)的測量值相同。信號調(diào)試成功后再將程序?qū)懭氲絾纹瑱C中進行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果顯示，整個系統(tǒng)能夠正常工作。2測試儀器SP1641B型函數(shù)信號發(fā)生器 SS-7802A型示波器3測試數(shù)據(jù)與結(jié)果對測試結(jié)果用文字說明。表1 頻率測量數(shù)據(jù)對每一項測試最好補充一點文字說明輸入頻率本儀器測量值本儀器測量誤差0.2199Hz0.2207Hz0.360%2.3906Hz2.3908Hz0.008%23.564Hz23.567Hz0.010%558.50Hz558.57Hz0.010%5.5480KHz5548.9Hz0.020%50.045KHz50.048KHz0