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1、　“簡易數(shù)字頻率計”是第三屆(1997 年) 全國 大學(xué)生電子設(shè)計競賽試題之一。我院學(xué)生就該試 題設(shè)計獲得山東賽區(qū)一等獎。原設(shè)計有許多不完 善之處,考慮到此題具有一定實用價值,特經(jīng)完善 后,整理成文。 1 　設(shè)計要求 1. 1 　基本要求 (1) 頻率測量: a. 測量范圍:信號:方波、正弦波 幅度:0. 5V～5V 頻率:1Hz～10MHz b. 測試誤差≤0. 1 % (2) 周期測量: a. 測量范圍:信號:方波、正弦波 幅度:0. 5V～5V 頻率:1Hz～10MHz b. 測試誤差≤0. 1 % (3) 脈沖寬度測量: a. 測量范圍:信號:脈沖波

2、 幅度:0. 5V～5V 頻率:1Hz～10MHz b. 測試誤差≤0. 1 % (4) 顯示:十進制數(shù)字顯示,顯示刷新時間1 ～10 秒連續(xù)可調(diào),對上述三種測量功能分別用不 同顏色的發(fā)光二極管指示。 (5) 具有自校功能,時標信號頻率為10MHz。 (6) 自行設(shè)計并制作滿足本設(shè)計任務(wù)要求的 穩(wěn)壓電源。 1. 2 　發(fā)揮部分: (1) 擴展頻率測量范圍為0. 1Hz～10MHz (信 號幅度0. 5V～5V) ,測試誤差降低為0. 01 %(最 大閘門時間≤10s) 。 (2) 測量并顯示周期脈沖信號(幅度0. 5V～ 5V、頻率1Hz～1kHz) 的占空比

3、,占空比變化范圍 為10 %～90 % ,測試誤差≤0. 1 %。 (3) 在1Hz～1MHz 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。 2 　設(shè)計方案選擇: 方案一:選用頻率計專用模塊。該方案在技 術(shù)上是可行的,但競賽規(guī)則規(guī)定不能采用頻率計 專用模塊。即使允許使用,對于設(shè)計要求中的某 些指標,采用專用模塊來完成也是困難的。 方案二: 采用邏輯芯片和可編程器件實現(xiàn)。 該方案也是可行的。該方案的優(yōu)點是:僅使用硬 件電路實現(xiàn),調(diào)試工作量相對較小。缺點是,某些 功能實現(xiàn)困難,不易修改。 圖1 　N 周期測量原理 方

4、案三:用單片機實現(xiàn)。目前單片機種類很 多,單片機功能越來越強。根據(jù)設(shè)計要求,選用 MCS - 51 系統(tǒng)單片機中的AT89C52 ,該芯片內(nèi) 含3 個16 位定時/ 計數(shù)器,能最大限度地簡化頻 率計外圍硬件。AT89C52 還含一個全功能串行 口、8K 程序存儲器等,因此該方案具有硬件構(gòu)成 簡單,功能靈活,易于修改等優(yōu)點。 綜合上述三種方案,本設(shè)計選用方案三。 3 　測量原理與分析計算 3. 1 　頻率、周期測量 由于頻率和周期之間存在倒數(shù)關(guān)系( f = 1/ T) ,所以只要測得兩者中的一個,另一個可通過 計算求得。 3. 1. 1 　測量方法 本設(shè)計采用直接測周

5、期法,而頻率則通過計 算得出。但是,單片機內(nèi)部計數(shù)器一個計數(shù)值為 1μs ,在f 很高時僅測量一個周期,無法保證測量 精度。為此,本設(shè)計采用在閘門時間內(nèi),最大限度 地測量多個信號的周期,從而保證信號頻率、周期 測量的精度。測量原理如圖1 所示。 3. 1. 2 　測量方法實現(xiàn) 為實現(xiàn)上述測量方法,需要啟動AT89C52 中 的3 個定時/ 計數(shù)器。其中T0 設(shè)置成16 位定時 方式,用于產(chǎn)生閘門時間; T2 設(shè)置成16 位定時方 式,用于記錄NTx 值; T1 設(shè)置成16 位計數(shù)方式, 用于記錄閘門時間內(nèi)波形個數(shù)N。為了提高精 度,T0～ T2 通過軟件中斷方式分別擴展

6、一字節(jié) 內(nèi)部RAM ,與16 位定時/ 計數(shù)器一起構(gòu)成24 位 定時/ 計數(shù)器。 AT89C52 單片機內(nèi)部定時/ 計數(shù)器的響應(yīng)頻 率低于10MHz ,當(dāng)信號輸入為高頻時,需先進行 分頻。根據(jù)實驗,當(dāng)AT89C52 單片機晶振頻率等 于12MHz ,輸入信號頻率≤500kHz 時,內(nèi)部定時 / 計數(shù)器能夠進行可靠計數(shù)。當(dāng)信號頻率f 為 500kHz ≤ f ≤10MHz 時, 需進行分頻, 兼顧 500kHz 與10MHz ,取分頻數(shù)為128 。 因此,當(dāng)輸入信號為低頻( ≤500kHz) 時,不 進行分頻;當(dāng)輸入信號為高頻( ≥500kHz) 時,進 行128 分頻。

7、 3. 1. 3 　信號周期計算 設(shè)T1 計數(shù)值N 為X1 , T2 計數(shù)值N T 為X2 , 則信號周期為: 低頻段(不分頻) 　T = X2/ X1 　μs (1) 高頻段(128 分頻) 　T = X2/ (128 3 X1) 　μs (2) 3. 1. 4 　信號頻率計算 X1 , X2 含義同上,則信號周期f 為 低頻段: f = ( X1/ X2) 106 　Hz (3) 高頻段: f = (128 3 X1/ X2) 3 106 　Hz (4) 3. 1. 5 　測量理論誤差 設(shè)閘門時間為1s ,低頻段、高頻段分別取2 個典型點進行分析。 低頻段( ≤

8、500kHz) : (1) f = 1. 999Hz 時,閘門時間內(nèi)僅能測量1 個波形的周期,若計數(shù)誤差為1μs ,即0. 000001s , 理論誤差為: 〔0. 000001/ (1/ 1. 999) 〕3 100 % = 0. 0002 % (2) f = 499. 9999kHz 時,閘門時間內(nèi)能測 量499999 個波形的周期,若計數(shù)誤差為1μs ,則 理論誤差為: 〔(0. 000001/ (499999/ 499999. 9) 〕3 100 % = 0. 0001 % 高頻段( ≥500kHz) : ( 1 ) 128 分頻后f = 3906. 99Hz (

9、 分頻前 500094. 72Hz) ,閘門時間內(nèi)能測量3906 個波形 的周期,若計數(shù)誤差1 ,即1μs ,則理論誤差為: ( 0. 000001/ ( 3906/ 3906. 99 ) ) 3 100 % = 0. 0001 % ( 2 ) 128 分頻后f = 7811. 99Hz ( 分頻前 999934. 72Hz) ,閘門時間內(nèi)能測量7811 個波形 的周期,若計數(shù)誤差1 ,即1μs ,則理論誤差為: (0. 000001/ ( 78811/ 7811. 99 ) ) 3 100 % = 0. 0001 % 可見周期測量理論誤差最大為0. 0002 %。 3.

10、 1. 6 　計算誤差 當(dāng)采用三字節(jié)浮點數(shù)計算時,有效數(shù)字為兩 個字節(jié),計算誤差為: (1/ 65536) 3 100 % = 0. 0015 % 除理論誤差、計算誤差外,還有基準頻率誤差 等。 3. 2 　脈沖寬度及占空比測量(低頻段) 3. 2. 1 　測量方法: T1 采用定時工作方式,當(dāng)信號正跳變時啟動 定時器T1 ,當(dāng)信號負跳變時存儲T1 計數(shù)值X3 (高電平寬度) ,并清0 ,信號再次正跳變時存儲計 數(shù)值X4 (低電平寬度。) 為了增加計算位數(shù)除定時器T1 自身16 位 外,擴展1 字節(jié)內(nèi)存與T1 共同形成一個24 位計 數(shù)器(定時器

11、) 。 3. 2. 2 　(高電平) 脈沖寬度計算 W = X3 　μs (5) 3. 2. 3 　占空比計算 P =〔X3/ ( X3 + X4) 〕3 100 % (6) 4 　簡易數(shù)字頻率計的硬件設(shè)計 簡易數(shù)字頻率計的硬件電路如圖1 所示,該 電路可分為: (1) 前置整形電路, (2) 分頻電路, (3) 基準信號源, (4) 單片機電路: 單片機、數(shù)據(jù)選擇 器、鍵盤、狀態(tài)指示, (5) 數(shù)字顯示電路, (6) 穩(wěn)壓直 流電源等。 4. 1 　前置整形電路 根據(jù)設(shè)計要求,信號頻率最大值為10MHz , 考慮到器件性能與價格等因素,選擇高速低功耗 比較器MAX

12、913 構(gòu)成整形電路,MAX913 的響應(yīng) 時間為10ns ,最高時鐘頻率為70MHz ; 在DC 5V 供電時,輸入電壓范圍為- 5. 2V～ + 3. 5V. 為 克服振鈴現(xiàn)象,整形電路在MAX913 正向輸入端 引入弱正反饋,使其產(chǎn)生一個遲滯回差。 當(dāng)輸入信號幅度較大時,信號經(jīng)電阻衰減后 再加到MAX913 。 4. 2 　分頻電路 分頻電路由2 片74HC161 構(gòu)成。根據(jù)3. 1 的分析,只要對高頻信號( > 500kHz) 進行128 分 頻,即可滿足精度要求,也能滿足AT89C52 計數(shù) 器的要求。因此分頻信號由第二片74HC161 的 Q2 輸出。分頻

13、電路如圖1 —(2) 所示。 4. 3 　基準信號源 根據(jù)設(shè)計要求,1MHz 信號基準源由74HC04 以及1MHz 晶振構(gòu)成。電路如圖1 —(3) 。 4. 4 　單片機電路 單片機選用AT89C52 ,其內(nèi)部含3 個16 位 定時/ 計數(shù)器,8K程序存儲器,其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)及指 令系統(tǒng)與單片機8031 相同。為便于計算,選用 12MHz 晶振,這時內(nèi)部定時器一個計數(shù)值為1μs。 信號在低頻段( ≤500kHz) 直接輸入,在高頻 段( > 500kHz) 時經(jīng)128 分頻后輸入到單片機,另 外還要根據(jù)1MHz 時基準信號進行校正。三路信 號通過74HC151 進行控制選

14、擇。控制信號為 P1. 2 和P1. 3 。 4 只L ED 發(fā)光二極管由P1. 3～ P1. 6 控制, 分別指示測頻率、測周期、測脈沖寬度和測占空比 四個狀態(tài)。 5 個按鍵由P3. 2 、P3. 3 、P3. 4 、P3. 6 、P3. 7 讀 入,分別控制測頻率、測周期、測脈沖寬度、占空比 和校正5 項功能。 4. 5 　數(shù)字顯示電路 顯示共用8 只共陽極L ED 數(shù)碼管顯示器,由 AT89C52 串行口擴展8 片74HC164 驅(qū)動。電路 如圖2 所示。 4. 6 　穩(wěn)壓直流電源 穩(wěn)壓電源采用雙9V 變壓器分別經(jīng)整流濾波 和穩(wěn)壓后產(chǎn)生+ 5V 直流電源。+ 5V 輸出要求≥ 500mA , - 5V 輸出要求達到≥500mA(電路略) 。 5 　軟件設(shè)計 根據(jù)設(shè)計的硬件和測量方法,編寫并調(diào)試了 全部軟件程序。限于篇幅,下面僅給出部分程序 框圖。