1、简单单片机数字频率计设计课程设计报告简易频率计的设计电子科学XX学院姓名：专业：通信工程学号：20132015年12月摘要本系统基于单片机来实现核心的频率计数功能，并能够实现测量中的量程自动切换。实现了对1Hz1MHz的正弦波、方波以及脉宽不小于100的脉冲信号频率测量，以及系统的自校功能。考虑到不同的测量方法对于不同频率测量带来的误差，对于频率为1Hz1KHz的信号使用测频法，对于频率1KHz1MHz的信号采用测周法，用单片机实现功能自动转换。放大整形电路使用了基本的晶体管放大模块，结合施密特触发器74HC132，使输出信号为TTL电平信号。此外本频率计实现了刷新时间110S连续可调，步进值
2、为1S，最终单片机在7段数码管上显示测量的频率值。系统设计达到了各项目标要求。关键词：频率测量；等精度测量；放大整形电路目录一、 引言 4二、 系统方案 41. 方案选择 42. 方案确定 6三、 理论分析与设计 6四、 电路与程序设计 8五、设计总结 9六、 参考文献 错误!未定义书签。一、 引言频率的测量在电子测量技术中是一项重要的内容。数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器，其基本功能是测量正弦波、方波、脉冲等周期信号的频率并将其显示出来，用途十分广泛。频率计的设计需要结合模拟电路、数字电路来综合搭建一个简单的电子系统，要求功能完全、测量准确。对于方案的选择、实际电路
3、的调试提出了一定挑战。二、 系统方案频率的测量方法可分为模拟测量法和数字测量法。模拟测量法利用谐振特性进行测量，与标准频率信号比较形成的李萨如图形进行测量。但是其系统较为复杂，且谐振电路较为复杂，精度难以保证。现在的频率测量方法都是基于数字测量，具有较高的精度。基本的频率测量方法有测频法和测周法。1. 方案选择1) 测频法频率的定义为单位时间内周期信号发生的次数。依据这一定义，要测量频率，即可以通过对一段时间内信号发生的次数计数得到。测量时间基准可以用单片机来产生，计数也可以通过单片机的运算功能实现。测频法的原理电路如图1所示。被测信号经整形变换得到周期为的被测脉冲串，电平转换为TTL电平，送
4、入单片机中。利用标准时钟信号分频得到的时间基准信号控制门控电路，在闸门开启的有效时间内允许被测脉冲串通过闸门电路进行计数，则被测信号频率可以表示为：分析考虑误差公式：图1测频法原理图不考虑单片机产生的时间基准的精度对频率测量的影响。根据这一测量原理，闸门信号开启和关闭这一时间段内的计数可能会带来误差，其最大值为。当误差减小时，闸门时间即基准频率自身的准确度对测量结果的影响是不可忽略的。考虑频率较低的情形（如1Hz时），某一闸门开启的时间段内经变换后与信号等频率的脉冲串没有经过闸门，则计数值少1。若要减少带来误差，就必须增大N，在被测信号频率较低的情况下，则要求闸门开放时间很长（即在不变的条件下
5、，要求分频系数大）。若被测频率很低，为达到一定的测量精度，就要求闸门开放时间大得难以忍受，即一次测量过程的时间很长，失去了使用意义。例如若被测频率为10Hz，精度要求为，则最短闸门开放时间为像这样的测量周期是根本不可能接受的，可见频率测量法不适用于低频信号的测量，在同样精度下10MHz的测量仅需要1ms，即对于高频信号适宜用此方法测量。2) 测周法测周法的基本结构与测频法是相同的，只是把晶体震荡产生的基准信号与被测信号的位置互换了一下。由此得计数值N与被测信号的周期成正比，N反映了M个信号周期的平均值。利用周期测量的方法在一定信号频率范围内，通过调节分频系数M，可以较好地解决测量精度与实时性的
6、矛盾。由上式可得第二项误差取决于晶体稳定度，第一项为计数器的量化误差，故该项主要取决于N的大小。在平均周期测量法中，N值得大小与测量时间的长短成正比，可根据测量精度要求而定。假定的允许误差为，则,在选定测量时间为，若，则测量时间为0.2s。对于不同范围的被测周期信号，可以通过调节分频系数M的大小，达到相近的测量精度，也就是有相近的测量时间，且不会太长。当然，对于高频信号，周期法就需要很大分频系数M，增加了硬件及软件的复杂性，不宜采用。2. 方案确定图2系统总体设计框图以上两种种方法中，测频法和测周法分别表现出在低频和高频情况下的明显不足。因此我们考虑将两种方法相结合，利用分段法分别进行测频和测
7、周。这就要求我们找到一个合适的临界频率，使得时用测周法测量，用测频法测量。这里我们选定。三、 理论分析与设计根据题目要求，我们将简易频率要完成的设计目标分成以下几个功能模块：1)输入信号的放大整形；2)单片机对信号频率的测量；3)单片机的自校功能；4)测量方式的设定功能。下面分别对这些功能模块进行理论分析：1） 输入信号的放大整形:要求我们对输入信号类型为正弦波、方波、脉冲波三种信号(幅度变化范围：0.5V5V，频率变化范围：1Hz1MHz，脉冲信号的脉冲宽度：大于100s)进行放大整形，得到与原信号同频率的方波信号或脉冲信号。同时进行TTL电平转换，以备下一步输入单片机的I/O口进行频率的测
8、量。常用的放大整形模块有多种。这里我们的输入信号其幅度已经较大了，所以不用考虑对微小信号的放大，一般的放大电路足以满足要求。另外输入信号的频率变化范围也不是很高，现在常用的放大元件（集成运放，三极管等）都能达到要求。2)单片机对信号频率的测量；由之前的分析，不论是测频法还是测周法，单片机核心的功能就是一个计数器的功能，在闸门时间内对所测信号上升沿进行计数，经过计算，得到频率测量值，同时进行输出显示。这一过程用软件语言来编写，思路上是比较容易的。51单片机提供的两个定时器计数器T0，T1即可完成设计。具体来说，可以用用定时器T1产生时间基准信号，用计数器T0作为被测信号的计数器。由于被测信号已经
9、被整形为符合TTL电平要求的脉冲，所以我们可以用中断处理的方法，让T0工作在下边沿中断计数的模式下。用T1来产生25ms的定时，用软件计数的方法实现闸门信号的产生。图3单片机工作框图3)单片机的自校功能自校是在时基单元提供的闸门时间内，对时标信号（频率较高的标准频率信号）进行计数的一种功能，用以检查频率计的整机逻辑功能是否正常。由于这时的闸门信号和时标信号由同一个晶振的标准信号经过分频得到，这时的计数结果是已知的。通过测量频率，如果显示出来的频率和这一时标信号的频率是一致的，那么说明整机的功能达到了要求，可以工作。另外，在自校状态下，由于闸门信号与时标信号是同一晶振产生的，同步关系始终成立，所
10、以频率计不存在量化误差（误差）。题目要求单片机用1MHz进行自校，但是这里由于我们采用了两个频率段的测量，也就是采用了两个闸门时间，因此要用两个时标信号来进行自校。实现的原理如图X。图4自校功能原理框图3) 测量方式的设定功能系统设计的要求之一是要满足显示方式为十进制数字显示，显示刷新时间110秒连续可调。也就是说单片机输出显示的信号要满足显示功能可以设定，刷新时间可以调控。这里我们在频率计系统设计中加入一个测量方式的控制按键，按键后用键盘设置刷新时间值。这样的功能用单片机程序来编写是比较容易实现的，在此不做过多讨论。四、 电路与程序设计(1)放大整形电路设计图5放大整形电路图由于输入信号最低
11、幅值为0.5V，所以要对其先进行放大，再整形。频率计的对输入阻抗的要求比较高。因此第一步信号输入要求输入阻抗很大以降低对信号源内阻的要求。故采用OP37运算放大器构成反向输入比例放大电路对信号进行放大。后级采通过74LS00与非门对输入电平取非，进行放大信号的整形，得到一个可符合单片机测频要求电平的矩形波。(2)单片机程序流程设计图6单片机流程图五、设计结果经过方案的不断调整，我们最终按照设计方案进行了硬件电路的焊接、单片机程序的编写，分别对放大整形电路的性能、单片机测频率的功能实现进行了调试，两部分均能满足题目要求之后，进行了系统联调。在单片机功能实现的调试过程中，我们用实验室的DDS信号源
12、产生满足TTL电平要求的方波，输入进单片机的P3.4口进行程序部分的验证。调整方波的幅值和频率，可以看出，从0.5V到1V，1Hz到1MHz，单片机均可以实现频率测量，测量精度在高频区略有下降，但能达到百分之一以内的精度，我们认为是可以接受的。刷新时间可调和自校这一功能由于我们时间上不太充足，虽然有所尝试但最终没有实现。我们对刷新时间的理解就是改变的是闸门信号。因为程序默认是定1S的闸门宽度，而刷新时间可调就可以使得闸门宽度变宽，使得低频测量不会产生正负1的误差。我们的思路是把定时器T1软件计数的值设为可以由按键控制的变量，通过按键改变这一变量，使得闸门宽度得到改变。在对放大整形电路的测试过程
13、中，我们发现在1MHz的情况下，OP37运算放大器由于增益带宽积不足，电压放大倍数锐减为34倍左右，当输入电压为0.5V放大倍数时不能越过四与非74LS00芯片的判定阈值，无法实现整形的效果。于是，我们组根据关永峰老师的建议，采用对直流电源分压的方式抬高电平，如图端点4处，将此处的电压抬升了2.5V左右，达到74LS00的阈值（约3.2V），从而实现了对信号的整形的作用。我们组采用了比较易于获取的器件，受限于器件的参数，我们采用了电容的滤波、隔直来保证波形的稳定，尽量减少噪声的影响。图中电容C1起隔直作用，以滤除信号中不稳定的直流分量，也便于下一步设定抬升电压的大小。电容C2滤除电源噪声。最终
14、验收测试的数据如下：0.55V的输入下，在正弦波输入的条件下，测频范围80Hz1.1MHz。在方波输入的条件下，测频范围1Hz1.5MHz。系统在正弦波作为输入信号时的低频部分（180Hz）无法实现准确测频，测出频率均在1kHz以上。用示波器观察放大整形信号可以看出，在低频部分的输出信号含有较多的噪声，输出的矩形波前出现一撮高频、高幅度的噪声，该段噪声无法通过电容滤波滤除，当频率提高时，该段噪声的幅度明显减小，我们组认为该噪声是器件内部噪声，是器件本身的局限性造成的，因此要提高频率计的性能就要改用性能更好的放大器和整形器件。五、 六、 七、 八、 九、 一十、 设计总结在本次实验的过程中，我们
15、通过简单常见器件的匹配和调整，基本实现了题目要求的参数，较好的完成了实验指标。实验过程中存在的不足是由于时间和个人能力的限制，未能在软件部分完成自校功能，硬件方面也没有尝试先前设计报告中性能更好的高速运算放大器、高速施密特触发器，采用了比较简单易的常用器件。在此次实验的过程中，我们组分工明确，一人负责总体设计、一人软件编程、一人硬件焊接，因此在实验中效率很高，很快完成了设计、调试和验收过程。在最开始的方案设计中中，我们借鉴了一个庞大的整形放大电路，但在实现的过程遇到了较大的困难，一方面是对电路理解的欠缺，一方面是调试上存在极大的困难。在实验的过程中，我们深刻体会到了设计要基于题目要求和指标，不能好高骛远，要基于自己的理解，广泛查阅资料，进而不断改进完善。在本次实验中，我们组观察到了硬件和软件的相互匹配关系，即从放大整形电路到单片机编程计数测算频率，最后在数码管上观察到输出结果，在软硬件的相互配合中实现功能，让我们体会了软硬件协调配合的过程和通过电路实现具体功能的过程，同时，在电路调试过程中也学会很多调试方法，收获了很多电路方面的经验。一十一、 参考文献1刘菊荣库锡树主编电子技术实验教程教程，电子工业出版社，198200.2黄虎，奚大顺主编电子系统设计专题篇，电子工业出版社，3233.
