毕业论文-数字频率计系统设计07477.doc
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1、保密类别 编号 xxxx 学院学院 毕毕 业业 论论 文文 数字频率计系统设计 系系 别别 电子信息科学系电子信息科学系 专专 业业 电子信息工程电子信息工程 年年 级级 级电信一班级电信一班 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 年年 月月 日日 I 摘摘 要要 在电子测量领域中,频率测量的精确度是最高的,可达数量级。因此,在 13 10 生产过程中许多物理量,例如温度、压力、流量、液位、PH 值、振动、位移、速度、 加速度,乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率,然后用数字频率 计来测量,以提高精确度。 国际上数字频率计的分类很多。按功能分类,测量某种单一功能的计数器。如频
2、 率计数器,只能专门用来测量高频和微波频率;时间计数器,是以测量时间为基础的 计数器,其测时分辨力和准确度很高,可达 ns 数量级;特种计数器,它具有特种功 能,如可逆计数器、预置计数器、差值计数器、倒数计数器等,用于工业和自动控技 术等方面。数字频率计按频段分类有低速计数器:最高计数频率10MHz;中速计数 器:最高计数频率 10100MHz;高速计数器:最高计数频率100MHz;微波频率计 数器:测频范围 180GHz 或更高。 本方案主要以信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。 AT89C52 单片机是频率计的控制核心,来完成它待测信号的计数,译码,显示以及对 分频
3、比的控制。利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。 在整个设计过程中,所制作的频率计采用外部分频,实现 1Hz1MHz 的频率测量, 而且可以实现量程自动切换流程。以 AT89C52 单片机为核心,通过单片机内部定时/ 计数器的门控时间,方便对频率计的测量。其待测频率值使用四位共阴极数码管显示, 并可以自动切换量程,单位分别由 3 个发光二极管指示。本次采用单片机技术设计一 种数字显示的频率计,具有测量准确度高,响应速度快,体积小等优点。 关键词:频率计关键词:频率计 单片机单片机 计数器计数器 量程自动切换量程自动切换 II ABSTRACT In the field of elec
4、tronic measuring, frequency measurement is the most accurate, The accuracy is up to orders of magnitude. Therefore, many 13 10 physical measure in the production line, such as the temperature, pressure and discharge, liquid and PH value, vibration and move, speed, acceleration, even as various gaseo
5、us percentage composition etc. all use Sensor to convert into signal frequency, then measure with the digital frequency meter raise the accuracy. There is a lot of kinds of digital frequency meter international.Distinguish theclassification of function, measuring a certain single function counter.As
6、 the digital frequency meter, could be used to measure high frequency and microwave frequency only;Time counter,which is based on measuring time,the time measuring resolution and accurate degree while measuring are very accurate, can reach the ns amount class;The special counter, it has a special ki
7、nd function, such as reversible counter, preset counter, difference counter,countdown counter etc., which are used for industry and automatic control technology,etc.There is a low speed counter distinguishing the digital frequency meter in band:the highest count frequency100 Mhzs;The microwave frequ
8、ency counter:Measure frequency range 1-80 Ghzs or higher. This project is mainly formed by signal importation and enlarge an electric circuit and microcontroller module, frequency division module, the III display circuit module. AT89C52 MCU is the controlling core of the frequency meter, it complete
9、s the count of the signal under testing, decoding, display and controllig of the frequency division ratio. Using its internal timer and counter to complete measuring the signal under testing. In the design process,the produced frequency meter uses external dividing frequency, to achieve 1Hz 1MHz fre
10、quency measurements, and could achieve the process that switch the flow automatically. Regard AT89C52 microcontroller as the core, with the MCU internal timing / counter gated time, it can be easy for measuring frequency meter. The frequency to be measured displays with four common cathode, and it c
11、an automatically switch range,the unit consists of 3 light-emitting diode indicates. The design uses of microcontroller technology to design a digital frequency meter, it has high accuracy, fast response speed, the advantages of small size. KEY WORD: Frequency Meter Single Chip Counter Range Automat
12、ically Switch 目目 录录 第一章第一章 前言前言1 1 1.1 频率计概述 1 1.2 频率计发展与应用 1 1.3 频率计设计内容与要求 3 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计4 4 2.1 测频的原理 4 2.2 频率测量的误差分析 5 2.3 设计任务的分析及方案的论证 6 2.4 等精度测量技术的理论分析 7 2.5 总体思路 8 2.6 具体模块 8 第三章第三章 硬件电路具体设计硬件电路具体设计1010 3.1 AT89C52 主控制器模块 .10 3.1.1 单片机开发板原理图 .10 3.2 放大整形模块 .12 3.3 分频设计模块 .13 3.3.
13、1 分频电路分析 .13 3.3.2 74LS161 芯片介绍14 3.3.3 74LS151 芯片介绍16 3.3.4 分频电路 .17 3.4 显示模块 .18 3.4.1 数码管介绍 .18 第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计1919 4.1 软件模块设计 .19 4.2 中断服务子程序 .20 4.3 显示子程序 .21 4.4 量程档自动转换子程序 .22 4.5 应用软件简介 .22 4.5.1 KEIL 简介.23 4.5.2 PROTUES 简介24 第五章第五章 频率计的系统调试频率计的系统调试2525 5.1 硬件调试 .25 5.1.1 整形模块调试25 5.1.
14、2 分频模块调试 .26 5.2 功能调试 .27 5.3 系统调试 .27 5.3.1 系统软硬件调试 .27 5.4 误差分析 .28 总结总结2929 参考文献参考文献 3030 致致 谢谢3131 附件:频率计源程序附件:频率计源程序3232 1 第第 1 章章 前言前言 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强, 易于传输,因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展,频率测 量成为一项越来越普遍的工作,测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的 关注。 1.11.1 频率计概述频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测
15、量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本 功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行 模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量 迅速,精确度高,显示直观,经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测 量频率,通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成,产品不但体积大, 运行速度慢而且测量低频信号不准确。在数字电路中,数字频率计属于时序电 路,它主要由具有记忆功能的触发器构成,计算机及各种数字仪表中,都得到 了广泛的应用。在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量 的测量方案、测量结果都有十分密切的关系
16、,因此频率的测量就显得尤为重要。 测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有使用方便、测量迅速, 以及便于实现测量过程自动等优点,是频率测量的重要手段之一。本次采用单 片机技术设计一种数字显示的频率计,测量准确度高,响应速度快,体积小等 优点。 1.21.2 频率计发展与应用频率计发展与应用 随着科学技术的发展,用户对电子计数器也提出了新的要求。对于抵挡产 品要求使用操作方便,量程(足够)宽,可靠性能搞,低价格。而对于中高档 产品,则要求有高分辨率,高精度,搞稳定度,高测量速率;除通常通用计数 器所具有的功能外,还要有数据处理功能,时域分析功能等等,或者包含电压 测量等其他功能。这些要求
17、有的已经实现或者部分实现,但要真正完美的实现 这些目标,对于生产厂家来说,还有许多工作要做,而不是表面看来似乎发展 到头了。 由于微电子技术和计算机技术的发展,频率计都在不断地进步着,灵敏度 2 不断提高,频率范围不断扩大,功能不断地增加。在测试通讯、微波器件或产 品时,通常都是较复杂的信号,如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率 分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测 量不同类型的信号,必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波 计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路,另外还包含多个时间基准、 合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完
18、成技术任务的,但 制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和 价格会有所差别,比如说一些计数器可以测量脉冲参数,并提供类似于频率分 析仪的频幕显示,对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器。我们应该视 测试需要正确的选择,以达到最经济和最佳的应用效果。 数字电路制造工业的进步,使得系统设计人员能在更小的空间实现更多的 功能,从而提高系统可靠性和速度。现如今,数字频率计已经不仅仅是测量信 号频率的装置了,用它还可以测量方波脉冲的脉宽。在人们的生活中频率计也 发挥着越来越重要的作用,比如用数字频率计来监控生产过程,这样可以及时 发现系统运行中的异常情况,以便给人们争取时间
19、处理。 除此之外,它还可以应用于工业控制等其它领域。在传统的电子测量仪器 中,示波器在进行频率测量是频率较低,误差较大。频率仪可以准确的测量频 率并显示被测信号的频谱,但测量速度较慢,无法实时的跟踪捕捉到被测信号 的频率变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化,因 此频率计拥有非常广泛的引用范围。在传统生产制造企业中,频率计被广泛应 用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化, 用于通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品,确保产品质量。在计 量实验室中,频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无 线通讯测试中,频率计既可以被用来对
20、无线通讯基站的主时钟进行校准,还可 以用来对电台的跳帧信号进行分析。 对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现,如利用 MAXIM 公司的 ICM7240 来设计频率计。但由于这种芯片的计数频率比较低,远不能达到在一 些场合需要测量很搞的频率要求,而测量精度也受到芯片本身的限制。提出的 用 AT8C52 单片机设计频率计的方法可以解决这些问题,实现精度较高、等精度 和宽范围频率计的设计。 3 1.31.3 频率计设计内容与要求频率计设计内容与要求 一、任务 目的在于设计出一个高频宽(1Hz1MHz),低误差(误差精度为)的时间 6 10 参数测量系统 二、要求 (1)频率测量 a)测量范围信号
21、:方波、正弦波 幅度:0.55 V 频率:1Hz1MHz b)测试误差0.1% (2)周期测量 a)测量范围信号:方波、正弦波 幅度:0.55 V 频率:1Hz1MHz b)测试误差0.1% (3)周期脉冲信号占空比测量 a)测量范围频率:1Hz15kHz 幅度:0.55V 占空比变化范围:10%90% b)测试误差1 (4)小信号放大和整形电路 其中,频率测量、周期测量应实现电路实模型及相应软件的设计和调试, 对于周期脉冲信号占空比测量应完成仿真电路设计。 4 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.12.1 测频的原理测频的原理 实现时间参数的数字化测量的仪器是电子计数器。对于
22、电子计数器而言, 测量频率的实质就是通过计数器记录待测信号的周期变化的次数,然后通过频 率的定义计算出待测信号的频率。 已知频率的测量表达式为: /fN T 从其测量原理和频率的数学表达式中不难看出,计数器测频必须具备以下 三个条件: (1)测量是一个比较的过程,被测信号要和基准信号作比较,必须有一个 标准的单位时间。 (2)为实现在单位时间内对于被控信号的振动次数的记录,必须有一个控 制电路。 (3)被测信号采样后的量化由电子计数器完成,以获得量化值 N。 对应于电子计数器测量频率的原理图如 2.1 所示: 图 2.1 电子测频的原理框图 可知电子计数法测频主要由 3 个部分组成: (1)时
23、间基准 T 产生电路。 时间基准产生电路的作用是用来产生计数器所使用的标准频率。 (2)计数脉冲形成电路 计数脉冲形成电路的作用是将被测的周期信号转换成可计数的窄脉冲。 5 (3)计数显示电路 计数显示电路的作用是对主门输出的脉冲进行计数,其结果显示在数码 管上。 2.22.2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析 对于电子计数器而言,直接测频的误差主要由两项组成,即1 量化误差 和标准频率误差。一般地,总误差可采用分项误差绝对值合成,即: 1 (|) xc xxc ff ff Tf 式中,等号右边括号内第一项为1 量化误差,第二项为标准频率误差。 (1)量化误差 用电子计数器测量频率,实际上
24、就是一个量化的过程,量化的最小单位是 数码的一个字或者一个脉冲。在测频时候,由于主门开启时刻与计数脉冲之间 的时间关系是不相关的,它们在时间轴上的相对位置是随机的,门控信号很难 精确的是被测信号的整数倍所以量化会带来误差,可知对于计数误差最大为 1 个数,所以计数器计数的最大的相对误差为: 11 x N NNf T 式中,是被测频率;T 是闸门时间。该表达式表明被测频率越高,闸门 x f 时间越宽,相对误差就越小。 (2)标准频率误差 标准频率误差又称为闸门时间误差,它是由晶振信号本身通过分频输出的 信号频率不稳定性导致的闸门时间的不稳定,而造成测频误差。 由误差合成原理可知: c c fT
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