基于51单片机数字频率计的设计.doc
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1、摘 要 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,因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式:一是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;二是间接测频法,如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量,间接测频法适用于低频信号的频率测量。本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简单的数字频率计的过程。关键词:频率,信号,周期AbstractIn electronic technolog
2、y,the frequency is the most basic one of the parameters,andwith a number of electrical parameters of the measurement program,measurement more important,There are several ways of mesuring frequency,in which electronic counter the frequency with high precision,easy to use ,quick measurements,and is ea
3、sy to realize the advatages of automaion of measurement process is an important means of frequency measurement.Electronic Counter Frequency Measurement There are two ways:First,the directfrequency measurement method,thatis,the gate in a certain period of time measured the number of measured signal p
4、ulse;2is indirect frequency measurement method,such as cycle frequency measurement method.Direct frequency measurement method for high-frequency signals offrequency measurement,indirect frequency measurement method for low-frequency signald of frequency measurement.In this paper,based on a commom in
5、tegrated circuit design of a simple digital frequency meter process. Key words:frequency,signal,period 目 录摘要一、引言(一)数字频率计概述1(二)问题提出1(三)设计思想1二、方案论证与比较(一)方案选择21、总体方案比较22、测频方案比较2(二)测频原理2三、数字频率计设计(一)数字频率计原理41、数字频率计的基本组成42、数字频率计的主要技术指标5(二)数字频率计的设计51、硬件电路设计52、软件的设计73、软件仿真9四、基本元器件的阐述(一)AT89S52简介91、主要功能特性102
6、引脚功能11(二)555定时器111、555定时器及其应用112、施密特触发器12五、结束语(一)总结13致谢14参考文献15附录16III一、引言 (一)数字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,方波信号以及其他各种单位时间变化的物理量。由于其使用十进制显示,测量迅速,精确度高,显示直观,所以经常要用到频率计。(二)问题提出中国电子测量仪器,随着世界高科技发展的潮流,走进了高科技发展的道路,在若干重大领域取得了突破性进展,为我国电子测量仪器走向世界水平奠定了良好的基础
7、在数字化时代,研究员和其他工作人员对基础测量仪器的要求越来越高,作为基础测量仪器之一的频率计必将有新的发展。于是测量仪技术指标上不断提高,如测频精度高、抗干扰能力强等。以满足不同层次用户的测试要求。近几年,数字化仪器在迅速发展,我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器,以适应当今科技发展。在电子领域中,单片机的应用正在不断的走向深入,这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比,在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用,并走入家庭,从洗衣机到音响汽车等等,处处可见。因此,可以说单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一
8、数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波,方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器,可以对多种物理量进行测试,比如机械振动的频率,转速,声音的频率以及产品的计件等等。 因此,数字频率计是一种应用很广泛的仪器。数字频率计作为一种常见的应用电子仪器设备,传统的一般可以完全由硬件电路搭接而成,如采用基于555定时器电路的多功能数字频率计的设计便是可取的路径之一,不用依靠单片机。但是这种电路存在一些缺点,且测频精度也不如单片机的高。在科学研究和生产实践中,如工业过程控制,生物医学,地震模拟机械振动等领域常常要用到频率计。利用单片机采用程序设计方法来设计频率计,其测频精度高
9、且线路相对简单,结构紧凑,价格低廉,系统稳定度高,抗干扰能力强,用途广泛等优点。只要对电路稍加修改,调整程序,即可完成功能升级。(三)设计思想利用施密特触发器将边缘缓慢变化的周期性信号如正弦波、三角波或任意形状的模拟信号变换成同频率的矩形脉冲。通过MCS-51系列单片机内部的两个十六位定时/计数器测量某段时间内的外加脉冲数,经过处理并通过数码管直接显示出所加信号的频率。单片机内部的T0用来定时,T1用来计数(下降沿触发)。当来一个计数脉冲则计数一次。在T0开始定时的同时,T1开始计数;T0定时1s时间到时,T1停止计数。方框图如图1.1所示。 图1.1二、方案论证与比较(一)方案选择1、总体
10、方案比较方案一:采用数字逻辑电路制作,用IC拼凑焊接实现。其特点是直接用现成的IC组合而成,简单方便,但由于使用的器件较多,连线复杂,体积大,功耗大,焊点和线路较多将使成品稳定度与精确度大打折扣。方案二:采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)制作,利用EDA软件编程,下载烧制实现。将所有器件集成在一块芯片上,体积大大减小的同时还提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真,调试,每个设计人员都可以利用软件代码,提高开发效率,缩短研发周期,降低研发成本。易于进行功能扩展,可以利用频率计的核心技术,改造成其它产品。实现方法灵活,调试方便,修改容易。比较以上两种方案,易见采用后者更优。2、测频方案比较方案一:
11、完全按定义式F=N/T进行测量。在门限时间Tpr内,用计数器计数,获得数值N,频率由于公式计算得出。此方案为传统的测频方案,其测量精度将随被测信号频率的下降而降低。方案二:对被信号的周期进行测量,再利用F=1/T可得频率。此方案当被测信号的周期较短时,会使精度大大下降。方案三:等精度测频,按定义式F=N/T进行测量。被测信号和标准信号,在相同门限时间Tpr内,同时分别计数,而后对比得出被测信号频率Fx。此方案测频精度将不会随被测信号频率的下降而降低;在相同的门限时间内测量精度恒定不变。综上所述,选用第三种测频方案。(二)测频原理根据前面一节所述,下面详细介绍等精度测频原理:为了提高测频的精度,
12、采用等精度测频方法。等精度测频的实现方法可以用图2.1来简化说明。 门控信号D QCOUNT1CLKEN CLK OUT1CLR标准信号COUNT2CLKEN CLK OUT2CLR被测信号清零信号图2.1 等精度测频原理框图图2.1中的门控信号是可预置的宽度为Tpr的一个脉冲。COUNT1和COUNT2是两个可控计数器。标准频率信号从COUNT1的时钟输入端CLK输入,其频率为Fs;经整形后的被测信号从COUNT2的时钟输入端CLK输入,设实际频率为Fxe,被测量频率为Fx。当门控信号为高电平时,被测信号的上沿通过D触发器的Q端同时启动计数器COUNT1和COUNT2,对被测信号Fx和标准信
13、号Fs同时计数。当门控信号为低电平,随后而至的被测信号的上沿将使这两个计数器同时关闭。设在一次门控时间Tpr中对被测信号计数值为Nx,对标准频率信号的计数值为Ns。则: (2-1)就可以得到被测信号的频率值为: (2-2)误差分析如下:在一次测量中,由于Fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的,在Tpr时间内对Fx的计数Nx无误差;在此时间内Fs的计数Ns最多相差一个脉冲,即有,则下式成立: (2-3) (2-4)由式(2-3),(2-4)得: (2-5) (2-6)根据相对误差公式有: (2-7)将(2-5),(2-6)代入(2-7)整理得: (2-8)又因为: (2-9)所以: (2-
14、10)即有: (2-11)其中: (2-12)由以上推导结果可得出下面结论:1、相对测量误差与频率无关。2、增大Tpr或提高Fs,可以增大Ns,减少测量误差,提高测量精度。3、标准频率误差为,由于晶体的稳定度很高,标准频率误差可以进行校准。4、等精度测频方法测量精度与预置门宽度和标准频率有关,与被测信号的频率无关。在预置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下,等精度测量法的测量精度在整个测量范围内保持恒定不变,而常规的直接测频法(在低频时用测周法,高频时用测频法),其精度会随着被测信号频率的下降而下降。三、数字频率计设计(一)数字频率计原理1、数字频率计的基本组成(1)测量控制
15、电路,由一块CD4017和一块74LS04构成,其CP端输入1s脉冲信号,输出Q2用于计数器清零,Q1经过一个非门用于锁存,Q0经过一个非门用于计数测频。(2)计数器,计数器以待测信号作为时钟,清零信号clear到来时,异步清零:test-en为高电平时开始计数。计数是以十进制数显示,如果需要测试较高的频率信号,则将dout的输出位数增加,当然锁存器 位数也要增加。(3)锁存器,当test-en下降沿到来时,将计数器的计数值锁存,这样可由外部的七段译码器译码并在数码管显示。设置锁丰器的好处是暗淡无光的数据稳定,不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。锁存器的位数应跟计数器完全一增。(4)电源电路,
16、5V稳压输出供数字电路使用。工作原理:数字频率计是直接用十进制数字来暗淡显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率,而且还可以测量它们的周期。数字频率计由一个1秒钟脉冲产生电路、一个测量控制电路、一个计数器、一个锁存器和电源电路组成。数字频率计是测1秒钟脉冲产生电路。设计数字频率计的关键是设计一个测频率控制信号发生器,产生测量频率的控制时序。控制时钟信号取为1Hz,2分频后即可产生一个脉宽为1秒的时钟test-en,以此作为计数闸门信号。当test-en为高电平时,允许计数;当test-en由高电平变为低电平时,应产生一个锁存信
17、号,将计数值保存起来;锁存数据后,还要在下次test-en上升沿到来之前产生零信号clear,将计数器清零,为下次计数作准备。2、数字频率计的主要技术指标(1)频率准确度一般用相对误差来表示,即(+)式中,为量化误差(即1个字误差),是数字仪器所特有的误差,当闸门时间T选定后,越低,量化误差越大;为闸门时间相对误差,主要由时基电路标准频率的准确度决定,。(2)频率测量范围在输入电压符合规定要求值时,能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应起决定。(3)数字显示位数频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多,分辨率越高。(4)测量时间频率计完成
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