数字频率计的设计.doc
/*数字频率计的设计摘要：采用STC89C52RC单片机作为系统的核心控制器件，该系统采用直流供电，由信号输入模块、信号相加模块、滤波模块、信号比较器模块，电平转换模块组成，具有信号输入、测信号频率、测量矩形方波占空比的功能，并且具有测量精度高功耗低、抗干扰能力强等特点。1 方案设计与比较11.1 信号混合电路模块11.2 滤波电路模块21.3 正弦波整形电路21.4测频系统模块22 理论分析与计算22.1 同相加法电路分析计算22.2 二阶高通滤波电路分析计算22.3 比较器电路分析计算33 电路设计33.1加法器电路33.2 高通滤波电路43.3 比较器电路54 程序设计54.1 频率的测量54.2 由频率测量到占空比测量切换的实现54.3 占空比的测量55 作品测试65.1 测试仪器65.2 测试方法65.3 测试结果及分析65.3.1信号混合器波形测试65.3.2频率测试75.3.3占空比测试85.4 结果分析86 总结8参考文献91 方案设计与比较1.1 信号混合电路模块方案一：同相加法器。加法器是一种数位电路，其可进行信号的加法计算。加法器是产生数的和的装置。加数和被加数为输入，和数与进位为输出的装置为半加器。若加数、被加数与低位的进位数为输入，而和数与进位为输出则为全加器。同相加法器输入阻抗高，输出阻抗低 反相加法器输入阻抗低，输出阻抗高 当选用同相加法器时，如A输入信号时，因为是同相加法器，输入阻抗高，这样信号不太容易流入加法器，反而更容易流入B端，而影响到B端的正常使用;同样，如B输入信号时，容易流入A端，而影响到A端的正常使用。 方案二：反相加法器。当选用反相加法器时，因为加法器输入阻抗低，不管是A端，还是B端信号，更容易流入加法器，而不会影响其它路的正常使用。综上所述选择方案一。1.2 滤波电路模块 方案一：选用有源二阶切比雪夫高通滤波器。切比雪夫滤波电路在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动，有可能有纹波波动导致电压达到施密特触发器的上限或下限出发电平，导致误触发，输出方波可能严重失真。 方案二：选用有源二阶巴特沃斯高通滤波器。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，由于巴特沃斯滤波电路的幅频响应曲线很平滑，没有起伏，可以有效规避施密特比较器中的误触发，所以选用幅频响应曲线最平滑的巴特沃斯型滤波器，可以有效规避误触发 。综上所述选择方案二。1.3 正弦波整形电路方案一：采用分立器件搭建整形电路。由于分立器件电路存在着结构复杂、设计难度大等诸多缺点，因此不采用该方案。方案二：采用集成比较器运放。常用的电压比较器运放LM339的响应时间为1300ns，远远无法达到发挥部分100MHz的频率要求。因此，采用响应时间为4.5ns的高速比较器运放TLV3501。1.4测频系统模块方案一:采用传统的TI的MSP430单片机对系统进行控制，但其容量小，工作电压较低与板子工作电压不符，功耗较大。方案二：采用51单片机对系统控制，该单片机的工作电压为5V，与板子的工作电压一致，而且性能很好，功能强大，既能满足对功耗控制要求，又能达到设计要求。综上所述，选择方案二。2 理论分析与计算2.1 同相加法电路分析计算NE5532具有输入阻抗高，输出阻抗低等特点。当选用同相加法器时，需要在输入信号后加一个电压跟随器，然后才通过同相加法器进行信号混合。采用NE5532芯片作为信号的来实现电压跟随器与加法器，其驱动电压为5V，并且在电压端需要加入退耦电容，防止电路通过电源形成的正反馈通路而引起的寄生振荡。当信号S1与S2输入过后，由于电压跟随器的作用导致信号电压衰减一倍，因此在同相加法电路中需要将输出信号S3电压放大一倍,所以，R3与R4电阻选用10K电阻。Av=R4/(R3+R4)+1,R3=R4=10k。2.2 二阶高通滤波电路分析计算 高通滤波器，又称低截止滤波器、低阻滤波器，允许高于某一截频的频率通过，而大大衰减较低频率的一种滤波器。它去掉了信号中不必要的低频成分或者说去掉了低频干扰。它是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。其中最低允许通过频率Wc=1/RC。输入S3混合信号时，可以滤掉S2低频信号，S1高频信号可以通过，可采用NE5532组装成该电路，该电路参数由Filterpro deskstop软件自动确定。参数如图所示：2.3 比较器电路分析计算 施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。本实验采用的是LM311比较器。由于施密特触发器的比较电压接地为0V,输入信号与0V相比较，根据输入信号的电压幅度值确定上限触发电平Vt1与下限触发电平Vt2并确定各个电阻值，最后测得经过窗口比较器输出后的方波比较符合理想情况，可以正常工作。3 电路设计 我们设计的频率计组要分为以下几个部分：同相加法器、滤波器、比较器、单片机控制系统。本设计中的核心是由STC89C52RC构成的控制系统，通过单片机的外部中断及单片机内部的定时器来完成待待测信号频率及周期的测量。定时器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，外部中断一次，并且变量自动加1，这样就可以测量出信号的频率。（如图）3.1加法器电路如下图： NE5532具有输入阻抗高，输出阻抗低等特点。当选用同相加法器时，需要在输入信号后加一个电压跟随器，然后才通过同相加法器进行信号混合。采用NE5532芯片作为信号的来实现电压跟随器与加法器，其驱动电压为5V，并且在电压端需要加入退耦电容，防止电路通过电源形成的正反馈通路而引起的寄生振荡。输入信号各接入一个由NE5532运算放大器构成的电压跟随器，然后各接入一个10K的电阻一起输入同相加法器，同相加法器的R3，R4电阻都为10K,以保证其内部包含的固定增益放大器的增益额度由外接反馈的网络不同而改变，以满足增益变化的需要。3.2 高通滤波电路电路图如图所示， 选用有源二阶巴特沃斯高通滤波器。巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，由于巴特沃斯滤波电路的幅频响应曲线很平滑，没有起伏。由两个68nf的电容与一个1.5K的电阻从正极输入一个NE5532运算放大器。负极接一2.7K的电阻接地，接10K的电阻与运算放大器的输出端相连。 3.3 比较器电路 比较器用的芯片是LM311，LM311是一款兼容TTL器件引脚的高速CMOS器件，逻辑功能为6路斯密特触发反相器，其耗电量低，速度快，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。电路图如图。4 程序设计4.1 频率的测量单片机控制系统采用STC89C52RC单片机，STC89C52RC单片机具有低功耗模式，并且具有5个中断源，有两个外部中断两个内部中断还有一个串口中断。程序使用单片机内部计数器和定时器实现测量。主要是通过比较器和电平转换器将输入信号转换为单片机可利用的矩形脉冲信号，编程计数一秒内矩形脉冲的个数，从而实现测量输入信号频率的功能。4.2 由频率测量到占空比测量切换的实现由单片机上的按键实现，按下去（长按），数码管则显示矩形脉冲的占空比，若为按下此键，数码管则显示的是输入信号的频率。4.3 占空比的测量 如上图所示，当脉冲的上升沿来临时，将定时器打开；紧接着的下降沿来临时，读取定时器的值，假设定时时间为t1；下一个上升沿来临时关闭定时器，读取定时器的值，假设定时时间为t2。t1即为1个周期内高电平的时间，t2即为脉冲的周期。t1/t2即为占空比，1/t2即为频率。5 作品测试5.1 测试仪器 直流稳压电源：GPD-33030，一台 数字储存示波器：DS1102E, 一台 函数信号发生器：DG1022U, 一台 万用表：VC890C， 一台5.2 测试方法利用函数信号发生器，产生一系列满足题目要求的待测信号，使用本电子设计竞赛作品对待测信号进行测量，并分析计算相对误差。同时，使用示波器的脉冲测量功能，对比测量，信号参数。测试时的装置连接方式如图。5.3 测试结果及分析5.3.1信号混合器波形测试 波形测试如图，输入频率分别为50HZ和50KHZ，峰峰值都为1VPP的正弦波通过信号混合器后，波形如图所示。可以明显观测到50KHZ的波形被50HZ的波形所影响。5.3.2频率测试S2幅度(Vpp)S2频率（Hz）待测作品显示频率(Hz）待测作品测量相对误差（%）示波器测得的频率（Hz）0.25k 2535 50.31 51020.55k 4985 0.30 50001.05k 4985 0.30 50002.05k 4985 0.30 50000.210k 6113 38.87 10K0.510k 9975 0.25 10K1.010k 9975 0.25 10K2.010k 9975 0.25 10K0.250k 31355 37.29 50K0.550k 49898 0.204 50K1.050k 49898 0.204 50K2.050k 49898 0.204 50K0.2100k 62909 37.09 100K0.5100k 99795 0.205 100K1.0100k 99796 0.204 100K2.0100k 99796 0.204 100K5.3.3占空比测试 S2频率（Hz）S2 占空比待测作品显示频率（Hz）待测作品频率测量相对误差 （%）待测作品显示占空 比(%)待测作品占空比测量相对误差（%）示波器测得的频率 （Hz）示波器测得的占空 比 (%) 5k0.1 4985 0.30 9.91 0.9 5K 105k0.2 4985 0.30 20.22 1.1 5K 20 5k0.5 4985 0.30 50.01 0.02 5K 505k0.8 4985 0.30 79.84 1.06 5K 795k0.9 4985 0.30 89.54 1.75 5K 8810k0.1 9975 0.25 10.24 2.4 10K 1010k0.2 9975 0.25 20.05 0.25 10K 2010k0.5 9975 0.25 49.70 3.54 10K 4810k0.8 9975 0.25 79.32 1.69 10K 7810k0.9 9975 0.25 88.87 0.98 10K 885.4 结果分析系统在正弦信号测量频率和测量方波占空比均达到基本和发挥部分要求，各项指标测量精度高，交流电压信号测量频率范围广，整体性能达到题目发挥部分要求。仅在输入电压幅值为0.2VPP时测量有所偏差，输出信号无法达到单片机所能识别信号的要求。经测量220MV及以上输入信号经电路的输出的均能达到题目要求。6 总结 本系统以STC89C52RC单片机作为系统的核心控制器件，用NE5532集成运算放大器芯片对输入信号进行相加和滤波，再利用LM311芯片构造信号比较器，将信号进行波形变换。系统采用直流供电，该系统采用直流供电，由信号输入模块、信号相加模块、滤波模块、信号比较器模块，电平转换模块组成，具有信号输入、测信号频率、测量矩形方波占空比的功能，并且具有测量精度高功耗低、抗干扰能力强等特点。综上所述，基本已完成题目所给要求。参考文献1 张迎新等著. 单片机微机原理及应用. 电子工业出版社.2 胡泽等著. 电子技术实验教程. 高等教育出版社.3 胡大可著. MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用(第三版). 北京航空航天出版社,2006.4 李朝青著. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社,2005.附件1：52单片机数码管显示连接电路图附件2：51单片机系统电路图附件3：功能切换按键电路图附件4：部分源程序（略）
