数字频率计设计报告6489.pdf

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1、 数字频率计设计报告 电子信息学院 王家华 04 邹仁亭 03 肖 伟 01 .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，因此频率的测量显得更为重要。频率测量的方式通常是对方波信号进行沿判断或电平判断，再对相应的方波脉冲进行计数从而实现频率测量，因此频率测量的精度比一般其他物理量的精度要高很多。数字频率计是近代电子技术领域的重要工具之一，同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器（测量系统通过转换电路将所需测量的量转换为频率）从而通过测频率来提高精度的。本设计的数字频率计是基于超低功耗 MSP430 单片机来测量信号的频率，通过计数器计数

2、，并用十进制数显示出来，它具有精度高，测量速度快，读数直观等优点。关键词：频率测量;数字频率计;单片机;计数器;显示；.目 录 一，设计要求及功能设计方案 1,设计任务要求及相关指标 2,功能设计 二，频率测量方案的比较选择与理论分析 1，频率测量方法 2，方案的比较选择与理论分析 3，方案的选择确定 三，系统总设计方案及总体框图 四，单元模块电路与程序设计 1，稳压源模块 2，放大整形模块 3，数据测量计数模块 4，程序设计模块 五，测试结果分析 1，稳压模块测试 2，放大整形电路测试 3，频率精度测试 六，实验过程遇到的问题及解决方法 1，电压不匹配 2，161 计数器计数不准确 3，自动

3、换挡模块效果不够理想.4，不能满足小信号输入时的要求 一，设计要求及功能设计方案 1,设计要求 1.1 基本要求（1）频率测量 测量围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差差10-3;（2）周期测量 测量围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差差10-3；（3）十进制数字显示测量结果。1.2 发挥部分 （1）频率测量 测量围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差差10-5（2）周期测量 测量围信号：方波，正弦波；幅度：0.55V；频率：1Hz1MHz；测量误差10-5；（3）自行设计并制作满足本设计任务要

4、求的稳压电源。2，功能设计方案.（1）能够测量正常的方波频率，误差10-5；（2）能够将正弦波放大整形为适合测量的方波并准确测量；（3）能正确的以十进制数显示出测量频率；（4）可以实现多次测量；（5）可实现高低频率的自动切换测量;二，频率测量方案的比较选择与理论分析 1，频率测量方法 1.1,直接测频法 根据频率测量的定义，在确定的闸门时间 T，利用计数器记录待测信号的周期数 N，从而计算出待测信号的频率 fx=N/T，原理如图 2-1 所示。此方案对低频信号的测量精度很低，较适合高频信号的测量。1.2，测周法 以待测信号为门限，用计数器记录在此门限的高频标准时钟脉冲数 M，用计数器记录在此门

5、限的脉冲数 N，由式 fx=M/N 确定待测信号的频率（原理如图所示）。当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时，可以获得很高的精度，而当被测信号频率过高时，由于.测量时间不足会有精度不够的问题，所以此方案适用于低频信号的测量。测周法原理图 1.3，等精度测频法 此方案和测周法很相似，但其测量时间并不是被测信号的一个周期，而是人为设定的一段时间。如图所示，闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制，测量精度与被测信号频率无关，因而可以保证在整个测量频段的测量精度保持不变。相关计数法同时使用两个计数器分别对待测信号频率 fx 和标频信号 fm 在设定的精确门进行计数，fx 的上升沿触发精确门。若两个

6、计数器在精确门对 fx 和 fm 的计数值分别为 M 和 N，待测信号的频率为：fx=Mfx/N。.等精度测量原理图 此方法和直接测量法不同的是，计数器真正开始计数的时刻不是预置闸门的开始时刻。这样计数器 1 对待测信号计数，计数由待测信号的上升沿控制，计数值 M 为整数，不存在误差。计数器 2 对标频信号计数，这样计数值 N 为非整数，故会存在1 的误差。另外，标频信号由晶振提供，故不存在误差。具体实现方法 M fx N 2，方案的比较选择与理论分析 2.1 方案比较与理论分析 D Q CLK 与门 与门 Fx 计数器 Fm 计数器 运算单元 闸门脉冲 fm 时钟发生器.直接测频法：此方案电

7、路简单，软件容易实现，为满足实验要求精度，较适合高频信号的测量，对低频信号测量精度很低。理论分析：设开启其闸门时间为 1S，计数值为 N，则 fx=N。但对其计数时会出现1 的误差，故要达到 10-5精度要求，必须使频率10k。但是，当给入方波经过软件试验后所测得的大量数据未能达到要求的精度，此外低频段要用测周法测量，直接测频法会给其频率的上限太高因而无法实现（测周法分析将会详细介绍）。故不能选用直接测频法。测周法：此方案是用于测量频率较低的信号，频率高时，由于测量时间不够，导致精度较低。理论分析：运用此方案时，以待测信号为门限，由 430 给出12MHz的高频脉冲为标频，记录此门限的脉冲数N

8、，则fx=12*106/N;但是由于待测信号的闸门开启闭合时间对标频信号是随机的，故对 N 会存在1 的误差。所得 fx*=12*106/（N1）；相对误差=（fx-fx*）/fx10-5，此时，计算可得 fx 应满足fx120Hz。等精度测频法：由于计数值 M 为准确值无误差，计数值 N 仅有1 的误差，所以，理论上等精度法高低频测得的值都比较准确。理论分析:此时标频信号依然用 430 提供的 fm=12MHz 的高频脉冲，由于对脉冲信号计数是由待测信号的上升沿控制，故计数 值 M 无误差，N 出现1 误差,则 fx*=M*fm/(N1)。=.（fx-fx*）/fx=1/(N1)。由此可知，

9、理论上等精度法测得的值误差均可达到要求。但是由于预置门和精确门开启时间有限，本设计为 1s 左右，理论上能测低频为 1Hz 信号。此外，通过等精度法侧低频得到以下数据:fx 150 140 130 120 110 100 90 fx*150.001 140.002 130.002 120.003 110.004 099.998 089.998 单位:Hz fx:输入信号频率 fx*:测得信号 由以上实验数据可以看出，等精度测频法在 100Hz 以上都可以达到五位数字有效，fx100Hz 后精度达不到。3，方案的选择确定 鉴于三种方案的能满足设计要求精度的频率限制比较,直接测频法误差太大,不予以

10、考虑。而测周法仅适用于低频信号的测量，等精度法对低频信号有一定限制。故本设计采用测周法和等精度法相结合的方法测量，即低频信号（fx100Hz）由测周法测量，高频信号由等精度法测量。具体实现方法：.M fx 高频段 低频段 fm 计数 N 三，系统总设计方案及总体框图 由上述所介绍各种频率测量方案的比较选择选定频率测量方案后，可确定最终总体系统方案：把输入的待测信号经过整形放大，得到可进行沿判断或电平判断的方波信号，再对此信号进行判断。若是所设置的低频信号（fx100Hz），则采用测周法用 MSP430 软件实现；若为所设置的高频信号，则采用等精度法，即把所设置的预置门信号和此待测信号分别作为

11、D 触发器的 D 和 CLK 输入，由触发器触发精确门信号，把此信号分别和待测信号、MSP430 提供的12M 高频脉冲送入与门，然后分别用 74HC161 计数器 1 和计数器 2经过与门后的信号进行计数，最终送入运算单元运算后算出所测频率和周期，并通过液晶频显示出来。系统总体框：D Q CLK 与门 与门 Fx计数器 Fm计数器 运算单元 闸门脉冲 fm 时钟发生器 作为闸门 滞回比较 数据选择器 数据选择器.待测信号 初始化 系统总电路图（见附录）四，单元模块电路与程序功能设计 1，稳压源模块 本实验设计稳压电源模块方便对电路供电，稳压电源要现由 220v 交流市电转化为稳定输出的15v

12、,12v,5v 直流电压。本设计采用前级 220v 转15v 变压器变压后，经过KBP206 桥式整流器进行整流后得到18v 左右的直流电压，将其接入此前设计的稳压模块输入端即可输出15v,12v,5v 直流电压。电路图如下：放 大整形 滞回比较 等 精度法 测 周法 MSP430 显示.V1220 Vrms 50 Hz 0 D11B4B421243C14mFT10.068 012345120R14.7kC210uFLED1D21N4148U1LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU3LM7812CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU2LM7815CTLINEVR

13、EGCOMMONVOLTAGE7C3100nFC410uFC5100nFC610uFC7100nFD31N4148C9100nFD41N4148R21kLED212U5LM7912CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU6LM7905CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC1010uFC11100nFC1210uFC13100nFC1410uFC15100nFU4LM7915CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC1610uFC1710uFR31kLED3D51N4148D61N4148D71N41485319C184mF180171420C810uF0118613 2

14、，放大整形模块 2.1 信号放大电路 本设计的信号放大电路选用的是 OPA604 运放，它是 FET输入型运放，摆率为 25V/us,增益带宽积为 20MHz。此时我们采用两级 OPA604，每级放大 10 倍左右，使之达到饱和放大以便过 LM311 进行电压比较，电路如图所示。.2.2 整形电路 本设计的整形电路选用的是 LM311 比较器进行比较使之得到稳定输出的方波信号，为尽量避免信号噪声的干扰，在其输出端接入 200 欧电阻到+5v 设计成为滞回比较器，输出端与+5v 端接入与门输出以便让信号上升下降更加陡峭，方便计数。3，数据测量计数模块 3.1 计数器单元 本实验选用 74HC16

15、1 计数器用来记录所要获得的数据，74HC161 是四位二进制可预置的同步加法计数器,并具有数据输出保持功能，要满足试验精度要求，仅记四位是远远不够的。为保证实验计数及精度的准确性，本设计采用六个计数器级联的方式分别对待测信号和标频信号在精确门进行计数，此时可记 24 位。电路如图：.3.2 读取数据单元 由于计数器位数太多，需要大量数据口对其进行读数，所以本设计采用74HC151数据选择器来对74HC161所记的数一一选择出来，此后在对其还原即可，如此便节省大量数据口，避免浪费。电.路图如下：4，程序设计模块 系统程序流图如下：.开始初始化f100测周法LCD显示等精度法MCU 五，测试结果

16、分析 1，稳压模块测试 经测试，稳压模块正常工作，所得电压稳定输出所需电压，测试结果如下：理想电压+15v+12v+5v-5v-12v-15v 测得电压+15.5v+11.7v+4.9v-4.8v-11.8v-15.4v 2，放大整形电路测试 对于前级放大整形模块进行测试：方波和正弦波的相互切换.能输出稳定的方波信号，并且调频 1Hz1MHz，调电压幅度 50mv5v均能正常稳定输出待测信号频率的方波以便后级计数模块对其进行计数。3，频率精度测试 fx 1 10 50 100 500 1k 10k fx*1.00002 9.99998 49.9997 100.001 499.998 1000.

17、01 10000.3 fx 50k 100k 300k 500k 800k 1M 1.5M fx*49999.2 10000.1 29999.7 49999.8 80000.3 100001 1500006 单位:Hz fx:输入信号频率 fx*:测得信号 测试结果显示，频率计测量精度达到 10-5满足实验要求。六，实验过程遇到的问题及解决方法 1，电压不匹配 实验过程时发现待测信号经过整形放大后再和相应的精确门共同经过与门后，输出的信号频率远远偏离理想值。然而对整形后待测信号和精确门信号进行测试，均为理想值。故可断定为与门出现问题。解决方法：实验时与门的使用通常采取+5V 供电，查询74HC

18、08pdf 可知此时对与门来说高电平应为 3 V 以上。而本实验采取低功耗单片机 MSP430 实现，其所能提供的最大电压为 3.3v。从而发现电压不匹配问题，本实验采取给与门供电减小为 MSP430 所提供的电压，使实验现象达到相应要求。.2，161 计数器计数不准确 在连接好实验电路后对高频信号检测的过程中发现，实验所测得的频率与给出信号的频率相差甚远。此时，先检查数据选择器借口所有数据是否正确，经检验得其选择数据环节没有偏差。又通过对 74HC161 的各个输出进行检测，结果发现其输出口分频结果完全正确，并且记到的数字与程序所及数据恰好吻合（但与准确频率有很大偏离），此时确定为计数器 7

19、4HC161 使用的问题。通过查阅 74HC161 芯片手册发现此芯片分频和计数功能不尽相同，查看其时序图可知，其开始计数是被测信号的上调沿触发，进位是前一位的下跳沿触发。故在级联时会出现提前计数的问题，导致数据紊乱。通过仔细，研究发现每一片的第四位总是在理想数据下提前其clk 信号的 1/16,并且是理想计数信号的取反。.解决方法：由上述可知，改进方法有两种：一，根据实际信号与理想信号差值关系和记录的实验数据把记录的错误数值进行写算法对其矫正。二，对每一芯片的最后一位输出端加一非门，使之正确的充当下一片的 clk，从而正确计数。由于电路板已经布线焊接完毕，在每个 161 第四位加一非门可能破

20、坏电路的性能美观等且不易焊接。故本实验采取第一种方案对其进行矫正。3，自动换挡模块效果不够理想 本设计采用的是测周法和等精度法相结合的频率测量方法,但是在实验过程中发现在测周法和等精度法交接点附近的频率测量不够准确。经检查发现是此处对高低频率的判断出现问题，由于比较时的频率是初测值不够稳定，故其进入高低频测量法不确定。解决方法：为解决此问题，我们采取了滞回比较的方法对其进行判断，这样使不够非常稳定的频率锁定为某种测量法测量，得到稳定精准的频率值。4，不能满足小信号输入时的要求 对完成的设计进行检测时发现，在对于小信号的输入时频率测量值非常不稳定，并且测量精度很差。在查找分析软件硬件是否存在问题后，发现输入信号信噪比很差，电源供电电压噪声和信号源噪声比较大。解决方法：对于电源噪声，我们采取对市电输出处添.加一电源滤波器对其进行滤波。对于小信号质量差，采取使用衰减网络对大信号进行衰减得到比较稳定的高质量小信号。通过这两部改进，小信号指标也能满足规定要求。.附录 系统电路图：