学士学位论文—-频率计设计.doc

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1、摘 要本设计采用单片机89S51及相应的输入信号处理电路设计频率测量系统。设计制作完成了智能能数字频率计。它主要由信号放大、限幅、整形、测量模块、控制与显示模块组成。它运用单片机强大的运算能力，克服了一般数字频率计在低频段精度不高的的缺点；采用频率自动分段技术，可自动实现频段间切换，提高响应速度组成。关键词：周期；频率；单片机AbstractThe system is based on the single-chip microcomputer 89S51,and relevant import circuit of signal processing. It is made up of si

2、gnal amplification and modify module, limit breadth,measure module, control and display module. It use powerful arithmetical capability of single-chip microcomputer,conquer the disadvantage that the commonly digital cymomeler has not high precision in low-frequency; The system using the technique of

3、 auto subsection,that can achieve the switch with the segment of frequency, and heighten the speed of response.Key Words: period frequency single-chip microcomputer设计任务采用单片机AT89S51及相应的输入信号处理电路设计频率测量系统；输入信号为方波、正弦波，输入电压15V；数据显示采用共阳LED数码管4位；具有电源接口，公共地线、电源需加滤波电路；具有上电自检功能。设计思路频率的测量实际上就是在1S时间内对信号进行计数，计数值就

4、是信号频率。用单片机设计频率计通常采用两种办法，1）使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，或者测量信号的周期；2）单片机外部使用计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。方案论证本次设计任务的关键问题在于如何在要求的测量范围内达到尽可能小的测量误差，针对此问题，我们进行了仔细的论证和比较。1.频率测量方案一：倍频法 由于直接测频法在高频区有很高的精度,可以把频率测量范围分成几个频段,利用倍频技术,将各个频段倍频后利用直接测频法测量,这理论上可以达到较高的精度,实际在低频时(低于100HZ),锁相电路工作性能很不理想,有时甚至不能正常工作,况且硬件的设计将变得复杂,本设计不采用此方案。

5、方案二：等精度数字测频 等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，故又称多周期同步测频，其原理如下:EXT1溢出开放EXT2中断开放EXT1和TMA，TMB中断 预置闸门fo Fx 实际闸门有 NxTx=NoTo其输入信号的频率可表示为： Fx=（Nx/No）*fo因此，只有对标准信号f0产生计数1的量化误差，它在整个测试频段的精度是相等的。其测量误差恒为： dfx/fx= dNo/No+|dfo/fo| = 1/fo+|dfo/fo|其中dfo/fo为晶体振荡器的频率准确度，通常可达-；1/fo则为标准信号fo产生

6、计数1的量化误差，现选用12.288MHZ(fosc/2)的频率作为标准信号，其合成总误差为。但由于硬件复杂，故不采用此方案。方案三：直接测频这是传统频率计用得较多的一种方法，其测频的一般原理框图如图所示。它是利用计数器在闸门G开启期间对输入信号的周期进行来完成测频的。若设计数值为N，则输入信号的频率可表示为： fx=N/Tg 由于闸门时间Tg是固定的，所以对于任意的fx不能保证在Tg时间内正好有N个Tx，因此会产生最大1个Tx的量化误差dN。这样，可得到直接方式下测频的相对误差为： dfx/fx= dNx/Nx+|df0/f0| = 1/fxTg+|df0/f0|其中df0/f0为晶体振荡器

7、的频率准确度，通常可达-；1/fxTg则为量化误差，在被测信号频率高，闸门时间宽的情况下此项相对误差较小，故采用此方案。2.放大整型 由于输入信号幅度为方波和正弦波，故须对此进行放大和整形，使其输出足以触发单片机的方波，有以下方案：方案一：采用分立元件使用场效应管作为输入级，以提高输入阻抗，用截止频率1000M的三极管进行放大，由于电路复杂，要调节部分多，且一致性差，故不采用此方案。方案二：采用高速电压比较比较器让输入信号与0v电压进行比较，亦可得到等频率的等幅方波。由于电路相对复杂，故不采用此方案。方案三：采用高速运放对输入信号进行统一放大，再经过稳压二极管限幅，然后进入施密特触发器进行整流

8、，输出等幅方波。其电路简单，价格低廉，故采用此方案。 3.结果显示方案一：数码管动态扫描 这是传统用得较多的方法，虽然功耗大，显示单一，不易于人机交互操作。但较为简单，故本系统采用此方案。方案二：采用大液晶LCD12864 特点是功耗低，显示内容丰富，能提供友好的人机交互操作界面。但费用较昂贵，故不采用次方案方案选择 通过对各方案的比较,在满足设计要求的前提下,选取如下设计方案。采用直接测量法进行测频，即输入信号经过高速运放TL082进行放大，送入稳压二极管对其限幅，再经过74LS14进行整流，使其成为等幅的方波。利用计数器在闸门G开启期间对输入信号的周期进行来完成测频。在程序编写上选用C语言

9、, C语言是简洁、高效、而又最贴近硬件的高级编程语言。在90年代初单片机C语言就已成熟为专业水平的高级语言，所以不再有顾虑，而且当前厂商在推出新的单片机产品时纷纷配套C语言编译器。系统框图被测信号输入通道信号放大、限幅和整形AT89S51单片机频率测量频率显示误差分析与参数计算频率测量量化误差分析及其公式推导如下。 (1)量化误差 设测得频率为Fx，被调频率真实值为Fs，标准频率为F。，在一次测量中预置门时间为Tg，被测信号计数值为Nx，标准频率信号计数值为No。 Fx计数的起停时间都是由该信号的下降沿触发的，在Tg时间内对Fx的计数Nx无误差在此时间内Fo的计数从最多相差一个脉冲，即 |ct

10、|1而 FxNxFoNo (21) FxeNx= Fo/(Noct) (Fxe为实际测得的频率) (22)由以上两式可得: Fx(FoNo)*Nx (23)Fxe(Fo(Noct)*Nx (24)根据相对误差公式有:|Fxe|Fxe=|Fxe- Fx|/ Fxe (25)将式(23), (24)代入(25)经整理后得|Fxe|Fxe=|ct|/No (26)因为 |ct|1所以 |ct|/No1/No (27)|Fxe|Fxe1/No 其中 No=Tg*Fo (28)由式(28)可以得出以下结论 相对测量误差与被测频率Fx无关无关. 增大Tg或Fo可以减少测量相对误差,提高测量精度. (2)标

11、准频率误差(时标频率误差)标准频率误差为Fo/ Fo,因为晶体的稳定度很高,标准频率误差可以校准,相对于量化误差,校准后的标准频率误差可以忽略不计.(3)预置门时间信号与闸门时间信号预置门的概念与传统的闸门的概念是不同的。预置门是指同时启动或停止标准频率信号计数器和被测信号计数器的门控信号。预置门的概念用于等精度测频测周期方法中，并称预置门的时间宽度为预置门时间。器件简介：AT89S51AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高

12、密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模

13、式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性: l 兼容MCS-51指令系统 l 4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM l 32个双向I/O口l 4.5-5.5V工作电压 l 2个16位可编程定时/计数器 l 时钟频率0-33MHzl 全双工UART串行中断口线 l 128x8bit内部RAM l 2个外部中断源l 低功耗空闲和省电模式 l 中断唤醒省电模式l 3级加密位 l

14、看门狗（WDT）电路 l 软件设置空闲和省电功能l 灵活的ISP字节和分页编程l 双数据寄存器指针引脚结构 二、74LS1474LS14是一个六触发反向器引脚图:真值表:三、TL082符号：TL082(EACH AMPLIFIER) 工作原理一、信号放大与整形模块 1信号的放大信号的放大电路由两块TL082组成，形成两级放大。信号经过放大后便于进行限幅和整形。2限幅与整形 限幅首先将放大后的波形进行限幅，利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点,可组成限幅(削波)电路用来限制输出电压的幅度如下图所示u1 为幅值大于直流电源电压VC1(=- VC2)A值的正弦波 整形利用74LS14

15、，将放大限幅后的波形整形为方波。二、控制与显示模型显示电路由4个共阳数码管组成，采用动态显示方式。在采用动态显示的系统中，微处理器或控制器应定时地对各个显示器进行扫描，显示器件分时轮流工作，每次只能使用一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的器件都同时显示。这种显示的优点是使用硬件少，占用I/O口少。开始程序流程 P0、P2口初始化化初始化TMOD初始化开中断 开机自检测量频率F9999 Y 进行处理P1.2=0 N显示 结束课设总结一、制作及调试过程：1制作过程在用Protel 99 SE制作电路版时，一定要确保电路原理图的正确，元件封装的选择要正确，适当时要自己做封装。电路版布局

16、要按电流的流动方向，布线尽可能少，这样把测试干扰降到最低。 特别要注意要用手动布线将晶振与电容定位，是晶振电路距离单片机晶振引脚最近。2调试过程 首先利用仿真软件进行初步调试，由于程序编写正常，所以的得到了正确的结果。 在进行正式的目标板调试前，先进行静态测试和直流测试，然后将仿真器与目标板相联调试，首先检查晶振是否起振，即观察ALE波形。 仿真运行正常后用编程器将.HEX文件写入89S51中。 最后脱机进行运行。二、调试要点调试使用仪器直流稳压电源 ：9伏 万用表DT9205M :1个数字信号发生器:1个调试内容电路板做好后即可进行调试步骤如下：（1）首先目测所印电路有无断点或可疑点，若有则

17、用电烙铁进行焊接。在本次实验所印电路良好。（2）电路短路的测试，不该短路的地方被短路，若有则切断连通的地方。（3）用万用表的蜂鸣再测试所有线路，确保都为正常通路。（4）调节电源为5伏，确定电源的直流稳定，用示波器接在电源两端看输出是否为一条直线。（5）将电源正确的接在电路的正负两端。 首先要确认的是各芯片电源引脚的电压是否正常，其次检查各种参考电压是否正常，另外还有各点的工作电压是否正常等。例如，一般的硅三极管导通时，BE结电压在0.7V左右，而CE结电压则在0.3V左右或者更小。如果一个三极管的BE结电压大于0.7V（特殊三极管除外，例如达林顿管等），可能就是BE结就开路。（6)输入被测信号

18、 将信号源加至输入端，然后依次往后测量各点的波形，看是否正常，以找到故障点。有时我们也会用更简单的办法，例如用手握一个镊子，去碰触各级的输入端，看输出端是否有反应，这在音频、视频等放大电路中常使用（但要注意，热底板的电路或者电压高的电路，不能使用此法，否则可能会导致触电）。如果碰前一级没有反应，而碰后一级有反应，则说明问题出在前一级，应重点检查。（7）程序调试测试记录：测试次数12345678实际值：1Hz100Hz200Hz500Hz800Hz1KHz10KHz50KHz测量值：1Hz100Hz200Hz499Hz799Hz999Hz9.9KHz49.9KHZ误差值：0.000.000.00

19、Hz1Hz1Hz1Hz10Hz100Hz测试结果通过测试，当被测信号输入时，在四位数码管上能正确的显示被测信号的频率。电路基本符合设计要求。但还存在的一定的误差。谢辞在上次课程设计的基础上，以及通过对智能仪器这门课程的学习和实验，完成的此次课设。在完成这次课程设计及论文的过程中,更全面的了解了频率计实现原理以及通过绘制电原理图及PCB的制作，复习了PROTEL的相关知识和应用，提高了对PROTEL 电路板设计软件的熟练。经过自己独立完成电路设计，制作电路板的整个课程设计过程,提高了理论水平和实际的动手能力；在调试过程中，提高了分析问题和解决问题的能力。在设计电路、编写程序以及制作调试电路板的过

20、程中，都遇到了很多困难和问题，同学的耐心讲解以及老师们的细心指导，给了我很大的鼓励和信心。所以此次能顺利完成这次的课程设计，要感谢所有帮助过我的同学和蒋艳红老师。这次课程设计让我们把从课本中学到的知识应用到实际当中，理论与实际相结合，通过这样的实践，让我们真正体会到了学习的乐趣，增强了学习兴趣，和有所学有所用的探索精神，同时在调试过程中，不断的发现问题，克服问题锻炼了我的毅力，让我拥有了遇到问题不放弃，遇到困难不退缩的毅力。让我在以后的学习和生活中更有信心。 这次的课程设计是一个很好锻炼机会，提高了我们各个方面的能力，为我们将来走出学校，为我们以后的学习和工作奠定了一定的基础。参考文献：1单片机的C语言应用程序设计 马忠梅 张凯 北京航空航天出版社 2003.112电子测量技术基础 杨吉祥 詹宏英 东南大学出版社 1999.13电子设计竞赛作品选 北京理工大学出版社 2005.34数字电子技术基础 阎石 清华大学电子教研组 2003附录：（见后面）15