設(shè)計報告18組

數(shù)字頻率計 設(shè)計題目：數(shù)字頻率計摘 要 本設(shè)計以單片機為核心設(shè)計了一種能測量方波和正弦波信號的數(shù)字頻率計。利用單片機的數(shù)學(xué)運算和控制功能，結(jié)合廣泛使用的中規(guī)模集成電路555定時器，通過555定時器搭建的施密特觸發(fā)器，其兩個閾值為0.2V，0.4V，既避免了量程自動轉(zhuǎn)換，又保證了精度。1KHz的時標(biāo)信號頻率由555定時器組成的振蕩器產(chǎn)生。AbstractThis design based on singlechip designed a kind of digital frequency counter measuring square wave and sine signals.Used singlechips mathematic operation and control functions,with the widespread use of 555 timing scale integrated circuit,through the schmitt trigger component by 555 timing,its two toggle threshold were 0.2V，0.4V,avoid the automatic conversio of range,and ensure the accuracy.The standard signal frequency of 1KHz composed of oscillator 555 timing.關(guān)鍵字單片機，頻率測量，周期測量，頻率計一設(shè)計方案及論證方案一：輸入通道選擇儀用可編程放大器，根據(jù)不同的電壓幅值選擇不同的放大系數(shù)。輸入信號首先由ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由單片機判斷電壓大小并決定放大系數(shù)。放大后的信號采用施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為TTL電平的矩形波，可直接送入單片機進行計數(shù)。原理框圖如下：方案二：輸入通道使用多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)（MUX），同方案一根據(jù)不同的電壓幅值選擇不同的放大系數(shù)，每一個電壓區(qū)間有相應(yīng)的放大電路。輸入信號首先由ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由單片機判斷電壓大小并決定放大系數(shù)，選通相應(yīng)的模擬量通道。放大后的信號采用施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為TTL電平的矩形波，可直接送入單片機進行計數(shù)。原理框圖如下：方案三：輸入通道只使用一個由555定時器搭建的施密特觸發(fā)器，其兩個閾值電壓可調(diào)，輸入電壓范圍為0.5V-5V。將施密特觸發(fā)器的高閾值電壓設(shè)置為0.4V，相應(yīng)的低閾值電壓則為0.2V。這樣的閾值電壓設(shè)置，可將0.5V-5V的正弦波和方波轉(zhuǎn)換為相同頻率的TTL電平的矩形波。原理框圖如下：方案比較及選用依據(jù)：方案一、二均使用了ADC0809，它是八位的ADC，轉(zhuǎn)換時間為100us，時間較長，前兩個方案都直接將模擬信號進行AD轉(zhuǎn)換，因ADC的絕對量化誤差保持不變，在電壓幅值較低時，相對量化誤差較大。另外，輸入信號為變化量，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量也相應(yīng)變化，單片機中須編制專門的排序程序，以此求出電壓幅值，增加了軟件編寫難度。并且前兩個方案使用了較多的器件，電路復(fù)雜、可靠性差。方案三電路簡潔，設(shè)計難度小、可靠性高；輸入通道無需單片機進行控制，沒有增加軟件編寫難度。軟硬件均比較簡單。綜上所述，決定選用方案三作為最終具體實施的方案。二理論分析與軟件說明1.測量原理1.1頻率測量 由于單片機具有程序運算功能，且頻率為周期的倒數(shù)，使頻率測量可以互通。頻率測量的基本原理如圖所示。 按照頻率的定義，即單位時間內(nèi)周期信號的發(fā)生次數(shù)，圖中參考晶體振蕩提供了測量的時間基準(zhǔn)，分頻后通過控制電路去開啟與關(guān)閉時間閘門。閘門開啟時，經(jīng)放大整形后的測量信號進入計算器進行計數(shù)，閘門關(guān)閉時，停止計數(shù)。若閘門開放時間為Tg，計數(shù)值為N，則被測頻率fx=N/Tg。用這種頻率測量原理，對于頻率較低的被測信號來說，存在著測量實時性與測量精度之間的矛盾，由圖可以看出分頻系數(shù)MTg/Tr（Tr為參考晶振的周期）本身是沒有誤差的（若電路工作正常的話），測量誤差主要由以下兩種因素產(chǎn)生的：計數(shù)誤差和參考晶體振蕩的誤差，也即f/f=(N/N) +(fr/fr)=(Nfr/Mf)（fr/fr)為減少第二項誤差，可采用高精度的參考晶體振蕩器。對于第一項誤差為計數(shù)絕對誤差，其最大可達1，屬于不可避免的系統(tǒng)誤差，若要減少N/N，就必須增大N，在被測信號頻率較低的情況下，則要求閘門開放時間很長（即在fr 不變的條件下，要求分頻系數(shù)大）。若被測頻率很低，為達到一定的測量精度，就要求閘門開放時間大的難以忍受，即一次測量過程時間很長，失去了使用意義。例如若被測頻率為10Hz，精度要求為0.01，則最短閘門開放時間為 N=Nf/f=1/0.0001=10000Tg =N/ f=1000s像這樣是測量周期是根本不可能接受的，可見頻率測量法不適用于低頻信號的測量，在同樣精度10Hz的測量僅需要1ms，即對于高頻信號適宜此方法測量。1.2周期測量周期測量基本原理如圖所示：它與測頻基本結(jié)構(gòu)是相同的，只是把晶體震蕩產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號與被測信號的位置互換了一下。由此得T=N/Mfr =N Tr /M計數(shù)值N與被測信號的周期成正比，N反映了M個信號周期的平均值。利用周期測量法在一定信號頻率范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù)M,可以較好地解決測量精度與實時性的矛盾。由上式可得：T/T=N/N +Tr / Tr)=N/TMfrTr / Tr)第二項誤差取決于晶體穩(wěn)定度，第一項為計數(shù)器是量化誤差，故該項主要取決于N的大小。在平均周期測量法中，N值的大小與測量時間的長短成正比，可根據(jù)測量精度要求而定。假定N/N的允許誤差為0.001，則N105，在Tr選定時間測量時間等于105Tr，若Tr2us,則測量時間等于0.2s。對于不同范圍的被測周期信號，可以通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù)M的大小，達到相近的測量精度，也就有相近的測量時間，且不會太長。當(dāng)然，對于高頻信號，周期法就需要很大分頻系數(shù)M，增加了硬件及軟件的復(fù)雜性，不宜采用。2.軟件說明所編寫軟件采用直接頻率測量方式，閘門時間固定為1S，每隔2S測量一次。2.1主程序流程圖2.2中斷程序流程圖三主要電路說明，測試方法1、輸入通道輸入通道采用由555定時器搭建的施密特觸發(fā)器構(gòu)成，閾值電壓可調(diào)，閾值電壓由555定時器5引腳輸入電壓VIC決定。5引腳輸入電壓VIC由電位器分壓得到。此次設(shè)計中VIC為0.4V，這樣，在輸入（2引腳）為0.5V-5V的正弦波和方波時，輸出（3引腳）始終為TTL電平的矩形波，可直接送入單片機進行計數(shù)。輸入通道仿真圖如下：測試方法：在2引腳輸入0.5V-5V的正弦波和方波，用示波器同時觀測2、3引腳電壓波形、幅值、頻率。實測結(jié)果：在上述輸入下，輸入輸出波形頻率相同；3引腳電平跳變發(fā)生在2引腳電壓幅值為閾值電壓時。2、1KHz校準(zhǔn)信號1KHz的信號由555定時器組成的振蕩器產(chǎn)生，振蕩頻率f=。其中R1在實際電路中選用50k的電位器、R2=2.4k、C2=0.1uF。由公式可知R19.5k，其值應(yīng)在焊接好電路以后調(diào)整確定。仿真圖如下：測試方法：將5引腳接至示波器，觀測輸出頻率。實測結(jié)果：在模擬試驗箱上搭建電路，測量一分鐘，觀測到頻率變化范圍為1.000491.00069kHz。3、總電路圖輸入通道已作介紹，不再贅述。輸出使用6位七段數(shù)碼管。P0口輸出待顯示信息，需加上拉電阻。P2口輸出片選信息。數(shù)碼管為共陽，采用動態(tài)刷新。P1.0LED指示燈，點亮表示正在測頻。測試方法：輸入0.5V5V的正弦波和方波，觀察LED數(shù)碼管顯示信息。注：上電3s后顯示結(jié)果。仿真結(jié)果：低頻時沒有誤差，高頻時誤差基本是0.1%。四數(shù)據(jù)，結(jié)果分析仿真結(jié)果顯示：低頻時，沒有誤差；高頻時，誤差也保持在0.1%。本次設(shè)計采用的是直接測頻法，如報告第二部分理論分析與軟件說明所述，理論上說，低頻時相對誤差很大（絕對誤差為1），高頻時誤差較小?？梢?，仿真結(jié)果高頻時與理論分析一致，低頻時差距較大。原因為，仿真時干擾信號遠小于實際干擾。參考資料1.丁元杰單片微機原理及應(yīng)用北京：機械工業(yè)出版社，20052.赫建國，鄭燕，薛延俠單片機在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社，20063.蘇文平，任力穎，何希才電子技術(shù)實踐與制作教程北京：國防工業(yè)出版社，20074.康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分北京：高等教育出版社，20065、楊世興、郭秀才、楊潔。測控系統(tǒng)原理與設(shè)計。北京：人民郵電出版社，2008五、附錄1、 源程序;閘門時間固定為1s，每隔2秒測量一次輸入信號的頻率FINISHEQU00H;測量標(biāo)志，為“1”表測結(jié)束RUNEQU01H;正在測量標(biāo)志，為“1”表示正在測量LEDEQUP1.0;測量指示燈，低電平點亮。點亮表示正在計數(shù)CR2EQU0AH;1區(qū)R2CR3EQU0BH;1區(qū)R3OPR1EQU30H;三字節(jié)16進制數(shù)首地址存放單元OPR2EQU31H;四字節(jié)BCD碼首地址存放單元HEXEQU32H;三字節(jié)16進制數(shù)首地址，高位在前BCDEQU35H;四字節(jié)壓縮BCD碼首地址，高位在前;= 主程序開始 =ORG0000HLJMPSTARTORG001BH;定時器1中斷入口LJMPT1S;閘門定時中斷服務(wù)程序ORG0030HSTART:MOVSP,#60H;-堆棧放遠一點，避免重復(fù)使用內(nèi)存MOVTMOD,#15H;設(shè)C0為計數(shù)器方式1T1為定時器方式1MOVTH1,#3CH;50ms定時初值50000MOVTL1,#0B0HSETBET1SETBEA;定時器開中斷，未啟動CLRFINISH;清標(biāo)志，防止上電時讀取計數(shù)器初值CLRA;計數(shù)值清零MOVTH0,AMOVTL0,AMOVBCD,A;BCD碼緩沖區(qū)清零MOVBCD+1,AMOVBCD+2,AMOVBCD+3,AMOVCR2,#40;50ms計40次為2秒 軟件擴展延時。MOVCR3,#20;50ms計20次為1?SETBTR1;開定時器LOOP:JBFINISH,NEXTLCALLDISPLAY;顯示測量數(shù)據(jù)-若正在測量，則始終刷新LED，刷新間隔幾乎為0sSJMPLOOP;死循環(huán)，中斷退出-或-FINISH被置1退出。NEXT:CLRFINISH;清除測量結(jié)束標(biāo)志-確保測量結(jié)束后NEXT程序段只執(zhí)行一次MOVA,TL0;取計數(shù)值，放到R2R3中MOVR3,AMOVA,TH0MOVR2,AMOVTH0,#0;計數(shù)器置初值刷新MOVTL0,#0MOVR6,#0MOVR7,#1LCALLDMUL;子程序，將計數(shù)*1得到頻率值MOVHEX,R5MOVHEX+1,R6MOVHEX+2,R7MOVOPR1,#HEX;子程序，16進制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼MOVOPR2,#BCDLCALLBTODSJMPLOOP;= 主程序結(jié)束 =;=;定時器T1中斷服務(wù)子程序;完成2秒和0.5秒定時，同時T0計數(shù);=T1S:MOVTH1,#3CH;刷新50ms定時初值MOVTL1,#0B0HPUSHPSWSETBRS0;選1區(qū)工作寄存器CLRRS1JBRUN,T1S1;-若正在測量，1s后結(jié)束DJNZR2,T1S2;-非測量狀態(tài)，延時2秒鐘開始測量;2秒時間到開始測量MOVR2,#40;恢復(fù)2秒計數(shù)值SETBP3.4;確保此端口輸入可用（準(zhǔn)雙向接口）SETBTR0;啟動C0計數(shù)SETBRUN;-置正在測量標(biāo)志CLRLED;點亮LED表示正在測量SJMPT1S2;-返回，在主程序中刷新數(shù)碼管T1S1:DJNZR3,T1S2;-軟件擴展至1s延時;測量剛結(jié)束CLRTR0;盡快停止T0計數(shù),保證精度SETBFINISH;置測量結(jié)束標(biāo)志-數(shù)據(jù)讀取由主程序完成CLRRUN;清除正在測量標(biāo)志SETBLED;熄滅LED表示測量結(jié)束MOVR3,#20;恢復(fù)1秒計數(shù)值T1S2:POPPSWRETI;=;顯示子程序;將BCD開始單元的4字節(jié)BCD碼送數(shù)碼管顯示;=DISPLAY:MOVR0,#BCDMOVR2,#4;共顯示4個字節(jié)的BCD碼MOVR3,#1;位碼初值DISP1:MOV P2,#0;位碼清0，消隱作用MOVA,R0SWAPAANLA,#0FHMOVDPTR,#DISP_TABMOVCA,A+DPTRMOVP0,A;送段碼MOVA,R3MOVP2,ARLAMOVR3,ALCALLDELAY;延時1msMOV P2,#0;位碼清0，消隱作用MOVA,R0ANLA,#0FHMOVDPTR,#DISP_TABMOVCA,A+DPTRMOVP0,A;送段碼MOVA,R3MOVP2,ARLAMOVR3,ALCALLDELAYINCR0DJNZR2,DISP1RETDISP_TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0D8HDB80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH;=;1ms軟件延時子程序，刷新數(shù)碼管時使用;=DELAY:MOVR6,#250L1:NOPNOPDJNZR6,L1RET;=;雙字節(jié)乘單字節(jié);被乘數(shù)在R2（TH0）R3(TL0)，乘數(shù)在R6R7，積在R4R5R6R7;=DMUL:MOVA,R3MOVB,R7MULAB;TL0*8XCHA,R7;A為乘積的低八位MOVR5,B;高八位MOVB,R2MULAB;TH0*8ADDA,R5MOVR4,ACLRAADDCA,BMOVR5,AMOVA,R6MOVB,R3MULABADDA,R4XCHA,R6XCHA,BADDCA,R5MOVR5,AMOVF0,CMOVA,R2MULABADDA,R5;進位位舍去不計