數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)12/12數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)大綱：采用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器件，該系統(tǒng)采用直流供電，由信號(hào)輸入模塊、信號(hào)相加模塊、濾波模塊、信號(hào)比較器模塊，電平變換模塊組成，擁有信號(hào)輸入、測(cè)信號(hào)頻率、測(cè)量矩形方波占空比的功能，而且擁有測(cè)量精度高功耗低、抗攪亂能力強(qiáng)等特點(diǎn)。方案設(shè)計(jì)與比較信號(hào)混雜電路模塊方案一：同相加法器。加法器是一種數(shù)位電路，其可進(jìn)行信號(hào)的加法計(jì)算。加法器是產(chǎn)生數(shù)的和的裝置。加數(shù)和被加數(shù)為輸入，和數(shù)與進(jìn)位為輸出的裝置為半加器。若加數(shù)、被加數(shù)與低位的進(jìn)位數(shù)為輸入，而和數(shù)與進(jìn)位為輸出則為全加器。同相加法器輸入阻抗高，輸出阻抗低反相加法器輸入阻抗低，輸出阻抗高入采用同相加法器時(shí)，如A輸入信號(hào)時(shí)，由于是同相加法器，輸入阻抗高，這樣信號(hào)不太簡單流入加法器，反而更簡單流入B端，而影響到B端的正常使用;同樣，如B輸入信號(hào)時(shí)，簡單流入A端，而影響到A端的正常使用。方案二：反相加法器。入采用反相加法器時(shí)，由于加法器輸入阻抗低，無論是A端，還是B端信號(hào)，更簡單流入加法器，而不會(huì)影響其他路的正常使用。綜上所述選擇方案一。濾波電路模塊方案一：采用有源二階切比雪夫高通濾波器。切比雪夫?yàn)V波電路在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等漣漪顛簸的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特點(diǎn)不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度顛簸，有可能有紋波顛簸以致電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的上限或下限出發(fā)電平，以致誤觸發(fā)，輸出方波可能嚴(yán)重失真。方案二：采用有源二階巴特沃斯高通濾波器。巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中擁有最平幅度特點(diǎn)沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，由于巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)曲線很圓滑，沒有起伏，可以有效閃避施密特比較器中的誤觸發(fā)，因此采用幅頻響應(yīng)曲線最圓滑的巴特沃斯型濾波器，可以有效閃避誤觸發(fā)。綜上所述選擇方案二。正弦波整形電路方案一：采用分立器件搭建整形電路。由于分立器件電路存在著構(gòu)造復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大等諸多缺點(diǎn)，因此不采用該方案。?方案二：采用集成比較器運(yùn)放。常用的電壓比較器運(yùn)放LM339的響應(yīng)時(shí)間為1300ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到發(fā)揮部分100MHz的頻率要求。因此，采用響應(yīng)時(shí)間為的高速比較器運(yùn)放TLV3501。測(cè)頻系統(tǒng)模塊方案一:采用傳統(tǒng)的TI的MSP430單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，但其容量小，工作電壓較低與板子工作電壓不符，功耗較大。方案二：采用51單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)控制，該單片機(jī)的工作電壓為5V，與板子的工作電壓一致，而且性能很好，功能富強(qiáng)，既能滿足對(duì)功耗控制要求，又能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。綜上所述，選擇方案二。理論解析與計(jì)算同相加法電路解析計(jì)算NE5532擁有輸入阻抗高，輸出阻抗低等特點(diǎn)。入采用同相加法器時(shí)，需要在輸入信號(hào)后加一個(gè)電壓隨從器，爾后才經(jīng)過同相加法器進(jìn)行信號(hào)混雜。采用NE5532芯片作為信號(hào)的來實(shí)現(xiàn)電壓隨從器與加法器，其驅(qū)動(dòng)電壓為5V，而且在電壓端需要加入退耦電容，防范電路經(jīng)過電源形成的正反響通路而引起的寄生振蕩。當(dāng)信號(hào)S1與S2輸入過后，由于電壓隨從器的作用以致信號(hào)電壓衰減一倍，，因此在同相加法電路中需要將輸出信號(hào)S3電壓放大一倍,因此，R3與R4電阻采用10K電阻。Av=R4/(R3+R4)+1,R3=R4=10k。二階高通濾波電路解析計(jì)算高通濾波器，又稱低截止濾波器、低阻濾波器，贊同高于某一截頻的頻率經(jīng)過，而大大衰減較低頻率的一種濾波器。它去掉了信號(hào)中不用要的低頻成分也許說去掉了低頻攪亂。它是由兩節(jié)RC濾波電路和同對(duì)照率放大電路組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。其中最低贊同經(jīng)過頻率Wc=1/RC。輸入S3混雜信號(hào)時(shí)，可以濾掉S2低頻信號(hào)，S1高頻信號(hào)可以經(jīng)過，可采用NE5532組裝成該電路，該電路參數(shù)由Filterprodeskstop軟件自動(dòng)確定。參數(shù)以以下圖：比較器電路解析計(jì)算施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位保持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞加兩種不同樣變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同樣的閾值電壓。本實(shí)驗(yàn)采用的是LM311比較器。由于施密特觸發(fā)器的比較電壓接地為0V,輸入信號(hào)與0V對(duì)照較，依照輸入信號(hào)的電壓幅度值確定上限觸發(fā)電平Vt1與下限觸發(fā)電平Vt2并確定各個(gè)電阻值，最后測(cè)得經(jīng)過窗口比較器輸出后的方波比較吻合理想情況，可以正常工作。電路設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)的頻率計(jì)組要分為以下幾個(gè)部分：同相加法器、濾波器、比較器、單片機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中的核心是由STC89C52RC組成的控制系統(tǒng)，經(jīng)過單片機(jī)的外面中斷及單片機(jī)內(nèi)部的準(zhǔn)時(shí)器來完成待待測(cè)信號(hào)頻率及周期的測(cè)量。準(zhǔn)時(shí)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。在準(zhǔn)時(shí)器工作方式下，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，每來一個(gè)機(jī)器周期，外面中斷一次，而且變量自動(dòng)加1，這樣就可以測(cè)量出信號(hào)的頻率。（如圖）加法器電路以以下圖：NE5532擁有輸入阻抗高，輸出阻抗低等特點(diǎn)。入采用同相加法器時(shí)，需要在輸入信號(hào)后加一個(gè)電壓隨從器，爾后才經(jīng)過同相加法器進(jìn)行信號(hào)混雜。采用NE5532芯片作為信號(hào)的來實(shí)現(xiàn)電壓隨從器與加法器，其驅(qū)動(dòng)電壓為5V，而且在電壓端需要加入退耦電容，防范電路經(jīng)過電源形成的正反響通路而引起的寄生振蕩。輸入信號(hào)各接入一個(gè)由NE5532運(yùn)算放大器組成的電壓隨從器，爾后各接入一個(gè)10K的電阻一起輸入同相加法器，同相加法器的R3，R4電阻都為10K,以保證其內(nèi)部包含的固定增益放大器的增益額度由外接反響的網(wǎng)絡(luò)不同樣而改變，以滿足增益變化的需要。高通濾波電路電路圖以以下圖，采用有源二階巴特沃斯高通濾波器。巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中擁有最平幅度特點(diǎn)沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，由于巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)曲線很圓滑，沒有起伏。由兩個(gè)68nf的電容與一個(gè)的電阻從正極輸入一個(gè)NE5532運(yùn)算放大器。負(fù)極接一的電阻接地，接10K的電阻與運(yùn)算放大器的輸出端相連。比較器電路比較器用的芯片是LM311，LM311是一款兼容TTL器件引腳的高速CMOS器件，邏輯功能為6路斯密特觸發(fā)反相器，其耗電量低，速度快，可將緩慢變化的輸入信號(hào)變換成清楚、無抖動(dòng)的輸出信號(hào)。電路圖如圖。程序設(shè)計(jì)頻率的測(cè)量單片機(jī)控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)擁有低功耗模式，而且具有5此中斷源，有兩個(gè)外面中斷兩個(gè)內(nèi)部中斷還有一個(gè)串口中斷。程序使用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器和準(zhǔn)時(shí)器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。主若是經(jīng)過比較器和電平變換器將輸入信號(hào)變換為單片機(jī)可利用的矩形脈沖信號(hào)，編程計(jì)數(shù)一秒內(nèi)矩形脈沖的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量輸入信號(hào)頻率的功能。由頻率測(cè)量到占空比測(cè)量切換的實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)上的按鍵實(shí)現(xiàn)，按下去（長按），數(shù)碼管則顯示矩形脈沖的占空比，若為按下此鍵，數(shù)碼管則顯示的是輸入信號(hào)的頻率。占空比的測(cè)量如上圖所示，當(dāng)脈沖的上升沿到臨時(shí)，將準(zhǔn)時(shí)器打開；緊接著的下降沿到臨時(shí)，讀取準(zhǔn)時(shí)器的值，假設(shè)準(zhǔn)時(shí)時(shí)間為t1；下一個(gè)上升沿到臨時(shí)關(guān)閉準(zhǔn)時(shí)器，讀取準(zhǔn)時(shí)器的值，假設(shè)準(zhǔn)時(shí)時(shí)間為t2。t1即為1個(gè)周期內(nèi)高電平的時(shí)間，t2即為脈沖的周期。t1/t2即為占空比，1/t2即為頻率。作品測(cè)試測(cè)試儀器直流穩(wěn)壓電源：GPD-33030，一臺(tái)數(shù)字儲(chǔ)蓄示波器：DS1102E,一臺(tái)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：DG1022U,一臺(tái)萬用表：VC890C，一臺(tái)測(cè)試方法利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生一系列滿足題目要求的待測(cè)信號(hào)，使用本電子設(shè)計(jì)競賽作品對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并解析計(jì)算相對(duì)誤差。同時(shí)，使用示波器的脈沖測(cè)量功能，比較測(cè)量，信號(hào)參數(shù)。測(cè)試時(shí)的裝置連接方式如圖。測(cè)試結(jié)果及解析信號(hào)混雜器波形測(cè)試波形測(cè)試如圖，輸入頻率分別為50HZ和50KHZ，峰峰值都為1VPP的正弦波經(jīng)過信號(hào)混雜器后，波形以以下圖?？梢悦黠@察看到50KHZ的波形被50HZ的波形所影響。頻率測(cè)試S2幅度S2頻率待測(cè)作品顯示頻率待測(cè)作品測(cè)量相示波器測(cè)得的頻(Vpp)（Hz）(Hz）對(duì)誤差（%）率（Hz）5k253551025k498550005k498550005k4985500010k611310K10k997510K10k997510K10k997510K50k3135550K50k4989850K50k4989850K50k4989850K100k62909100K100k99795100K100k99796100K100k99796100K占空比測(cè)試S2S2待測(cè)作品待測(cè)作品待測(cè)作品待測(cè)作品示波器測(cè)示波器測(cè)顯示頻率頻率測(cè)量顯示占空占空比測(cè)得的頻率得的占空頻率占空（Hz）相對(duì)誤差量相對(duì)誤（Hz）比（Hz）比（%）比差（%）(%)(%)5k49855K105k49855K205k49855K505k49855K795k49855K8810k997510K1010k997510K2010k997510K4810k997510K7810k997510K88結(jié)果解析系統(tǒng)在正弦信號(hào)測(cè)量頻率和測(cè)量方波占空比均達(dá)到基本和發(fā)揮部分要求，各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量精度高，交流電壓信號(hào)測(cè)量頻率范圍廣，整體性能達(dá)到題目發(fā)揮部分要求。僅在輸入電壓幅值為時(shí)測(cè)量有所誤差，輸出信號(hào)無法達(dá)到單片機(jī)所能鑒別信號(hào)的要求。經(jīng)測(cè)量220MV及以上輸入信號(hào)經(jīng)電路的輸出的均能達(dá)到題目要求?？偨Y(jié)本系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器件，用NE5532集成運(yùn)算放大器芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相加和濾波，再利用LM311芯片構(gòu)造信號(hào)比較器，將信號(hào)進(jìn)行波形變換。系統(tǒng)采用直流供電，該系統(tǒng)采用直流供電，由信號(hào)輸入模塊、信號(hào)相加模塊、濾波模塊、信號(hào)比較器模塊，電平變換模塊組成，擁有信號(hào)輸入、測(cè)信號(hào)頻率、測(cè)量矩形方波占空比的功能，而且擁有測(cè)量精度高功耗低、抗攪亂能力強(qiáng)等特