數(shù)字頻率計設(shè)計報告

數(shù)字頻率計設(shè)計報告電子信息學院王家華2010301430004鄒仁亭2010301430003**肖 偉2010301430001摘要在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測精品文檔放心下載量方案，測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量顯得更為重要。精品文檔放心下載頻率測量的方式通常是對方波信號進行沿判斷或電平判斷，再對相應(yīng)的精品文檔放心下載方波脈沖進行計數(shù)從而實現(xiàn)頻率測量，因此頻率測量的精度比一般其他謝謝閱讀物理量的精度要高很多。數(shù)字頻率計是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要工具之一，同時也是其他許感謝閱讀多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測量儀器（測量系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換電路將所需測量的量轉(zhuǎn)謝謝閱讀換為頻率）從而通過測頻率來提高精度的。本設(shè)計的數(shù)字頻率計是基于謝謝閱讀超低功耗MSP430單片機來測量信號的頻率，通過計數(shù)器計數(shù)，并用十感謝閱讀進制數(shù)顯示出來，它具有精度高，測量速度快，讀數(shù)直觀等優(yōu)點。謝謝閱讀**關(guān)鍵詞：頻率測量;數(shù)字頻率計;單片機;計數(shù)器;顯示；謝謝閱讀目 錄一，設(shè)計要求及功能設(shè)計方案1,設(shè)計任務(wù)要求及相關(guān)指標2,功能設(shè)計二，頻率測量方案的比較選擇與理論分析1，頻率測量方法2，方案的比較選擇與理論分析3，方案的選擇確定三，系統(tǒng)總設(shè)計方案及總體框圖四，單元模塊電路與程序設(shè)計1，穩(wěn)壓源模塊2，放大整形模塊3，數(shù)據(jù)測量計數(shù)模塊4，程序設(shè)計模塊**五，測試結(jié)果分析1，穩(wěn)壓模塊測試2，放大整形電路測試3，頻率精度測試六，實驗過程遇到的問題及解決方法1，電壓不匹配2，161計數(shù)器計數(shù)不準確3，自動換擋模塊效果不夠理想4，不能滿足小信號輸入時的要求一，設(shè)計要求及功能設(shè)計方案1,設(shè)計要求1.1基本要求（1）頻率測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測量誤差差≤10-3;（2）周期測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測量誤差差≤10-3；精品文檔放心下載（3）十進制數(shù)字顯示測量結(jié)果。1.2發(fā)揮部分**（1）頻率測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測量誤差差≤10-5（2）周期測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；頻率：1Hz~1MHz；測量誤差≤10-5；精品文檔放心下載（3）自行設(shè)計并制作滿足本設(shè)計任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。2，功能設(shè)計方案（1） 能夠測量正常的方波頻率，誤差≤10-5；（2） 能夠?qū)⒄也ǚ糯笳螢檫m合測量的方波并準確測量；感謝閱讀（3） 能正確的以十進制數(shù)顯示出測量頻率；（4） 可以實現(xiàn)多次測量；（5） 可實現(xiàn)高低頻率的自動切換測量;二，頻率測量方案的比較選擇與理論分析1，頻率測量方法1.1,直接測頻法根據(jù)頻率測量的定義，在確定的閘門時間T內(nèi)，利用計數(shù)器精品文檔放心下載記錄待測信號的周期數(shù)N，從而計算出待測信號的頻率fx=N/T，精品文檔放心下載原理如圖2-1所示。此方案對低頻信號的測量精度很低，較適合謝謝閱讀高頻信號的測量。**1.2，測周法以待測信號為門限，用計數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的高頻標準時鐘精品文檔放心下載脈沖數(shù)M，用計數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的脈沖數(shù)N，由式fx=M/N精品文檔放心下載確定待測信號的頻率（原理如圖所示）。當選定高頻時鐘脈沖而被謝謝閱讀測信號頻率較低時，可以獲得很高的精度，而當被測信號頻率過高謝謝閱讀時，由于測量時間不足會有精度不夠的問題，所以此方案適用于低精品文檔放心下載頻信號的測量。測周法原理圖1.3，等精度測頻法此方案和測周法很相似，但其測量時間并不是被測信號的一感謝閱讀個周期，而是人為設(shè)定的一段時間。如圖所示，閘門的開啟和閉合由被測信號的上升沿來控制，謝謝閱讀測量精度與被測信號頻率無關(guān)，因而可以保證在整個測量頻段內(nèi)感謝閱讀**的測量精度保持不變。相關(guān)計數(shù)法同時使用兩個計數(shù)器分別對待測信號頻率fx和標感謝閱讀頻信號fm在設(shè)定的精確門內(nèi)進行計數(shù)，fx的上升沿觸發(fā)精確門。精品文檔放心下載若兩個計數(shù)器在精確門內(nèi)對fx和fm的計數(shù)值分別為M和N，謝謝閱讀待測信號的頻率為：fx=Mfx/N。等精度測量原理圖此方法和直接測量法不同的是，計數(shù)器真正開始計數(shù)的時刻感謝閱讀不是預(yù)置閘門的開始時刻。這樣計數(shù)器1對待測信號計數(shù)，計數(shù)謝謝閱讀由待測信號的上升沿控制，計數(shù)值M為整數(shù)，不存在誤差。計精品文檔放心下載數(shù)器2對標頻信號計數(shù)，這樣計數(shù)值N為非整數(shù)，故會存在±1精品文檔放心下載的誤差。另外，標頻信號由晶振提供，故不存在誤差。具體實現(xiàn)方法D Q閘門脈沖CLK與Fx計數(shù)器M門運算單元**fx與Fm計數(shù)器fm時鐘發(fā)生器門

N2，方案的比較選擇與理論分析2.1方案比較與理論分析直接測頻法：此方案電路簡單，軟件容易實現(xiàn)，為滿足實驗要求精度，較適合高頻信號的測量，對低頻信號測量精度很低。感謝閱讀理論分析：設(shè)開啟其閘門時間為1S，計數(shù)值為N，則fx=N。但對其計數(shù)時會出現(xiàn)±1的誤差，故要達到10-5精度要求，必須使頻率≥10k。但是，當給入方波經(jīng)過軟件試驗后所測得的大量數(shù)據(jù)未能達到要求的精度，此外低頻段要用測周法測量，直接測頻法會給其頻率的上限太高因而無法實現(xiàn)（測周法分析將會詳細介紹）。故不能選用直接測頻法。精品文檔放心下載測周法：此方案是用于測量頻率較低的信號，頻率高時，由于測量時間不夠，導(dǎo)致精度較低。精品文檔放心下載理論分析：運用此方案時，以待測信號為門限，由430給出12MHz的高頻脈沖為標頻，記錄此門限內(nèi)的脈沖數(shù)N，則fx=12*106/N;但是由于待測信號的閘門開啟閉合時間對標頻信號是隨機的，故對N會存在±1的誤差。所得fx*=12*106/（N±1）；謝謝閱讀相對誤差△=（fx-fx*）/fx≤10-5，此時，計算可得fx應(yīng)滿足fx謝謝閱讀**≤120Hz。等精度測頻法：由于計數(shù)值M為準確值無誤差，計數(shù)值N僅有±1的誤差，所以，理論上等精度法高低頻測得的值都比較準確。精品文檔放心下載理論分析:此時標頻信號依然用430提供的fm=12MHz的高頻脈沖，由于對脈沖信號計數(shù)是由待測信號的上升沿控制，故計數(shù)值M無誤差，N出現(xiàn)±1誤差,則fx*=M*fm/(N±1)?！?（fx-fx*）/fx=1/(N±1)。由此可知，理論上等精度法測得的值誤差均可達到要求。但是由于預(yù)置門和精確門開啟時間有限，本設(shè)計為1s左右，理論上能測低頻為1Hz信號。此外，通過等精度法側(cè)低頻得到以下數(shù)據(jù):感謝閱讀fx15014013012011010090fx*150.00140.00130.00120.00110.00099.99089.991223488單位:Hz fx:輸入信號頻率 fx*:測得信號由以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，等精度測頻法在100Hz以上都可以達到五位數(shù)字有效，fx≤100Hz后精度達不到。精品文檔放心下載3，方案的選擇確定鑒于三種方案的能滿足設(shè)計要求精度的頻率限制比較,直接測頻法誤差太大,不予以考慮。而測周法僅適用于低頻信號的測量，等精度法對低頻信號有一定限制。故本設(shè)計采用測周法和等精度法相結(jié)感謝閱讀合的方法測量，即低頻信號（fx≤100Hz）由測周法測量，高頻信感謝閱讀**號由等精度法測量。具體實現(xiàn)方法：DQ數(shù)閘門脈沖CLK據(jù)與Fx計選M滯門數(shù)器擇運fx回高頻段器算比單較低頻段數(shù)元與Fm計據(jù)fm時鐘發(fā)生器門數(shù)器選作為閘門擇fm器計數(shù)N三，系統(tǒng)總設(shè)計方案及總體框圖由上述所介紹各種頻率測量方案的比較選擇選定頻率測量方謝謝閱讀案后，可確定最終總體系統(tǒng)方案：把輸入的待測信號經(jīng)過整形放大，感謝閱讀得到可進行沿判斷或電平判斷的方波信號，再對此信號進行判斷。謝謝閱讀**若是所設(shè)置的低頻信號（fx≤100Hz），則采用測周法用MSP430軟件實現(xiàn)；若為所設(shè)置的高頻信號，則采用等精度法，即把所設(shè)置的預(yù)置門信號和此待測信號分別作為D觸發(fā)器的D和CLK輸入，由觸發(fā)器觸發(fā)精確門信號，把此信號分別和待測信號、MSP430提供的12M高頻脈沖送入與門，然后分別用74HC161計數(shù)器1和計數(shù)器2經(jīng)過與門后的信號進行計數(shù)，最終送入運算單元運算后算出所測頻率和周期，并通過液晶頻顯示出來。謝謝閱讀系統(tǒng)總體框：等精度法放大滯MSP430回待測信號整形比顯示較測周法初始化系統(tǒng)總電路圖（見附錄）四，單元模塊電路與程序功能設(shè)計1，穩(wěn)壓源模塊本實驗設(shè)計穩(wěn)壓電源模塊方便對電路供電，穩(wěn)壓電源要求實現(xiàn)由220v交流市電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定輸出的±15v,±12v,±5v直感謝閱讀流電壓。本設(shè)計采用前級220v轉(zhuǎn)±15v變壓器變壓后，經(jīng)過謝謝閱讀**KBP206橋式整流器進行整流后得到±18v左右的直流電壓，精品文檔放心下載將其接入此前設(shè)計的穩(wěn)壓模塊輸入端即可輸出±15v,±12v,±精品文檔放心下載5v直流電壓。電路圖如下：V11T1230220Vrms0450Hz350°21450.068D2R11N41484.7kΩU27LM7815CT8C2C3VOLTAGELINEVREGLED1C410uF100nFCOMMON10uFC12C10 C11 10uF10uF100nFCOMMONVOLTAGELINE VREGU4LM7915CTD5181N41482，放大整形模塊

D117C1014mF31B4B4219C18144mFD3D41N41481N4148R21kΩU3U112LM7812CTLM7805CT116LINEVREGLINEVREGLED2C5VOLTAGEC7VOLTAGECOMMONC6COMMONC8C9100nF100nF10uF10uF100nF0C14C15C16C17R3C131kΩ10uF100nF10uF10uF100nFLED3COMMONCOMMONVOLTAGEVOLTAGE13LINEVREGLINEVREGU5U6LM7912CTLM7905CTD620D71N41481N41482.1 信號放大電路**本設(shè)計的信號放大電路選用的是OPA604運放，它是FET輸入型運放，擺率為25V/us,增益帶寬積為20MHz。此時我們采用兩級OPA604，每級放大10倍左右，使之達到飽和放大以便過LM311進行電壓比較，電路如圖所示。謝謝閱讀2.2 整形電路本設(shè)計的整形電路選用的是LM311比較器進行比較使之得到穩(wěn)定輸出的方波信號，為盡量避免信號噪聲的干擾，在其輸出端接入200歐電阻到+5v設(shè)計成為滯回比較器，輸出端與+5v端接入與門輸出以便讓信號上升下降更加陡峭，方便計數(shù)。精品文檔放心下載3，數(shù)據(jù)測量計數(shù)模塊3.1計數(shù)器單元**本實驗選用74HC161計數(shù)器用來記錄所要獲得的數(shù)據(jù)，感謝閱讀74HC161是四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器 ,并具有數(shù)據(jù)謝謝閱讀輸出保持功能，要滿足試驗精度要求，僅記四位是遠遠不夠的。謝謝閱讀為保證實驗計數(shù)及精度的準確性，本設(shè)計采用六個計數(shù)器級聯(lián)感謝閱讀的方式分別對待測信號和標頻信號在精確門內(nèi)進行計數(shù)，此時感謝閱讀可記24位。電路如圖：**3.2讀取數(shù)據(jù)單元由于計數(shù)器位數(shù)太多，需要大量數(shù)據(jù)口對其進行讀數(shù)，所以感謝閱讀本設(shè)計采用74HC151數(shù)據(jù)選擇器來對74HC161所記的數(shù)一一選精品文檔放心下載擇出來，此后在對其還原即可，如此便節(jié)省大量數(shù)據(jù)口，避免浪費。謝謝閱讀電路圖如下：4，程序設(shè)計模塊系統(tǒng)程序流圖如下：**開始初始化MCUf<100測周法 等精度法LCD顯示五，測試結(jié)果分析1，穩(wěn)壓模塊測試經(jīng)測試，穩(wěn)壓模塊正常工作，所得電壓穩(wěn)定輸出所需電壓，謝謝閱讀測試結(jié)果如下：理想電壓+15v+12v+5v-5v-12v-15v測得電壓+15.5+11.7+4.9v-4.8v-11.8v-15.4vvv2，放大整形電路測試**對于前級放大整形模塊進行測試：方波和正弦波的相互切換謝謝閱讀能輸出穩(wěn)定的方波信號，并且調(diào)頻1Hz~1MHz，調(diào)電壓幅度精品文檔放心下載50mv~5v均能正常穩(wěn)定輸出待測信號頻率的方波以便后級計數(shù)精品文檔放心下載模塊對其進行計數(shù)。3，頻率精度測試fx110501005001k10kfx*1.00009.999949.999100.00499.991000.010000.2871813fx50k100k300k500k800k1M1.5Mfx*49999.10000.29999.49999.80000.100001500021783106單位:Hzfx:輸入信號頻率fx*:測得信號測試結(jié)果顯示，頻率計測量精度達到10-5滿足實驗要求。感謝閱讀六，實驗過程遇到的問題及解決方法1，電壓不匹配實驗過程時發(fā)現(xiàn)待測信號經(jīng)過整形放大后再和相應(yīng)的精確門共同經(jīng)過與門后，輸出的信號頻率遠遠偏離理想值。精品文檔放心下載然而對整形后待測信號和精確門信號進行測試，均為理想值。感謝閱讀故可斷定為與門出現(xiàn)問題。解決方法：實驗時與門的使用通常采取+5V供電，查詢74HC08pdf可知此時對與門來說高電平應(yīng)為3V以上。感謝閱讀**而本實驗采取低功耗單片機MSP430實現(xiàn)，其所能提供的最感謝閱讀大電壓為3.3v。從而發(fā)現(xiàn)電壓不匹配問題，本實驗采取給與感謝閱讀門供電減小為MSP430所提供的電壓，使實驗現(xiàn)象達到相應(yīng)感謝閱讀要求。2，161計數(shù)器計數(shù)不準確在連接好實驗電路后對高頻信號檢測的過程中發(fā)現(xiàn)，實驗所測得的頻率與給出信號的頻率相差甚遠。此時，先檢查數(shù)據(jù)選擇器借口所有數(shù)據(jù)是否正確，經(jīng)檢驗得其選擇數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)沒有偏差。又通過對74HC161的各個輸出進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其輸出口分頻結(jié)果完全正確，并且記到的數(shù)字與程序所及數(shù)據(jù)恰好吻合（但與準確頻率有很大偏離），此時確定為計數(shù)器74HC161使用的問題。通過查閱74HC161芯片手冊發(fā)現(xiàn)此芯片分頻和計數(shù)功能不盡相同，查看其時序圖可知，其開始計數(shù)是被測信號的上調(diào)沿觸發(fā)，進位是前一位的下跳沿觸發(fā)。故在級聯(lián)時會出現(xiàn)提前計數(shù)的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)紊亂。通過仔細，研究發(fā)現(xiàn)每一片的第四位總是在理想數(shù)據(jù)下提前其clk信號的