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1、目录目录1摘要2ABSTRACT3第一章引言51.1选题的目的意义51.2国外研究综述61.3数字频率计的发展趋势6第二章方案论证82.1数字频率计测量方法82.2几种方案的优劣讨论92.3本次设计采用的方案及选用依据10第三章系统硬件设计123.1数字频率计的工作原理123.1.1一般数字式频率计的原理123.1.2基于单片机的数字频率计的原理123.2电路原理图及其主要硬件部分133.3放大整形电路133.4分频电路143.5单片机163.6显示电路19第四章系统软件设计21第五章系统仿真与调试235.1仿真软件简介235.2用Proteus 软件虚拟单片机实验的优点235.3系统仿真24
2、5.3.1正弦波的放大整形电路仿真245.3.2方波的测频仿真255.3.3正弦波的整体仿真255.4误差分析26结论28参考文献29致31附录一系统主电路图32附录二33 / 摘要在电子领域,频率是一种最基本的参数,并与其他许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的关系。由于频率信号抗干扰能力强、易于传输,可以获得较高的测量精度。因此,频率的测量就显得尤为重要,测频方法的研究越来越受到重视。频率计作为测量仪器的一种,常称为电子计数器,它的基本功能是测量信号的频率和周期频率计的应用围很广,它不仅应用于一般的简单仪器测量,而且还广泛应用于教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。随着微
3、电子技术和计算机技术的迅速发展,特别是单片机的出现和发展,使传统的电子侧量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化,形成一种完全突破传统概念的新一代侧量仪器。频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路,使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。为适应实际工作的需要,本次设计给出了一种较小规模和单片机相结合的频率计的设计方案,不但切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽,大大降低了设计成本和实现复杂度。频率计的硬件电路是用Ptotues绘图软件绘制而成,软件部分的单片机控制程序,是
4、以KeilC做为开发工具用汇编语言编写而成,而频率计的实现则是选用Ptotues仿真软件来进行模拟和测试。关键词：单片机；AT89C51；频率计；汇编语言第一章 引言1.1选题的目的意义数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。其基本原理就是用闸门计数的方式测量脉冲个数。频率是单位时间 1s 信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1s时间对信号波形计数,并将计数结果显示出来,就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间,同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号,然后通过计数器计算这一段时间间隔的脉冲个数,将其换算后显示出来。频率测试是电子学中最基本
5、的测量之一。 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字,显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号,方波信号以及其他各种单位时间变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量迅速,精度高,显示直观,所以经常要用到数字频率计。数字频率计的主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式三种。直接式的优点是速度快、相位噪声低,但结构复杂、杂散多,一般只应用在地面雷达中。锁相式的优点是相位同步自动控制,制作频率高,功耗低,容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。直接数字式的优点电路稳定、精度高、容易
6、实现系列化、小型化、模块化和工程化。随着单片锁相式数字频率计的发展,锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化,性能也越来越好,已逐步成为两种最为典型,用处最为广泛的数字频率计。数字频率计可用纯硬件实现法可选的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成电路、专用集成电路、可编程逻辑器件等,也可用纯软件实现法可选的平台有PC机、单片机、 DSP器件等；一般考虑用软硬件相结合的实现法,但是实现的频率精度可能没有纯硬件实现的精确高。 1.2国外研究综述在电子测量领域中,频率测量的精确度是最高的,可达1010E-13数量级。因此,在生产过程中许多物理量,例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、
7、位移、速度、加速度,乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率,然后用数字频率计来测量,以提高精确度。 由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合,数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。其功能进一步扩大,除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外,还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。此外,还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。国际国通用数字频率计的主要技术参数：1、足够宽的测量围。人们对频率测量的围的追无止境的,在某些特殊的测试场合,要求频率计的测量围足够宽,随着现代电子技术的发展,特别是高速芯片
8、技术的发展,有些频率计数器能够直接测量。例如100GHz以上的频率,在机动车的防撞雷达和低功率通讯中继站就需要这种性能的频率计。2、高精度和高分辨率。精度是指测量的准确程度,即仪器的读数接近实际信号频率的程度,精度越高测量越准确。分辨率表明多么小的频率变化可能在仪器上显示出来。3、晶体振荡器的频率稳定度 晶体振荡器的频率稳定度,是决定频率计测量误差的一个重要指标。4、输入灵敏度 输入灵敏度是指在侧频围能保证正常工作的最小输入电压。1.3数字频率计的发展趋势科学技术发展越快,产品的更新周期就越短,数字化电子产品更是如此。数字频率计作为一种电子测量仪器,其发展趋势主要向以下三个方向发展。发展趋势之
9、一：从以前的模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。这样的转变使得频率计的设计更趋于自动化、智能化。现在的电子产品主要是采用EDA技术和单片机技术作为核心控制系统,辅以外围电路,制成高端数字化产品。频率计正是朝着这个方向发展。发展趋势之二：在功能上从以前的仅实现单一频率测量扩展到还能测量周期、占空比、脉宽等各种参数指标。数字技术的不断成熟,使得在一块很小的板子上制作大规模、多功能的电子产品变得非常的容易、方便。当然,功能的实现是以强大的软件技术做后盾的。以后的频率计等测量仪器将在编程语言的不断优化下,数字技术的不断完善下实现更多的功能。发展趋势三：频率计虚拟化。随着计算机的普及
10、,利用计算机做显示和操作平台的虚拟仪表,也越来越被广泛运用。第二章 方案论证2.1数字频率计测量方法测量频率的方法很多,本次设计采用的是电子计数式。电子计数式的测频方法主要有以下几种：脉冲数定时测频法M法,脉冲周期测频法T法,脉冲数倍频测频法,脉冲数分频测频法 ,脉冲平均周期测频法,多周期同步测频法。脉冲数定时测频法:此法是记录在确定时间 Tx待测信号的脉冲个数 Mx,则待测频率为:Fx=Mx/Tx ,显然,时间 Tx 为准确值,测量的精度主要取决于计数 Mx的误差。其特点在于:测量方法简单；测量精度与待测信号频率和门控时间有关 ,当待测信号频率较低时 ,误差较大。脉冲周期测频法:此法是在待测
11、信号的一个周期 Tx,记录标准频率信号变化次数 Mo。这种方法测出的频率是:Fx=Mo/Tx,此法的特点是低频检测时精度高 ,但当高频检测时误差较大。 脉冲数倍频测频法:此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过 A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。其待测频率为:Fx= Mx/ATo 其特点是待测信号脉冲间隔减小 ,间隔误差降低;精度比 M法高A倍 ,但控制电路比较复杂。脉冲数分频测频法:此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短 ,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测频率为:Fx=AMo/Tx,其特点是高频测量精度
12、比T法高A倍;但控制电路也较复杂。 脉冲平均周期测频法:此法是在闸门时间 Tc,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数 Mx 和标准信号的脉冲数Mo 。若标准信号的频率为Fo ,则待测信号频率为:Fx = FoMx/Mo,M/T法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。 多周期同步测频法:此法是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法,待测信号频率与 M/ T法相同。此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的1个字误差,测量精度大大提高 ,且测量精度与待测信号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。 2.2几种方案的优劣讨论方案一、传统的频
13、率计。该系统测频部分采用中小规模数字集成电路,用机械式功能转换开关换挡,完成对不同频率的测量.该方案的特点是中小规模数字集成电路应用技术成熟,能可靠地完成频率计的基本功能,但由于完成功能所需元器件较多,电路过于复杂,而且多量程换挡开关使用不便。通道放大主门计数、锁存、显示电源门控晶体振荡源分频图2.1方案一原理框图方案二、系统采用可编程逻辑器件作为信号处理及系统控制核心,完成包括计数、门控、显示等一系列工作。该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点,使电路大为简化,但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势,并且测量精度不够高,导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。晶体产生的高频信
14、号由PLD进行的多级分频通道PLD计数及BCD译码显 示图2.2方案二原理框图方案三、采用频率计模块构成,特点是结构简单 ,量程可以自动切换。 ICM7216部带有放大整形电路 ,可以直接输入模拟信号。外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。用转换开关选择 10ms ,0. 1s ,1s ,10s 四种闸门时间 ,同时量程自动切换。ICM7216显示晶 振模拟信号图2.3方案三原理框图方案四、系统采用MCS-51系列单片机AT89C51作为控制核心,门控信号由AT89C51部的计数定时器产生,由于单片机的计数频率上限较低12MHz晶振时约500KHz,所以
15、需对高频预测信号进行硬件预分频处理,AT89C51则完成运算、控制及显示功能。由于使用了单片机,使整个系统具有极为灵活的可编程性,能方便地对系统进行功能扩展与改进。脉冲形成电路分频电路主 控AT89C51单片机LCD显示闸门开关门控信号图2.4方案四原理框图2.3本次设计采用的方案及选用依据方案一采用的是中小规模数字集成电路,虽然能够实现频率的测量,但其功能扩展不易实现,智能化程度也不高,不符合目前数字频率计的发展要求。方案二利用了PLD的可编程和大规模集成的特点,使电路大为简化,但测量精度不够高,导致系统性价比降低,系统功能扩展受到限制。方案三的设计思路是非常简单的,电路也不复杂,但由于它采用的是专用频率计模块设计,不符合我们的设计要求,所以就不予考虑了。本数字频率计采用单片机AT89C51作为控制核心,门控信号由AT89C51部的计数
