1、 - 1 - 第一章 绪 论 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、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测量仪器。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。 对石英晶体振荡器，各种信号发生器，各种倍频和分频电路输出信号的频率需要测量；广播，电视，电讯，微电子技术等现代化的科学领域，更需要进行频率测量。 采用不同的测量原理，可以设计出不同结构的频率测量仪器，所以按测量 原理来分，数字频率计可分为谐振式，比较式和计数式三类；按选用电路形式来分
2、，它又可以分为模拟式和数字式两类。 通常能对频率和时间两种以上功能测量的数字化测量仪器，称为数字频率计，有时也称为通用计数器或电子计数器。当前较多采用的是数字频率计。计数式频率计是基于时间或频率的 A/D 转换原理，并依赖于数字计数技术发展起来的一类新型数字仪器。与其他电子仪器一样，数字频率计也经历了电子管，晶体管和集成电路等几个阶段，其性能日臻完善，功能不断扩大，若配以适当的插件或传感器，还可以对多种电量和非电量进行测量。 1.1 频 率计 的 概述 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
3、量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。 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，精确度高，显示直观， 经常要用到频率计。 - 2 - 本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个 1602A LCD 显示器动态显示 6位数。测量范围从 1Hz 10kHz 的正弦波、方波、三角波，时基宽度为 1us,10us,100us,1ms。用单片机实现自动测量功能。 1.2 频率计的主要性能 1.2.1. 测试功能 它表明数字频率计所具备的全部测试功能，一般包括测频，周期，累计脉冲数，频率比，时间间隔及自较等功能。 1.2.2. 测量范围
4、它说明不同功能的有效测量范围。如测频率时，测量范围是数字频率计处于正常工作条件下，被测信号的频率范围，一般用频率的上，下限值表示，低端大部分从 10HZ 开始；高端因不同的频率计而异。因此高端频率是确定低，中，高速计数器的依据。在测量周期时，测量范围常用周期的最大值，最小值表示。 1.2.3. 输入 特性 数字频率计一般有 23 个输入通道，测试不同项目时，被测信号可经不同的通道输入仪器。输入特性是表明数字式频率计于被测信号源相连的一组特性参数，通常包括以下几个方面。 （ 1）输入灵敏度。通常指仪器能正常工作的最小输入电压的有效值。常用的数字频率计的灵敏度在 100mV 左右。 （ 2）最大输
5、入电压。指仪器所能允许的最大输入电压值，被测信号超过该值，则仪器不能保证正常工作，甚至会损坏。 （ 3）输入耦合方式。仪器设置 AC 和 DC 两种耦合方式。 AC 耦合时，被测信号经隔直电容输入， DC 耦合时，被测信号直接进入输入电路。 AC 耦合时适用于测量带有直流电平的信号， DC 耦合适用于低频脉冲或阶跃方波信号的测量。 （ 4）输入阻抗。为了减轻信号源的负载，数字式频率计一般采用高频输入阻抗。输入阻抗由输入电阻和输入电容两部分组成。 - 3 - 1.2.4. 显示及工作方式 它表明可显示的内容，显示数字的位数，所用的显示器件以及一次测量完毕显示测量结果的持续时间。有的还说明电子计数
6、器是“不记忆”显示方式或“记忆”显示方式。 1.2.5. 输出 仪器可以直接输出的标准 频率信号有几种，而且可以表明输出测量数据的编码方式和输出电平等 。 - 4 - 第二章 方案选择及论证 2.1 方案论证和设计 方案一：系统测频、测周期部分采用中小规模数字集成电路，用机械功能转换开关换挡，完成测频率、测量周期及测脉宽等功能。该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，概念清楚，能可靠的完成频率计的基本功能，但由于系统功能要求较高，所以电路过于复杂。而且多量程转换开关使用不便。 方案二：采用测频集成芯片，如 5G7226B 是采用 CMOS 大规模集成电路工艺制造的单片电子计数器芯片。它只需
7、外接几个元件就可以构成一台体积小、成本低的多功能通用计数器。 其直接测量频率范围为 010MHz，测周期范围为0.5us10s；有 4 个内部闸门时间（ 0.01s、 0.1s、 1s、 10s）可供选择；位和段的信号线均能直接驱动 LED 数码管，并且有益处指示；仅要求单一的 5V 直流电源供电，使用非常方便。 方案三：系统采用 STC89C51 单片机作为控制核心，门控信号由单片机产生。由于使用了单片机，使得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。 以上方案均需使用小信号放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。方案比较及其选用依据： 虽然方案一要比方案 二
8、简洁、新颖，可以满足系统设计的指标要求，但是不符合题意。采用带有运算器的单片机使本系统可以通过对软件改进而扩展功能，提高测量精度，因此我们采用方案三作为具体实施方案。 图 1 系统总框图 - 5 - 2.2 基本设计原理 基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。它以测量周期的方法对正 弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。 所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（ 1s）内变化的次数。若在一定时间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数 N，则其频率可表示为 f=N/T。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率 fx。时间基准信号发生器
9、提供标准的时间脉冲信号，若其周期为 1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于 1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计 得的脉冲数 N 是在 1 秒时间内的累计数，所以被测频率 fx=NHz。 测频率原理分析： 若某一信号在 T 秒时间里重复变化了 N 次，则根据频率的定义可知该信号的频率 fs 为： fs=N/T 通常测量时间 T 取 1 秒或它的十进制时间。 2.3 设计 思路 所设计的等精度宽范围的频率计用单片机 AT89C51 、计数器 74HC393 及 D 触发器
10、 74HC74 等构成。利用外扩的计数器 (如 74HC393) 和单片机 AT89C51 内含的16 位计数器来构成多位计数器分别对待测信号和标准信号计数。在待测信号和标准信号同步条件下 ,当标 准信号的计数达到一定时 ,可对两个信号的计数进行处理来实现待测信号的测频。由于引进对标准信号的计数来定时 ,因此可达到与标准信号相当的精度。 采用的 74HC393 最高计数频率可达 39MHz ,比 Maxim 公司的 ICM7240 计数频率要高的多。若对外部信号进行分频计数 ,然后再利用 AT89C51 对所测信号进行相对应的扩频 ,这样可使频率计的最高测量频率达 GHz 数量级范围。由此达到
11、频率计测量的宽范围的要求。 现讨论用 AT89C51 和 74HC393 扩展计数器对外部待测信号计数的工作原理 ,原理图如图 5所示。 - 6 - 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v is i o nS iz eBD a t e : 1 3 - N o v - 2 0 0 9 S h e e t o f F il e : H : 毕业设计 C A D 4 1 .d d b D r a w n B y :P 1 0P 1 1P 1 2P 1 3P 1 4P 1 5P 1 6P 1 7P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P
12、0 6P 0 7P 2 0P 2 1I N T 1I N T 0T1T0E A / V PX1X2R E S E TRDWRP 2 2P 2 3P 2 4P 2 5P 2 6P 2 7P S E NA L E / PT X DR X DU 1 A T 8 9 C 5 1 U 3 A 7 4 H C 3 9 3U 3 B 7 4 H C 3 9 3待测信号MRC L KQ3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0MRC L KP 0 0P 0 1183932212228101130291617918193114151213C0 6543891011C0C4211213C7C3C7图 2 74HC393 和
13、AT89C51 扩展计数器测量待测信号原理图 使对待测信号计数的外部扩展的计数器 74HC393 的最高计数位 C7 引到AT89C51 的 T0端 ,再利用 AT89C51 的 T0 口即可构成多位计数器。 将 AT89C51 的定时器 / 计数器设置为 16 位的计数方式可构成 24 位的计数器 ,若利用 T0 定时器计数溢出中断还可构成总共 32 位或 32 位以上的计数器。可视具体应用场合而定。 2.4 系统组成 频率计由单片机 89C51 、信号预处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系统软 件所组成 ,其中信号予处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。 系统硬件
14、框图如图 3 所示。信号予处理电路中的放大器实现对待测信号的放大 ,降低对待测信号的幅度要求 ;波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正- 7 - 负交替的信号波形变换成可被单片机接受的 TTL/ CMOS 兼容信号 ;分频电路用于扩展单片机的频率测量范围并实现单片机频率测量和周期测量使用统一的输入信号。 图 3 系统硬件框图 系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮 点数格式化模块、浮点数算术运算模块、浮点数到 BCD 码转换模块。系统软件框图如图 3 所示。 图 4 系统软件框图 2.5 处理方法 本频率计的设计以
15、AT89C51 单片机为核心 ,利用它内部的定时 / 计数器完成待测信号周期 / 频率的测量。单片机 AT89C51 内部 具有 2 个 16 位定时 /计数器 ,定时 / 计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时 ,每个机器周期加 1 (使用 12MHz 时钟时 ,每 1us 加 1) ,这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时 ,在相应的外- 8 - 部引脚发生从 1 到 0 的跳变时计数器加 1 ,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次 ,这样检测一次从 1 到 0 的跳变至少需要 2
16、 个机器周期 (24 个振荡周期 ) ,所以最大计数速率为时钟频率的 1/ 24 (使用 12MHz 时钟时 ,最大计数速率为 500 KHz) 。定时 /计数器的工作由相应的运行控制位 TR 控制 ,当 TR 置 1 ,定时 / 计数器开始计数 ;当 TR 清 0 ,停止计数。 设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间 的要求。例如当要求频率测 量结果为 3 位有效数字 ,这时如果待测信号的频率为 1Hz ,则计数闸门宽度必须大于 1000s。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求 ,把测量工作分为两种方法。当待测信号的频率大于 100Hz 时 ,定时 / 计数器构成为计数器 ,以机器周期
17、为基准 ,由软件产生计数闸门 ,这时要满足频率测量结果为 3 位有效数字 ,则计数闸门宽度大于 1s 即可。当待测信号的频率小于 100Hz 时 ,定时 / 计数器构成为定时器 ,由频率计的予处理电路把待测信号变成方波 ,方波宽度等于待测信号的周期。用方波作计数闸门 ,当待测信号的频率等于 100Hz ,使用 12MHz 时钟时的最小计数值为 10000 ,完全满足测量精度的要求。 2.6 频率计的量程自动切换 在使用计数方法实现频率测量时 ,这时外部的待测信号为定时 / 计数器的计数源 ,利用软件延时程序实现计数闸门。频率计的工作过程为 :首先定时 /计数器的计数寄存器清 0 ,运行控制位
18、TR 置 1 ,启动定时 / 计数器 ;然后运行软件延时程序 ,同时定时 /计数器对外部的待测信号进行计数 ,延时结束时 TR 清 0 ,停止计数 ;最后从计数寄存器读出测量数据 ,在完成数据处理后 ,由显示电路显示测量结果。 在使用定时方法实现频率测量时 ,这时外部的 待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波 ,该方波同样加至定时 / 计数器的输入脚。这时频率计的工作过程为 :首先定时 / 计数器的计数寄存器清 0 ,然后检测方波高电平是否加至定时 / 计数器的输入脚 ;当判定高电平加至定时 /计数器的输入脚 ,运行控制位 TR 置 1 ,启动定时 /计数器对单片机的机器
19、周期的计数 ,同时检测方波高电平是否结束 ;当判定高电平结束时 TR 清 0 ,停止计数 ,然后从计数寄存器读出测- 9 - 量数据 ,在完成数据处理后 ,由显示电路显示测量结果。 测量结果的显示格式采用科学计数法 ,即有效数字乘以 10 为底的幂。这里设计的 频率计用 5 位数码管显示测量结果 :前 3 位为测量结果的有效数字 ;第 4 位为指数的符号 ;第 5 位为指数的值。采用这种显示格式既保证了测量结果的显示精度 ,又保证了测量结果的显示范围 (0. 100Hz - 9. 99MHz) 。 量程自动转换的过程由 频率计测量量程的高端开始。由于只显示 3 位有效数字 ,在测量量程的高端计
20、数闸门不需要太宽 , 例如在 10. 0 KHz -9919 KHz 频率范围 ,计数闸门宽度为 10mS 即可。频率计每个工作循环开始时使用计数方法实现频率测量 ,并使计数闸门宽度为最窄 ,完成测量后判断测量结果是否具有 3 位有效数字 ,如果成立 ,将结果送去显示 ,本工作循环结束 ;否则将计数闸门宽度扩大10 倍 ,继续进行测量判断 ,直到计数闸门宽度达到 1s ,这时对应的频率测量范围为100Hz - 999Hz。如果测量结果仍不具有 3 位有效数字 ,频率计则 使用定时方法实现频率测量。定时方法测量的是待测信号的周期 ,这种方法只设一种量程 ,测量结果通过浮点数运算模块将信号周期转换
21、成对应的频率值 ,再将结果送去显示。这样无论采用何种方式 ,只要完成一次测量即可 ,频率计自动开始下一个测量循环 ,因此该频率计具有连续测量的功能 ,同时实现量程的自动转换。 - 10 - 第三章 系统的硬件设 计 3.1 信号 预 处理电路 频率计信号 预 处理电路如图 5 所示 ,它由四级电路构成。第一级为零偏置放大器 ,当输入信号为零或者为负电压时 ,三极管截止 ,输出高电平 ;当输入信 号为正电压时 ,三极管导通 ,输出电压随着输入电压的上升而下降。零偏置放大器把如正弦波样的正负交替波形变换成单向脉冲 ,这使得频率计既可以测量任意方波信号的频率 ,也可以测量正弦波信号的频率。放大器的放
22、大能力实现了对小信号的测量 ,本电路可以测量幅度 0. 5V 的正弦波或脉冲波待测信号。三极管应采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频响应。第二级采用带施密特触发器的反相器7414 ,它用于把放大器生成的单向脉冲变换成与 TTL/ CMOS 电平相兼容的方波。第三级采用十进制同步计数器 74160 ,第二级输出的方波加到 74160 的 CL K,当从 74160 的 TC 输出可实现 10 分频 (多个 74160 的级连可以进一步扩展测频范围 ) 。第四级同样采用十进制同步计数器 74160 ,第三级输出的方波加到它的CL K,从它的 Q0 输出即可实现 2 分频 ,且其输出为对称方波
23、,方波宽度等于待测信号的周期 ,从而为测量信号周期提供基础。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v is i o nS iz eBD a t e : 1 3 - N o v - 2 0 0 9 S h e e t o f F il e : H : 毕业设计 C A D 4 1 .d d b D r a w n B y :Q014Q113Q212Q311TC15P03P14P25P36C L K9C E T10C E P7PE1MR20U47 4 1 6 0Q014Q113Q212Q311TC15P03P14P25P36C L K9C E T10C E P7PE1MR20U37 4 1 6 0U1N P NR12 0 0R21 0 K+5+5+5NI N P U TT 0 8 9 C 5 1 / T 0+51 2+5J2图 5 信号 预 处理电路
