简易数字频率测量仪的设计【文献综述】.doc

1、 毕业设计文献综述 电子信息工程 简易数字频率测量仪的设计 前 言 电子技术中，频率是基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案及结果都有设分密切的关系，因此频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品的体积大，运行速度慢。因此频率测量方法的优化越来越受到重视。频率测量的方法有很多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便，测量速度快，以及便于实现等优点，是频率测量的重要手段之一。另外，由于微型计算机的引用，测量的数字化，智能化逐渐成为当 前测量技术的发展趋势。数字化处理技术输的测量仪器设备功能完美，但数字处理的实时性受到

2、处理速度的限制，实时测量对电路的处理速度要求越来越高，目前，微处理芯片的发展迅速，出现了 DSP， FPJA 等不同领域的应用芯片。将这些芯片应用到频率计制作当中，使得频率计的测量精度及测量速度也得到了极大的提高。 其次，为了实现智能化的电子计数测频，实现宽领域，高精度的频率计，一种有效的方法是运用单片机测量频率。单片机频率与以往的频率计有硬件电路少的优点，过去许多用硬件实现的功能可以通过单片机的软件程序来实现，因为软件可以降低频 率计的成本，往往只需要增减极端到吗就可以实现不同的功能，同时也降低了硬件设计的难度，减少出错率，通过软件调试的方法还可以提高频率测量的精度。 MCS-51 系列单片

3、机就具有体积小，功能强，性价比高等特点，因此被广泛应用于各种领域。本次设计就以 89C51 单片机为核心，来实现频率测量。 1、设计目地及意义 本设计主要研究如何用单片机来测量频率，并数字显示。因频率测量在电子技术中的重要性，这就要求频率计要不断的提高其测量精度和速度。在以科技日异月新的速度发展，经济全球化的社会中，简介、高效、经济成为人们办事的一大宗 旨。在电子技术中这一点表现的尤为突出，人们在设计时，都尽量用较少的硬件来实现，并且尽力把以前由精简来实现的功能通过软件解决。因为软件相较硬件具有易修改的优点，所以具有很大的灵活性。单片机就具有这样的优点，其独特功能和廉价的特性使得它呗广泛的应用

4、。例如国内开发的充电器，电子定时器，汽车防盗器，卫星接收机以及各种智能仪表等实用产品。频率计也是单片机的一种重要应用，价格低廉又具有实际意义。实现测量的数字化、自动化、智能化已经成为各种仪表设计的方向，而由单片机控制的、全自动的、数字显示的频率计就符合这以设计理念。 本次设计涉及到了电路的设计、程序的编写，绘制电路图等多方面的知识。在做该设计的过程中我对频率及有了更为全面的认识，频率计不但有很多种设计方法，而且不同设计结构的频率计有不同的优点。通过这次的实践，巩固了自己的编程语言知识，提高了自己的编程能力以及动手操作能力，对以后的工作学习将有莫大的帮助。 2、国内外研究状况 主要介绍一下单片频

5、率计 ICM7216D。 /12/它是由美国 Intersil 公司首先研发的专用测频大规模集成芯片。它是标准的 28 引脚的双列直插式集成电路，采用单一的 5V 稳压电源工作。内含高频振荡 器、 10 进制计数器、 7 段译码器、位电路复用器、能够直接驱动 LED 显示器的 8 段段码驱动器、 8 为位码驱动器。其基本的测频范围为 DC 至 10MHZ，若加预置的分频电路，则上线频率可达 40MHZ 或 100MHZ。只要加上晶振、量程选择、 LED 显示器即可构成构成一个 DC 至 40MHZ 的微型频率计，可用于频率测量或机械转速测量。 /13/PTS2600 是英国研制的一款微波频率计

6、，其测量频率可高达 26GMZ。它能在四个波段有很好的灵敏度测量 40HZ到 20GHZ 的频率。也可以用他来测量高达 26GHZ 的频率，只不过灵敏度稍微的一 些。日常工作中，用他来测量 VF/VHF/UFH 频段的频率，也十分方便和准确。它使用一个 12 位数字的 LCD液晶显示屏来显示所得的频率、闸口时间、菜单功能以及频率的测量结果。所有这些数值都是同时显示在一个屏幕上的。各模块相对独立，维修方便，主要通过更换模块进行。我国利用相检宽带测频技术设计的高精度频率计也非常具有突破性和实用性。该项新技术及仪器是针对已有测频技术的特点及存在问题，推出完全新颖的检测精度高。便于实施且设备构成又比较

7、经济的一种技术及仪器。其测量精度高于一般仪器 1000 倍以上。而价格相当于外国仪器的 1/8。该成果特点：应用最大公因子频率的概念，用相位检测的方法进行中、高频宽频率范围的高精度测量，精度高且设备简单，它可以替代多种专用测量仪器并开发出多种用途不同的频率及周期性信号的测量仪器。 主 题 1、方法借鉴 程源和祝洪峰在基于 FPGA 的数字频率计的设计与制作 /9/中设计了一种以 EDA 工具为开发手段、运用 VHDL 语言编程的数字频率计，其设计图主要由分频器，测量频率控制电路、计数器、寄存器、译码器、扫描驱动等六个模块组成。正常工作时，系统时钟经分频得到 1HZ 标准方波信号作为频率测量控制

8、电路的输入， 1HZ 信号经 2 分频后高电平持续时间为1S，用 1S 的时间能使计数器技术，将结果保存到锁存器并转换为 7 段数码管的相应代码，采用动态扫描方式在数码管上显示待测信号的频率。 吴海明和王伟的基于单片机与 FPGA 的等精度频率计设计 /10/根据精度测频原理，利用单片机与 FPGA 结合设计等精度数字频率计。待测频率信号经过整形放大后输入到 FPGA，单片机控制 FPGA 通过内部脉冲计数器对待测信号和标准信号源同时计数，单片机读回测频数据后，经运算处理后显示。等精度频率计测频精度高，且精度不随频率的变化而变化。单片机与 FPGA 结合，测频速度快，范围宽，可靠性高。 饶成明

9、和马希直的基于 FPGA 的多功能全同步数字频率计设计 /11/在分析比较现有测频方法优缺点的基础上，应用全同测量法，采用 AT89C51 单片机实现控制，并通过 FPGA 芯片，在 MAX+PLUS中运用 VHDL 语言编程，设计出一个多功能全同步数字式频率计。该设计可以兼顾频率计对速度、资源和测频精度等各方面的优化需求。消除了 M 法（直接测量法）、 T法（周期测量法）和 M/T 法（等精度测量法）这三种方法和一个技术误差的问题。采用全同步测量法，使频率测量的精度和性能大为改 善。 2、方案比较 ： 方案一：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档，完成测频率、测周期

10、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，能可靠地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。而且多量程换档开关使用不便。 方案二：系统采用可编程控制器件（ PLD,如 ATV2500）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 不能充分发挥其特点及优势，并且测量精 度不够高，导致系统性价比降低、系统功能扩展受到限制。 方案三：系统采用单片机作为控制核心，门控信号由单片机内部的计数定时器产生。由于单片机的计数频率上限较低，所以需对高频预测信号进行硬件

11、预分频处理，单片机则完成运算、控制及语音播报功能。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和改进。 显然，上述三种方法中方案三是最好的，它所用到的硬件较少，用软件来实现其功能具有较大的灵活性，测频范围广，且得到的结果精度高。 3、测量原理 数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率 的一种测量装置。它可以测量正弦波、方波、三角波和尖脉冲信号的频率。 按照频率的定义，即单位时间内周期信号的发生次数。对于低频信号，采用间接测频，直接测量周期。对于中频信号，信号直接进入单片机进行运算。单片机内部的定时器进行计时，计数器进行计数。若计时值为 t,计数值为 N，

12、则被测频率为 f=N/t；对于高频信号，经分频整形后进入单片机系统。设定时器计时为 t1,计数器计数为 N1，则被测频率为 f1=MN1/t1。 M 为分频系数。 图 1 系统整体流程图 4、数字频率仪的基本组成 （ 1）放大整形电路 由于被测信号一般是模拟信号，所以首先需将被测信号放大整形，使被测信号变换为频率与其相同的矩形脉冲信号，通过测量脉冲信号的频率就得到了被测信号的频率。 电路图如图所示： 图 2 放大整形电路 初始化系统 调用频率测量子函数 液晶显示 开始 （ 2）分频电路 用晶振以及 74LS160 来进行分频，使之处于单片机能够处理的范围之内。 (3) 计数测频率 当输入信号进

13、入单片机后，计数器 1 对脉冲数进行计数，定时器 0 进行定时，当 1S 时，计数器的值就是频率值。 (4) 显示模块 用 1602 液晶屏进行显示 总 结 通过以上文献综述，不难发现： 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，在信号频率测量中对准确性的要求也越高，传统的以单片机为核心的测频系统，测频速度较慢，无法满足高速、高精度的测频要求，而通过 VHDL 编程的 FPGA 器件，在芯片内部可以实现高速、宽范围的测频，实现了数字系统硬件的软件化，是数字逻辑设计的新趋势。 参考文献 1 蔡明生 .电子设计 M. 北京：高等教育出版社， 1997. 2 林明权 .数 字控制系统设计范例 M.北京：

14、电子工业出版社 ,2003. 3 邹道生，李铭，杨汉祥 .多功能数字的频率计的设计 J.赣南师范学院学报， 2004(3)：16-18. 4 胡汉才 .单片机原理及接口技术 M.北京：清华大学出版社， 1997. 5 杨守良 .基于 FPGA 的数字频率计的设计和实现 J.陕西 .现代电子技术 ,2005(11)：118-120. 6 白驹荇 .单片机极其应用 M.四川：电子科技大学出版社， 1994. 7 王保强，窦文，白红 .高精度测频方案设计 J.成都信息工程学院学报， 2002（ 2）：77-81. 8 李建科 ，曾文献，魏志军 .智能高速频率计的设计 J.河北省科学院学报， 2006

15、（ 2） :45-48. 9 程源，祝洪峰 .基于 FPGA 的数字频率计的设计与制作 J.电子制作， 2008(1):34-36. 10 吴海明，王伟 .基于单片机与 FPGA 的等精度频率计的设计 J.兵工自动化 ,2009， 28（ 3）： 79-80. 11 饶成明，马希 .基于 FPGA 的多功能全同步数字频率计设计 J.现代电子技术， 2010，33（ 2）： 101-103. 12 J.Tierney , C.M.Rader and B.Gold. A Digital Frequency SynthesizerJ.IEEEE Trans.Audio Electroacoust,1971,Vol.AU-19， p48 13 Bob Zeidman, Verilog Designers library M,Prentice,1998. 14 李广弟 ,朱月秀 ,冷祖祁 .单片机基础 (第 3 版 ) M.北京： 北京航天大学出版社 ,2007. 15 清源计算机工作室 .Protel 99 SE 原理图与 PCB 及仿真 M.北京：机械工业出版社出版， 2007. 16 马忠梅 ,籍顺心 ,张凯 ,马岩 .单片机的 C 语言应用程 序设计 (第 4 版 ) M.北京： 北京航天大学出版社 ,2007.