數(shù)字頻率計(jì)論文

1、數(shù)字頻率計(jì)摘要：本系統(tǒng)以TI公司的MSP430G2553單片機(jī)為控制和計(jì)算單元，外加放大整形電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正弦波頻率測(cè)量功能。系統(tǒng)使用了計(jì)數(shù)法和測(cè)周期法對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)試方法可以根據(jù)頻率自行切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各頻帶內(nèi)的準(zhǔn)確測(cè)量。系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，架構(gòu)合理，性能穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；數(shù)字頻率計(jì)一、系統(tǒng)方案方案一：選用頻率計(jì)專(zhuān)用模塊。該方案在技術(shù)上是可行的，但競(jìng)賽規(guī)則不能采用頻率計(jì)專(zhuān)用模塊。即使允許使用，對(duì)于設(shè)計(jì)要求中的某些指標(biāo)，采用專(zhuān)用模塊完成也是困難的。方案二：采用邏輯芯片和可編程器件實(shí)現(xiàn)。還方案也是可行的。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：僅使用硬件電路完成，調(diào)試工作量相對(duì)較少。缺點(diǎn)是：某些功能實(shí)

2、現(xiàn)困難，不易修改。方案三：用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。目前單片機(jī)種類(lèi)很多，單片機(jī)功能越來(lái)越強(qiáng)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用TI公司的MSP430單片機(jī)，該芯片內(nèi)含2個(gè)16為定時(shí)/計(jì)數(shù)器，能最大限度的簡(jiǎn)化頻率計(jì)外圍器件。MSP430還有全功能串行口、程序存儲(chǔ)器等，因此該方案具有硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單、功能靈活、易于修改等有點(diǎn)。綜合上述三種方案，本設(shè)計(jì)選用方案三。如圖1所示，被測(cè)正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路，得到方波信號(hào)；在通過(guò)MSP430G2553單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)Ts內(nèi)產(chǎn)生方波N個(gè)（又f=N/T），從而達(dá)到測(cè)頻的目的與要求，最后在LCD上顯示頻率值。MSP430G2553控制電路輸入信號(hào)放大整形電路顯示信號(hào)輸入 圖1（系統(tǒng)框圖）二、單

3、元電路設(shè)計(jì)2.1.波形變換電路方案一：采用遲滯比較器。該電路簡(jiǎn)單，并且輸入正弦波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)變換可以輸出方波信號(hào)，但是波形不是完全的方波。當(dāng)輸入幅值較大的信號(hào)時(shí)，能夠輸入很好的方波；但是輸入幅值較小(小于1V)的信號(hào)時(shí)，輸入方波波形失真比較大。方案二：采用過(guò)零比較器進(jìn)行波形變換。將輸入的正弦波變換為同頻率的方波信號(hào)。電路簡(jiǎn)單可以同時(shí)滿(mǎn)足0.5V和5V的幅值信號(hào)輸入，且轉(zhuǎn)換出來(lái)的方波波 形完全不失真,輸出電壓為3.2V（可調(diào)，改變負(fù)載電阻即可）。方案三：直接采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行變換與整形。而選用NE555電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器最大輸入信號(hào)頻率只有500KHz，不符合項(xiàng)目要求指標(biāo)。方案四：直接用P

4、NP管進(jìn)行波形變換電路，但是整形波形不是很穩(wěn)，而且輸入信號(hào)頻率過(guò)高，波形轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)很慢。綜上所述，本系統(tǒng)采用方案二。如附件圖2所示，是用LMV393比較器組成的過(guò)零比較器。因?yàn)檫@款芯片屬于TI公司的，所以是首選。還有就是對(duì)這款芯片進(jìn)行測(cè)試測(cè)試。當(dāng)輸入1Hz-10MHz時(shí)，輸入方波很穩(wěn)定。 2.2.MSP430G2553單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。2.3.顯示電路。用1602LCD進(jìn)行顯示。三、理論分析與計(jì)算3.1.誤差計(jì)算本設(shè)計(jì)采用組合測(cè)頻法，其誤差主要來(lái)自于計(jì)數(shù)誤差，測(cè)周法及測(cè)頻法對(duì)測(cè)頻的影響分析如下： 測(cè)頻法計(jì)數(shù)誤差分析：設(shè)被測(cè)信號(hào)的頻率 ，時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到N個(gè)周期信號(hào)，則 （3-1） 計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻誤

5、差的影響可由對(duì)（2-1）式求的微分得出 （3-2）由產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差的原因可知，對(duì)于部分,無(wú)論計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短,計(jì)數(shù)法測(cè)頻總存在1個(gè)單位的量化誤差，即計(jì)數(shù)誤差為1， 所以 （3-3）又因?yàn)?，所?因?yàn)楦鶕?jù)題目要求測(cè)1Hz-1MHz頻率的正弦波，誤差要求小于0.1%。而當(dāng)我們輸入1000Hz以上頻率時(shí)，采用直接測(cè)頻法，誤差就會(huì)大于0.1%。所以要用測(cè)周期法來(lái)間接得出頻率。 測(cè)周期時(shí)計(jì)數(shù)誤差的影響：用測(cè)周期法測(cè)頻時(shí)，頻率計(jì)算公式： 對(duì)其微分得到 （3-4）又，所以 （3-5）為量化誤差。待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量值通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值,這時(shí)的誤差來(lái)源于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的誤差。四、系統(tǒng)

6、軟件設(shè)計(jì)4.1.軟件程序設(shè)計(jì)特色采用組合測(cè)頻率，低頻時(shí)采用測(cè)周法，高頻時(shí)采用直接測(cè)頻法。低頻時(shí),利用T1對(duì)信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（cnt），利用PI/O口的對(duì)電平跳變沿敏感并產(chǎn)生中斷來(lái)確定信號(hào)的周期長(zhǎng)度，設(shè)T1的時(shí)鐘為T(mén),則信號(hào)的頻率f=1/(cnt.T)；高頻時(shí)，T0為計(jì)數(shù)模式，T1采用定時(shí)模式， T1定時(shí)為2秒，將信號(hào)作為T(mén)0的外部輸入時(shí)鐘，T0在T1的2秒時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（cnt）,信號(hào)頻率f=cnt/2。4.2.程序流程圖 如附件圖3所示 五、系統(tǒng)儀器5.1.測(cè)試儀器表1 系統(tǒng)測(cè)試儀器測(cè)試儀器型號(hào)數(shù)量數(shù)字示波器TDS10121數(shù)字萬(wàn)用表VC890C+1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器SG1005

7、15.2 測(cè)試方法及結(jié)果利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰值為50mV、頻率：1Hz1MHz的正弦波，然后調(diào)節(jié)分壓電路電阻R4，使輸出電壓為2.4V左右，測(cè)其頻率，測(cè)量結(jié)果如表2所示。表2 測(cè)量結(jié)果次數(shù)信號(hào)頻率f1測(cè)量頻率f2誤差11Hz1.000Hz0.000%211.505Hz11.505Hz0.000%312.860Hz12.860Hz0.000%417.541Hz17.541Hz0.000%550.567Hz50.567Hz0.000%6100Hz99.993Hz0.007%7501Hz501.039Hz0.000%81.1KHz1.101KHz0.100 %95KHz5.000KHz0.000

8、%1010KHz10.000KHz0.000%11100KHz100.001Kz0.000%12300KHz300.003KHz0.001%13800KHz800.008KHz0.001%141MHz1.000MHz0.000%152MHz2.000MHz0.000%165MHz5.000MHz0.000%測(cè)試結(jié)果分析：根據(jù)數(shù)據(jù)可知，測(cè)試數(shù)據(jù)在1Hz-5MHz能夠很精確的測(cè)出頻率，但是在1.1KHz時(shí)，誤差突然達(dá)到0.1%，因?yàn)?.1KHz正好是臨界點(diǎn)，所以純屬正?，F(xiàn)象。但是在1Hz以下和5MHz以上的頻率仍需我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)中繼續(xù)研究。六、設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題及解決方案6.1硬件部分 在設(shè)計(jì)波形變換電路時(shí)，選用遲滯比較器、施密特觸發(fā)器和過(guò)零比較器這三種電路中哪一種來(lái)實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換，有些不確定。但是經(jīng)過(guò)逐次仿真來(lái)驗(yàn)證，最后選用由LMV393組成的過(guò)零比較器。6.2軟件部分開(kāi)始使用測(cè)頻法，高頻時(shí)較精確，但低頻時(shí)誤差較大。后來(lái)采用組合法測(cè)頻，即低頻時(shí)采用直接測(cè)量信號(hào)周期，頻率較高時(shí)采用測(cè)頻法，提高了測(cè)量精度。七、總結(jié)本設(shè)計(jì)以MSP430G2553為測(cè)量控制核心，以LMV393作為外圍波形轉(zhuǎn)換電路，將輸入正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后再由MSP430