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)了對正弦波頻率測量功能。系統(tǒng)使用了計(jì)數(shù)法和測周期法對被測信號進(jìn)行測量，其測試方法可以根據(jù)頻率自行切換，實(shí)現(xiàn)了對各頻帶內(nèi)的準(zhǔn)確測量。系統(tǒng)電路簡單，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)專用模塊。該方案在技術(shù)上是可行的，但競賽規(guī)則不能采用頻率計(jì)專用模塊。即使允許使用，對于設(shè)計(jì)要求中的某些指標(biāo)，采用專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)種類很多，單片機(jī)功能越來越強(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，能最大限度的簡化頻率計(jì)外圍器件。msp430還有全功能串行口、程序存儲器等，因此該方案具有硬件構(gòu)成簡單、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，被測正弦波信號經(jīng)過放大整形電路，得到方波信號；在通過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控制電路輸入信號放大整形電路顯示信號輸入 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。該電路簡單，并且輸入正弦波信號后，經(jīng)過變換可以輸出方波信號，但是波形不是完全的方波。當(dāng)輸入幅值較大的信號時(shí)，能夠輸入很好的方波；但是輸入幅值較小(小于1v)的信號時(shí)，輸入方波波形失真比較大。方案二：采用過零比較器進(jìn)行波形變換。將輸入的正弦波變換為同頻率的方波信號。電路簡單可以同時(shí)滿足0.5v和5v的幅值信號輸入，且轉(zhuǎn)換出來的方波波 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)，而且輸入信號頻率過高，波形轉(zhuǎn)換過來很慢。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。還有就是對這款芯片進(jìn)行測試測試。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)采用組合測頻法，其誤差主要來自于計(jì)數(shù)誤差，測周法及測頻法對測頻的影響分析如下： 測頻法計(jì)數(shù)誤差分析：設(shè)被測信號的頻率 ，時(shí)間內(nèi)檢測到n個(gè)周期信號，則 （3-1） 計(jì)數(shù)誤差對測頻誤

5、差的影響可由對（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，對于部分,無論計(jì)時(shí)時(shí)間長短,計(jì)數(shù)法測頻總存在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)，采用直接測頻法，誤差就會大于0.1%。所以要用測周期法來間接得出頻率。 測周期時(shí)計(jì)數(shù)誤差的影響：用測周期法測頻時(shí)，頻率計(jì)算公式： 對其微分得到 （3-4）又，所以 （3-5）為量化誤差。待測信號的周期測量值通過浮點(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)特色采用組合測頻率，低頻時(shí)采用測周法，高頻時(shí)采用直接測頻法。低頻時(shí),利用t1對信號的一個(gè)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（cnt），利用pi/o口的對電平跳變沿敏感并產(chǎn)生中斷來確定信號的周期長度，設(shè)t1的時(shí)鐘為t,則信號的頻率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，將信號作為t0的外部輸入時(shí)鐘，t0在t1的2秒時(shí)間內(nèi)對信號周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（cnt）,信號頻率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.測試儀器表1 系統(tǒng)測試儀器測試儀器型號數(shù)量數(shù)字示波器tds10121數(shù)字萬用表vc890c+1函數(shù)信號發(fā)生器sg1005

7、15.2 測試方法及結(jié)果利用函數(shù)信號發(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，測其頻率，測量結(jié)果如表2所示。表2 測量結(jié)果次數(shù)信號頻率f1測量頻率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%測試結(jié)果分析：根據(jù)數(shù)據(jù)可知，測試數(shù)據(jù)在1hz-5mhz能夠很精確的測出頻率，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)，所以純屬正常現(xiàn)象。但是在1hz以下和5mhz以上的頻率仍需我們在以后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)研究。六、設(shè)計(jì)遇到的問題及解決方案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)器和過零比較器這三種電路中哪一種來實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換，有些不確定。但是經(jīng)過逐次仿真來驗(yàn)證，最后選用由lmv393組成的過零比較器。6.2軟件部分開始使用測頻法，高頻時(shí)較精確，但低頻時(shí)誤差較大。后來采用組合法測頻，即低頻時(shí)采用直接測量信號周期，頻率較高時(shí)采用測頻法，提高了測量精度。七、總結(jié)本設(shè)計(jì)以msp430g2553為測量控制核心，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