數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告電子信息學(xué)院王家華 2010301430004鄒仁亭 2010301430003肖 偉 2010301430001在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測 量方案，測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量顯得更為重要。頻率測量的方式通常是對方波信號進(jìn)行沿判斷或電平判斷，再對相應(yīng)的 方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)從而實(shí)現(xiàn)頻率測量，因此頻率測量的精度比一般其他 物理量的精度要高很多。數(shù)字頻率計(jì)是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要工具之一，同時(shí)也是其他許 多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測量儀器（測量系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換電路將所需測量的量轉(zhuǎn) 換為頻率）從而通過測頻率來提高精度的。本設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)是基于 超低功

2、耗MSP430單片機(jī)來測量信號的頻率，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并用十 進(jìn)制數(shù)顯示出來，它具有精度高，測量速度快，讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：頻率測量；數(shù)字頻率計(jì)；單片機(jī)；計(jì)數(shù)器;顯示;,設(shè)計(jì)要求及功能設(shè)計(jì)方案1,設(shè)計(jì)任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo) 2,功能設(shè)計(jì) ，頻率測量方案的比較選擇與理論分析1，頻率測量方法 2,方案的比較選擇與理論分析 3，方案的選擇確定系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案及總體框圖四，單元模塊電路與程序設(shè)計(jì)穩(wěn)壓源模塊 放大整形模塊 數(shù)據(jù)測量計(jì)數(shù)模塊程序設(shè)計(jì)模塊五，測試結(jié)果分析1，穩(wěn)壓模塊測試 2，放大整形電路測試 3，頻率精度測試六，實(shí)驗(yàn)過程遇到的問題及解決方法1，電壓不匹配 2，161計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確 3，自動換

3、擋模塊效果不夠理想4，不能滿足小信號輸入時(shí)的要求，設(shè)計(jì)要求及功能設(shè)計(jì)方案1,設(shè)計(jì)要求 1.1基本要求(1 )頻率測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.55V ;頻率:1Hz1MHz;測量誤差差10-3；(2 )周期測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.55V ;頻率:1Hz1MHz;測量誤差差10-3;(3)十進(jìn)制數(shù)字顯示測量結(jié)果。1.2發(fā)揮部分(1 )頻率測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.55V ;頻率：1Hz1MHz;測量誤差差10-5(2 )周期測量測量范圍信號：方波，正弦波；幅度：0.55V ;頻率：1Hz1MHz;測量誤差10-5 ；(3 )自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任

4、務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。2,功能設(shè)計(jì)方案(1)能夠測量正常的方波頻率，誤差W 10-5 ；能夠?qū)⒄也ǚ糯笳螢檫m合測量的方波并準(zhǔn)確測量;能正確的以十進(jìn)制數(shù)顯示出測量頻率;可以實(shí)現(xiàn)多次測量;可實(shí)現(xiàn)高低頻率的自動切換測量；,頻率測量方案的比較選擇與理論分析1，頻率測量方法1.1,直接測頻法根據(jù)頻率測量的定義，在確定的閘門時(shí)間T內(nèi)，利用計(jì)數(shù)器記錄待測信號的周期數(shù)N，從而計(jì)算出待測信號的頻率fx=N/T ,原理如圖2-1所示。此方案對低頻信號的測量精度很低，較適合待測信號直接測頻法原理圖1.2，測周法以待測信號為門限，用計(jì)數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的高頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖數(shù)M，用計(jì)數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的脈沖數(shù) N，由式f

5、x=M/N確定待測信號的頻率（原理如圖所示）。當(dāng)選定高頻時(shí)鐘脈沖而被 測信號頻率較低時(shí)，可以獲得很高的精度，而當(dāng)被測信號頻率過高 時(shí)，由于測量時(shí)間不足會有精度不夠的問題，所以此方案適用于低mrwwLi標(biāo)頻信號測周法原理圖1.3，等精度測頻法此方案和測周法很相似，但其測量時(shí)間并不是被測信號的一個(gè)周期，而是人為設(shè)定的一段時(shí)間。如圖所示，閘門的開啟和閉合由被測信號的上升沿來控制,測量精度與被測信號頻率無關(guān)，因而可以保證在整個(gè)測量頻段內(nèi)的測量精度保持不變。相關(guān)計(jì)數(shù)法同時(shí)使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對待測信號頻率fx和標(biāo)頻信號fm在設(shè)定的精確門內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，fx的上升沿觸發(fā)精確門。若兩個(gè)計(jì)數(shù)器在精確門內(nèi)對fx和fm

6、的計(jì)數(shù)值分別為M和N , 待測信號的頻率為：fx二Mfx/N 。fx Rn_n_n_nj預(yù)置門F 精確門K . I I J 1 I I I I I I I I I I L I I t等精度測量原理圖此方法和直接測量法不同的是，計(jì)數(shù)器真正開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻 不是預(yù)置閘門的開始時(shí)刻。這樣計(jì)數(shù)器1對待測信號計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)由待測信號的上升沿控制，計(jì)數(shù)值 M為整數(shù)，不存在誤差。計(jì)數(shù)器2對標(biāo)頻信號計(jì)數(shù)，這樣計(jì)數(shù)值N為非整數(shù)，故會存在士 1的誤差。另外，標(biāo)頻信號由晶振提供,故不存在誤差。具體實(shí)現(xiàn)方法與、1Fm計(jì)數(shù)器fm時(shí)鐘發(fā)生器門fx2,方案的比較選擇與理論分析2.1方案比較與理論分析直接測頻法：此方案電路簡單，軟

7、件容易實(shí)現(xiàn)，為滿足實(shí)驗(yàn)要求精度，較適合高頻信號的測量，對低頻信號測量精度很低。理論分析：設(shè)開啟其閘門時(shí)間為1S,計(jì)數(shù)值為N ,則fx=N。但對其計(jì)數(shù)時(shí)會出現(xiàn)士 1的誤差，故要達(dá)到10-5精度要求，必須使頻率10k。但是，當(dāng)給入方波經(jīng)過軟件試驗(yàn)后所測得的大量數(shù)據(jù)未能達(dá)到要求的精度，此外低頻段要用測周法測量，直接測頻法會給其頻率的上限太高因而無法實(shí)現(xiàn) （測周法分析將會詳細(xì)介紹）。故不能選用直接測頻法。測周法：此方案是用于測量頻率較低的信號， 頻率高時(shí)，由于測量時(shí)間不夠，導(dǎo)致精度較低。理論分析：運(yùn)用此方案時(shí)，以待測信號為門限，由430給出12MHz的高頻脈沖為標(biāo)頻，記錄此門限內(nèi)的脈沖數(shù)N，則fx=1

8、2*10 6/n；但是由于待測信號的閘門開啟閉合時(shí)間對標(biāo)頻信號是隨機(jī)的，故對N會存在±1的誤差。所得fx*=12*10 6 / （ N士1 ）； 相對誤差二（fx-fx* ） /fx <10-5，此時(shí)，計(jì)算可得fx應(yīng)滿足fx<120Hz 。等精度測頻法：由于計(jì)數(shù)值 M為準(zhǔn)確值無誤差，計(jì)數(shù)值 N僅有±1的誤差，所以，理論上等精度法高低頻測得的值都比較 準(zhǔn)確。理論分析:此時(shí)標(biāo)頻信號依然用430提供的fm=12MHz 的高頻脈沖，由于對脈沖信號計(jì)數(shù)是由待測信號的上升沿控制,故計(jì)數(shù) 值M無誤差，N出現(xiàn)±1誤差則fx*=M*fm/(N±1)。=(fx-

9、fx*)/fx=1/(N±1)。由此可知，理論上等精度法測得的值誤差均可達(dá)到要求。但是由于預(yù)置門和精確門開啟時(shí)間有限,單位:Hz本設(shè)計(jì)為1s左右，理論上能測低頻為1Hz信號。此外，通過等fx15014013012011010090fx*150.00140.00130.00120.00110.00099.99089.991223488精度法側(cè)低頻得到以下數(shù)據(jù)：fx:輸入信號頻率fx*:測得信號由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，等精度測頻法在100Hz以上都可以達(dá)到五位數(shù)字有效，fx <100Hz后精度達(dá)不到。3，方案的選擇確定鑒于三種方案的能滿足設(shè)計(jì)要求精度的頻率限制比較，直接測頻法誤差太

10、大，不予以考慮。而測周法僅適用于低頻信號的測量，等精度法對低頻信號有一定限制。故本設(shè)計(jì)采用測周法和等精度法相結(jié)合的方法測量，即低頻信號(fx <100Hz )由測周法測量，高頻信號由等精度法測量。具體實(shí)現(xiàn)方法:Nfx,系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案及總體框圖由上述所介紹各種頻率測量方案的比較選擇選定頻率測量方案后，可確定最終總體系統(tǒng)方案：把輸入的待測信號經(jīng)過整形放大,得到可進(jìn)行沿判斷或電平判斷的方波信號，再對此信號進(jìn)行判斷。若是所設(shè)置的低頻信號(fxW100HZ ),則采用測周法用 MSP430軟件實(shí)現(xiàn)；若為所設(shè)置的高頻信號，則采用等精度法，即把所設(shè)置的預(yù)置門信號和此待測信號分別作為 D觸發(fā)器的D和CL

11、K輸入,由觸發(fā)器觸發(fā)精確門信號，把此信號分別和待測信號、MSP 430提供的12M高頻脈沖送入與門，然后分別用 74HC161計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2經(jīng)過與門后的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終送入運(yùn)算單元運(yùn)算后算出所測頻率和周期，并通過液晶頻顯示出來。系統(tǒng)總體框:系統(tǒng)總電路圖(見附錄)待測信號四，單元模塊電路與程序功能設(shè)計(jì)1，穩(wěn)壓源模塊本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源模塊方便對電路供電， 穩(wěn)壓電源要求實(shí)現(xiàn)由220V交流市電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定輸出的士 15V, ±12v, ±5v直 流電壓。本設(shè)計(jì)采用前級220v轉(zhuǎn)士 15v變壓器變壓后，經(jīng)過KBP206橋式整流器進(jìn)行整流后得到士 18v左右的直流電壓,將其接入此前

12、設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓模塊輸入端即可輸出士15v, ±12v, 士5v直流電壓。電路圖如下:0.06835D131B4B42C1814C11 174mF116C2COMMOND4D2C7100 nF1N4148U3LM7812CTLINE VREG VOLTAGEC6丄士10uFT-C5 亠100nFC3些10吐1001寸8T C4 ±10uFCOMMONLINE VREG VOLTAGECOMMONLINE VREG VOLTAGEo2T冬扌弓盧？R1.7k QT卜4mF1N4148 U2LM7815CT1N4148U1LM7805CT.R2> 1kQ*12LED2C9C10豐

13、 10詐 100 nFC11C13C12±10uF *100nFC15豐 10u豐 100nFC14COMMONVOLTAGELINE VREGCOMMONVOLTAGE LINE VREG/HMONCOVOLTAGE LINE VREGU4 LM7915CTD5-h-1N414818U5 LM7912CTD6-OH1N414820U6 LM7905CTD7-kH1N4148C8豐 10uF 圭 100nF 0C17亠 10uF 丄 10uFC16R31kQ吉2,放大整形模塊2.1信號放大電路FET輸入型運(yùn)放，擺率為25V/US，增益帶寬積為20MHz。此時(shí)我們采用兩級OPA604

14、,每級放大10倍左右，使之達(dá)到飽和放大以便過LM311進(jìn)行電壓比較，電路如圖所示。2.2整形電路本設(shè)計(jì)的整形電路選用的是 LM311比較器進(jìn)行比較使之得到穩(wěn)定輸出的方波信號，為盡量避免信號噪聲的干擾,在其輸出端接入200歐電阻到+5v設(shè)計(jì)成為滯回比較器，輸出端與+5v端接入與門輸出以便讓信號上升下降更加陡峭,方便計(jì)數(shù)。3，數(shù)據(jù)測量計(jì)數(shù)模塊 3.1計(jì)數(shù)器單元本實(shí)驗(yàn)選用74HC161計(jì)數(shù)器用來記錄所要獲得的數(shù)據(jù),74HC161是四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，并具有數(shù)據(jù)輸出保持功能，要滿足試驗(yàn)精度要求， 僅記四位是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為保證實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)及精度的準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用六個(gè)計(jì)數(shù)器級聯(lián) 的方式分別對待

15、測信號和標(biāo)頻信號在精確門內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，此時(shí)可記24位。電路如圖:J-atg03.2讀取數(shù)據(jù)單元由于計(jì)數(shù)器位數(shù)太多，需要大量數(shù)據(jù)口對其進(jìn)行讀數(shù)，所以本設(shè)計(jì)采用74HC151數(shù)據(jù)選擇器來對74HC161所記的數(shù)選擇出來，此后在對其還原即可，如此便節(jié)省大量數(shù)據(jù)口，避免浪費(fèi)。電路圖如下:4，程序設(shè)計(jì)模塊系統(tǒng)程序流圖如下:MCU五，測試結(jié)果分析1 ,穩(wěn)壓模塊測試經(jīng)測試，穩(wěn)壓模塊正常工作，所得電壓穩(wěn)定輸出所需電壓,測試結(jié)果如下:理想電壓+ 15V+ 12v+5v-5v-12v-15v測得電壓+ 15.5+ 11.7+4.9v-4.8v-11.8V-15.4Vvv2，放大整形電路測試對于前級放大整形模塊進(jìn)行測

16、試：方波和正弦波的相互切換能輸出穩(wěn)定的方波信號，并且調(diào)頻 1Hz1MHz，調(diào)電壓幅度 50mv5v均能正常穩(wěn)定輸出待測信號頻率的方波以便后級計(jì)數(shù)模塊對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。3，頻率精度測試fx110501005001k10kfx*1.00009.999949.999100.00499.991000.010000.2871813fx50k100k300k500k800k1M1.5Mfx*49999.10000.29999.49999.80000.100001500021783106單位:Hzfx:輸入信號頻率fx*:測得信號測試結(jié)果顯示，頻率計(jì)測量精度達(dá)到 10-5滿足實(shí)驗(yàn)要求。六，實(shí)驗(yàn)過程遇到的問題及解

17、決方法1， 電壓不匹配實(shí)驗(yàn)過程時(shí)發(fā)現(xiàn)待測信號經(jīng)過整形放大后再和相應(yīng)的精確門共同經(jīng)過與門后，輸出的信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理想值。然而對整形后待測信號和精確門信號進(jìn)行測試， 均為理想值。故可斷定為與門出現(xiàn)問題。解決方法：實(shí)驗(yàn)時(shí)與門的使用通常采取 +5V供電，查詢74HC08pdf可知此時(shí)對與門來說高電平應(yīng)為 3 V以上。而本實(shí)驗(yàn)采取低功耗單片機(jī)MSP430實(shí)現(xiàn)，其所能提供的最大電壓為3.3v。從而發(fā)現(xiàn)電壓不匹配問題，本實(shí)驗(yàn)采取給與門供電減小為MSP430所提供的電壓，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象達(dá)到相應(yīng)要求。2，161計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確在連接好實(shí)驗(yàn)電路后對高頻信號檢測的過程中發(fā)現(xiàn)， 實(shí)驗(yàn)所測得的頻率與給出信號的頻率相差甚遠(yuǎn)

18、。此時(shí)，先檢查數(shù)據(jù)選擇器借口所有數(shù)據(jù)是否正確，經(jīng)檢驗(yàn)得其選擇數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)沒有偏差。又通過對 74HC161的各個(gè)輸出進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其輸出口分頻結(jié)果完全正確，并且記到的數(shù)字與程序所及數(shù)據(jù)恰好吻合（但與準(zhǔn)確頻率有很大偏離），此時(shí)確定為計(jì)數(shù)器74HC161使用的問題。通過查閱74HC161芯片手冊發(fā)現(xiàn)此芯片分頻和計(jì)數(shù)功能不盡相同， 查看其時(shí)序圖可知,其開始計(jì)數(shù)是被測信號的上調(diào)沿觸發(fā)，進(jìn)位是前一位的下跳沿觸發(fā)。故在級聯(lián)時(shí)會出現(xiàn)提前計(jì)數(shù)的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)紊亂。通過仔細(xì)，研究發(fā)現(xiàn)每一片的第四位總是在理想數(shù)據(jù)下提前其elk信號的1/16,并且是理想計(jì)數(shù)信號的取反。解決方法：由上述可知，改進(jìn)方法有兩種：一，根據(jù)實(shí) 際信號與理想信號差值關(guān)系和記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)把記錄的錯(cuò)誤數(shù)值進(jìn)行寫算法對其矯正。二，對每一芯片的最后