數字頻率計的設計

1、數字頻率計的設計摘要：采用STC89C52RC單片機作為系統(tǒng)的核心控制器件，該系統(tǒng)采用直流供電，由信號輸入模塊、信號相加模塊、濾波模塊、信號比較器模塊，電平轉換模塊組成，具有信號輸入、測信號頻率、測量矩形方波占空比的功能，并且具有測量精度高功耗低、抗干擾能力強等特點。1 方案設計與比較11.1 信號混合電路模塊11.2 濾波電路模塊21.3 正弦波整形電路21.4測頻系統(tǒng)模塊22 理論分析與計算22.1 同相加法電路分析計算22.2 二階高通濾波電路分析計算22.3 比較器電路分析計算33 電路設計33.1加法器電路33.2 高通濾波電路43.3 比較器電路54 程序設計54.1 頻率的測量5

2、4.2 由頻率測量到占空比測量切換的實現54.3 占空比的測量55 作品測試65.1 測試儀器65.2 測試方法65.3 測試結果及分析65.3.1信號混合器波形測試65.3.2頻率測試75.3.3占空比測試85.4 結果分析86 總結8參考文獻91 方案設計與比較1.1 信號混合電路模塊方案一：同相加法器。加法器是一種數位電路，其可進行信號的加法計算。加法器是產生數的和的裝置。加數和被加數為輸入，和數與進位為輸出的裝置為半加器。若加數、被加數與低位的進位數為輸入，而和數與進位為輸出則為全加器。同相加法器輸入阻抗高，輸出阻抗低 反相加法器輸入阻抗低，輸出阻抗高 當選用同相加法器時，如A輸入信號

3、時，因為是同相加法器，輸入阻抗高，這樣信號不太容易流入加法器，反而更容易流入B端，而影響到B端的正常使用;同樣，如B輸入信號時，容易流入A端，而影響到A端的正常使用。 方案二：反相加法器。當選用反相加法器時，因為加法器輸入阻抗低，不管是A端，還是B端信號，更容易流入加法器，而不會影響其它路的正常使用。綜上所述選擇方案一。1.2 濾波電路模塊 方案一：選用有源二階切比雪夫高通濾波器。切比雪夫濾波電路在通帶或阻帶上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器。切比雪夫濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內存

4、在幅度波動，有可能有紋波波動導致電壓達到施密特觸發(fā)器的上限或下限出發(fā)電平，導致誤觸發(fā)，輸出方波可能嚴重失真。 方案二：選用有源二階巴特沃斯高通濾波器。巴特沃斯濾波電路的幅頻響應在通帶中具有最平幅度特性沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，由于巴特沃斯濾波電路的幅頻響應曲線很平滑，沒有起伏，可以有效規(guī)避施密特比較器中的誤觸發(fā)，所以選用幅頻響應曲線最平滑的巴特沃斯型濾波器，可以有效規(guī)避誤觸發(fā) 。綜上所述選擇方案二。1.3 正弦波整形電路方案一：采用分立器件搭建整形電路。由于分立器件電路存在著結構復雜、設計難度大等諸多缺點，因此不采用該方案。 方案二：采用集成比較器運放。常用的電壓比較器運放

5、LM339的響應時間為1300ns，遠遠無法達到發(fā)揮部分100MHz的頻率要求。因此，采用響應時間為4.5ns的高速比較器運放TLV3501。1.4測頻系統(tǒng)模塊方案一:采用傳統(tǒng)的TI的MSP430單片機對系統(tǒng)進行控制，但其容量小，工作電壓較低與板子工作電壓不符，功耗較大。方案二：采用51單片機對系統(tǒng)控制，該單片機的工作電壓為5V，與板子的工作電壓一致，而且性能很好，功能強大，既能滿足對功耗控制要求，又能達到設計要求。綜上所述，選擇方案二。2 理論分析與計算2.1 同相加法電路分析計算NE5532具有輸入阻抗高，輸出阻抗低等特點。當選用同相加法器時，需要在輸入信號后加一個電壓跟隨器，然后才通過同

6、相加法器進行信號混合。采用NE5532芯片作為信號的來實現電壓跟隨器與加法器，其驅動電壓為5V，并且在電壓端需要加入退耦電容，防止電路通過電源形成的正反饋通路而引起的寄生振蕩。當信號S1與S2輸入過后，由于電壓跟隨器的作用導致信號電壓衰減一倍，因此在同相加法電路中需要將輸出信號S3電壓放大一倍,所以，R3與R4電阻選用10K電阻。Av=R4/(R3+R4)+1,R3=R4=10k。2.2 二階高通濾波電路分析計算 高通濾波器，又稱低截止濾波器、低阻濾波器，允許高于某一截頻的頻率通過，而大大衰減較低頻率的一種濾波器。它去掉了信號中不必要的低頻成分或者說去掉了低頻干擾。它是由兩節(jié)RC濾波電路和同相

7、比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。其中最低允許通過頻率Wc=1/RC。輸入S3混合信號時，可以濾掉S2低頻信號，S1高頻信號可以通過，可采用NE5532組裝成該電路，該電路參數由Filterpro deskstop軟件自動確定。參數如圖所示：2.3 比較器電路分析計算 施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。本實驗采用的是LM311比較器。由于施密特觸發(fā)器的比較電壓接地為0V,輸入信號與0V相比較，根據輸入信號的電壓幅度值確定上限觸發(fā)電平Vt1與下限觸發(fā)電平Vt2并確定各個電阻值，最

8、后測得經過窗口比較器輸出后的方波比較符合理想情況，可以正常工作。3 電路設計 我們設計的頻率計組要分為以下幾個部分：同相加法器、濾波器、比較器、單片機控制系統(tǒng)。本設計中的核心是由STC89C52RC構成的控制系統(tǒng)，通過單片機的外部中斷及單片機內部的定時器來完成待待測信號頻率及周期的測量。定時器的工作可以由編程來實現定時、計數和產生計數溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內，每來一個機器周期，外部中斷一次，并且變量自動加1，這樣就可以測量出信號的頻率。（如圖）3.1加法器電路如下圖： NE5532具有輸入阻抗高，輸出阻抗低等特點。當選用同相加法器時，需要在輸入信號后加一個電壓

9、跟隨器，然后才通過同相加法器進行信號混合。采用NE5532芯片作為信號的來實現電壓跟隨器與加法器，其驅動電壓為5V，并且在電壓端需要加入退耦電容，防止電路通過電源形成的正反饋通路而引起的寄生振蕩。輸入信號各接入一個由NE5532運算放大器構成的電壓跟隨器，然后各接入一個10K的電阻一起輸入同相加法器，同相加法器的R3，R4電阻都為10K,以保證其內部包含的固定增益放大器的增益額度由外接反饋的網絡不同而改變，以滿足增益變化的需要。3.2 高通濾波電路電路圖如圖所示， 選用有源二階巴特沃斯高通濾波器。巴特沃斯濾波電路的幅頻響應在通帶中具有最平幅度特性沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，由于巴特沃斯

10、濾波電路的幅頻響應曲線很平滑，沒有起伏。由兩個68nf的電容與一個1.5K的電阻從正極輸入一個NE5532運算放大器。負極接一2.7K的電阻接地，接10K的電阻與運算放大器的輸出端相連。 3.3 比較器電路 比較器用的芯片是LM311，LM311是一款兼容TTL器件引腳的高速CMOS器件，邏輯功能為6路斯密特觸發(fā)反相器，其耗電量低，速度快，可將緩慢變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號。電路圖如圖。4 程序設計4.1 頻率的測量單片機控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機，STC89C52RC單片機具有低功耗模式，并且具有5個中斷源，有兩個外部中斷兩個內部中斷還有一個串口中斷。程序使用單片

11、機內部計數器和定時器實現測量。主要是通過比較器和電平轉換器將輸入信號轉換為單片機可利用的矩形脈沖信號，編程計數一秒內矩形脈沖的個數，從而實現測量輸入信號頻率的功能。4.2 由頻率測量到占空比測量切換的實現由單片機上的按鍵實現，按下去（長按），數碼管則顯示矩形脈沖的占空比，若為按下此鍵，數碼管則顯示的是輸入信號的頻率。4.3 占空比的測量 如上圖所示，當脈沖的上升沿來臨時，將定時器打開；緊接著的下降沿來臨時，讀取定時器的值，假設定時時間為t1；下一個上升沿來臨時關閉定時器，讀取定時器的值，假設定時時間為t2。t1即為1個周期內高電平的時間，t2即為脈沖的周期。t1/t2即為占空比，1/t2即為頻

12、率。5 作品測試5.1 測試儀器 直流穩(wěn)壓電源：GPD-33030，一臺 數字儲存示波器：DS1102E, 一臺 函數信號發(fā)生器：DG1022U, 一臺 萬用表：VC890C， 一臺5.2 測試方法利用函數信號發(fā)生器，產生一系列滿足題目要求的待測信號，使用本電子設計競賽作品對待測信號進行測量，并分析計算相對誤差。同時，使用示波器的脈沖測量功能，對比測量，信號參數。測試時的裝置連接方式如圖。5.3 測試結果及分析5.3.1信號混合器波形測試 波形測試如圖，輸入頻率分別為50HZ和50KHZ，峰峰值都為1VPP的正弦波通過信號混合器后，波形如圖所示?？梢悦黠@觀測到50KHZ的波形被50HZ的波形所

13、影響。5.3.2頻率測試S2幅度(Vpp)S2頻率（Hz）待測作品顯示頻率(Hz）待測作品測量相對誤差（%）示波器測得的頻率（Hz）0.25k 2535 50.31 51020.55k 4985 0.30 50001.05k 4985 0.30 50002.05k 4985 0.30 50000.210k 6113 38.87 10K0.510k 9975 0.25 10K1.010k 9975 0.25 10K2.010k 9975 0.25 10K0.250k 31355 37.29 50K0.550k 49898 0.204 50K1.050k 49898 0.204 50K2.050k

14、 49898 0.204 50K0.2100k 62909 37.09 100K0.5100k 99795 0.205 100K1.0100k 99796 0.204 100K2.0100k 99796 0.204 100K5.3.3占空比測試 S2頻率（Hz）S2 占空比待測作品顯示頻率（Hz）待測作品頻率測量相對誤差 （%）待測作品顯示占空 比(%)待測作品占空比測量相對誤差（%）示波器測得的頻率 （Hz）示波器測得的占空 比 (%) 5k0.1 4985 0.30 9.91 0.9 5K 105k0.2 4985 0.30 20.22 1.1 5K 20 5k0.5 4985 0.30

15、50.01 0.02 5K 505k0.8 4985 0.30 79.84 1.06 5K 795k0.9 4985 0.30 89.54 1.75 5K 8810k0.1 9975 0.25 10.24 2.4 10K 1010k0.2 9975 0.25 20.05 0.25 10K 2010k0.5 9975 0.25 49.70 3.54 10K 4810k0.8 9975 0.25 79.32 1.69 10K 7810k0.9 9975 0.25 88.87 0.98 10K 885.4 結果分析系統(tǒng)在正弦信號測量頻率和測量方波占空比均達到基本和發(fā)揮部分要求，各項指標測量精度高，交流電壓信號測量頻率范圍廣，整體性能達到題目發(fā)揮部分要求。僅在輸入電壓幅值為0.2VPP時測量有所偏差，輸出信號無法達到單片機所能識別信號的要求。經測量220MV及以上輸入信號經電路的輸出的均能達到題目要求。6 總結 本系統(tǒng)以STC89C52RC單片機作為系統(tǒng)的核心控制器件，用NE5532集成運算放大器芯片對輸入信號進行相加和濾波，再利用LM311芯片構造信號比較器，將信號進行波形變換。系統(tǒng)采用直流供電，該系統(tǒng)采用直流供電，由信號輸入模塊、信號相加模塊、濾波模塊、信號比較器模塊，電平轉換模塊組成，具有信號輸入、測信號頻率、測量矩形方波占空比