簡易數(shù)字頻率計題解匯編

1、2004年12月12日 （一）（一）任務(wù)任務(wù) 設(shè)計并制作一臺數(shù)字顯示的簡易頻率計設(shè)計并制作一臺數(shù)字顯示的簡易頻率計。（二）（二）要求要求1.基本要求基本要求 (1)(1)頻率測量頻率測量 a.測量范圍測量范圍 信號：方波、正弦波 幅度：0.5V5V注 頻率：1Hz1MHz b.測試誤差測試誤差0.1% (2)(2)周期測量周期測量 a.a.測量范圍測量范圍 信號：方波、正弦波 幅度：0.5V5V注 頻率：1Hz1MHz b.測試誤差測試誤差0.1% （3） 脈沖寬度測量脈沖寬度測量 a.a.測量范圍測量范圍 信號：脈沖波 幅度：0.5V5V注 脈沖寬度100s b.b.測試誤差測試誤差0.1%

2、 （4）顯示器顯示器 十進制數(shù)字顯示，顯示刷新時間110秒 連續(xù)可調(diào)，對上述三種測量功能分別采用不同顏色的 發(fā)光二極管指示。 （5）具有自校功能，時標信號頻率為具有自校功能，時標信號頻率為1MHz。 （6）自行設(shè)計并制作滿足本設(shè)計任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源自行設(shè)計并制作滿足本設(shè)計任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。2.2.發(fā)揮部分發(fā)揮部分（1 1）擴展頻率測量范圍為）擴展頻率測量范圍為0.1Hz0.1Hz10MHz(10MHz(信號幅信號幅度：度：0.5V0.5V5V5V 注注 ) )，測試誤差降低為，測試誤差降低為0.01%0.01%（最大（最大閘門時間閘門時間10s10s）。）。（2 2）測量并顯示周期脈沖信號（

3、幅度）測量并顯示周期脈沖信號（幅度0.5V0.5V5V5V 注注 、頻率、頻率1Hz1Hz1KHz1KHz）的占空比，占空比變化）的占空比，占空比變化范圍為范圍為10%10%90%90%，測試誤差，測試誤差1%1%。 （3 3）在）在1Hz1Hz1MHz1MHz范圍內(nèi)及測試誤差范圍內(nèi)及測試誤差0.1%0.1%的條的條 件下，進行小信號的頻率測量，提出并實現(xiàn)抗干件下，進行小信號的頻率測量，提出并實現(xiàn)抗干 擾的措施。擾的措施。題題 解解 部部 分分1.1題目分析題目分析1.1.1設(shè)計者特定背景知識的自查與準備設(shè)計者特定背景知識的自查與準備 1.1.2頂層要求的確認頂層要求的確認要實現(xiàn)的測量功能要實

4、現(xiàn)的測量功能以及測量精度。以及測量精度。即即明確明確 “做什么做什么”以及“做到做到何種程度何種程度”即質(zhì)量的要求： 測量功能：測量功能：測頻、測周期、測脈沖寬度以及測脈沖的占空比（占空比（發(fā)揮部分發(fā)揮部分）。 測頻、測周期、測脈沖寬度的誤差測頻、測周期、測脈沖寬度的誤差：0.1%；測占空比的誤差：測占空比的誤差：1%1%。( (發(fā)揮部分）發(fā)揮部分）(10-3)其次，在頂層設(shè)計中應(yīng)當明確的主要技術(shù)指標：其次，在頂層設(shè)計中應(yīng)當明確的主要技術(shù)指標： 被測信號的頻率范：被測信號的頻率范：1Hz1MHz; 誤差0.1% (基本基本要求要求); 0.1Hz10MHz,誤差誤差0.01%（發(fā)揮要求發(fā)揮要求

5、） 被測脈沖信號的寬度被測脈沖信號的寬度：100s 最大閘門時間：最大閘門時間：10s；顯示刷新時間在1s10s之間連續(xù)可調(diào)還有一些設(shè)計要求與技術(shù)指標將在設(shè)計由頂層向底層過渡之中逐步予以關(guān)注和考慮。至此，對該題至此，對該題“做什么做什么”以及以及“做到何種程做到何種程度度”即質(zhì)量的要求即質(zhì)量的要求也就明確了。也就明確了。 下一步工作就轉(zhuǎn)向分析實現(xiàn)該頻率計的各項要求下一步工作就轉(zhuǎn)向分析實現(xiàn)該頻率計的各項要求所應(yīng)當采用的所應(yīng)當采用的測量方法。測量方法。對各種數(shù)字化測頻、測周法的對各種數(shù)字化測頻、測周法的1誤差進行比較誤差進行比較:1.1.直接測量法直接測量法 被測的 fx 越 低,測頻1誤差越大;

6、 被測的 fx 越高,測周1誤差越大;2.2.直接與間接測量相結(jié)合的方法直接與間接測量相結(jié)合的方法 中界頻率: fm = = （1.7) p.68 當 fx fm時, 直接測頻, 間接測周; 當 fx fm時, 直接測周, 間接測頻.3.3.多周期同步測量法多周期同步測量法( ( 倒數(shù)計數(shù)器法倒數(shù)計數(shù)器法 ) ) 從根本上從根本上消除了消除了1 1誤差誤差, ,實現(xiàn)了等精度測量實現(xiàn)了等精度測量1.1.3 測量方法的分析與比較測量方法的分析與比較0TTkS101kSTT 1.1.4 尚未涉及的其它問題尚未涉及的其它問題1 1）脈寬測試誤差的分析）脈寬測試誤差的分析被測被測脈寬脈寬100s，測試誤

7、差測試誤差0.1%，可以達到可以達到。2 2）脈沖占空比測試誤差的分析）脈沖占空比測試誤差的分析被測脈沖頻率被測脈沖頻率1Hz1KHz，占空比占空比10%90%，幅度幅度0.5V5V；要求誤差要求誤差1%，可以達到可以達到。3 3）被測信號幅度、頻率范圍及輸入通道放大器）被測信號幅度、頻率范圍及輸入通道放大器自認0.02V，頻率0.1Hz10MHz, 輸入電阻1M4 4）穩(wěn)壓電源的設(shè)計）穩(wěn)壓電源的設(shè)計估計數(shù)字電源5V,1A;模擬電源5V;615V,均為200mA 1 . 2 設(shè)設(shè) 計計 方方 案案 討討 論論 1.2.1 方 案 的 選 擇1. 1. 測量方法的選擇測量方法的選擇 選用多周期同

8、步測量法選用多周期同步測量法2. 2. 實現(xiàn)技術(shù)的選擇實現(xiàn)技術(shù)的選擇 純 硬 件 實 現(xiàn) 法純 硬 件 實 現(xiàn) 法 （ 可 選 的 器 件 有 通 用 的（ 可 選 的 器 件 有 通 用 的SSI/MSI/LSISSI/MSI/LSI集成電路、專用集成電路、可編集成電路、專用集成電路、可編程邏輯器件程邏輯器件如如isPLDisPLD器件等）；器件等）；純軟件實現(xiàn)法純軟件實現(xiàn)法（可選的平臺有可選的平臺有PCPC機、單片機、機、單片機、 DSPDSP器件等）；器件等）；軟硬件相結(jié)合的實現(xiàn)法軟硬件相結(jié)合的實現(xiàn)法（由（由、中選擇與組中選擇與組合）。合）。1.3.1 1.3.1 系系 統(tǒng)統(tǒng) 級級 框框

9、 圖圖頻頻 率率 計計 的的 面面 板板 布布 置置 圖圖1.3.2 1) 頻率計子系統(tǒng)的劃分頻率計子系統(tǒng)的劃分 測量控制及測量控制及功能切換邏輯功能切換邏輯2)2)各個子系統(tǒng)的主要技術(shù)指標及其組成各個子系統(tǒng)的主要技術(shù)指標及其組成(1) (1) 輸入通道輸入通道 （考慮發(fā)揮部分要求時）（考慮發(fā)揮部分要求時） 帶寬:010MHz; 輸入電阻:1M; 增益:2/0.02=100(用TTL整形級時)(2) (2) 多周期同步等精度測量控制及功能切換邏輯多周期同步等精度測量控制及功能切換邏輯 計數(shù)器容量:107108; 工作頻率:10MHz(3) (3) 單片機子系統(tǒng)單片機子系統(tǒng)( (根據(jù)下列要求選用

10、根據(jù)下列要求選用AT89C51) 由由+5V電源電源供電，供電，I/O口與口與TTLTTL電平兼容，并有足夠數(shù)目的電平兼容，并有足夠數(shù)目的I/O口；口；要有豐富的四則算術(shù)運算和邏輯運算指令，指令執(zhí)行速要有豐富的四則算術(shù)運算和邏輯運算指令，指令執(zhí)行速度要快；度要快；片內(nèi)除片內(nèi)除RAM外還要有外還要有EPROM；至少有兩個至少有兩個16位位的定時器的定時器/ /計數(shù)器；計數(shù)器；有外部中斷輸入引腳；有外部中斷輸入引腳；具有串行通信具有串行通信口；口；價格要低廉。價格要低廉。 多多 周周 期期 同同 步步 等等 精精 度度 測測 量量 控控 制制 及及 切切 換換 邏邏 輯輯圖圖1.3.5圖圖1.3.

11、6單片機與外圍部件的互連方案單片機與外圍部件的互連方案1.4 設(shè)計的進一步細化設(shè)計的進一步細化 1.4.11.4.1輸入通道的詳細設(shè)計輸入通道的詳細設(shè)計 1）輸入通道中的模擬部分的詳細設(shè)計 2）輸入通道中的數(shù)字部分的詳細設(shè)計 1.4.2 1.4.2 綜合數(shù)字模塊子系統(tǒng)綜合數(shù)字模塊子系統(tǒng) 測量控制及測量控制及 功能切換邏輯功能切換邏輯 + + 其它輔助數(shù)字部件的詳細設(shè)計其它輔助數(shù)字部件的詳細設(shè)計 1) 核心電路-圖1.3.5; 2)輔助數(shù)字部件共10個 1.4.3 1.4.3 單片機子系統(tǒng)軟件的設(shè)計單片機子系統(tǒng)軟件的設(shè)計 1)主程序; 2)子程序主要有4個 ( 鍵盤中斷服務(wù)子程序;軟件計數(shù)器子程

12、序;數(shù)據(jù)處理子程序;測量結(jié)果刷新顯示子程序)圖圖1.4.1圖圖1.4.2被測信號邊沿選擇電路被測信號邊沿選擇電路圖圖1.4.3被測信號邊沿選擇電路的工作波形圖被測信號邊沿選擇電路的工作波形圖圖圖 1.4.4 由由ispPLD實現(xiàn)的（虛線框內(nèi)）綜合數(shù)字模塊子系統(tǒng)的總圖實現(xiàn)的（虛線框內(nèi)）綜合數(shù)字模塊子系統(tǒng)的總圖用ispLSI 1032來實現(xiàn)輔輔 助助 數(shù)數(shù) 字字 部部 件件 共共 10 10 個個 脈沖邊沿選擇電路； 預(yù)置閘門時間選擇計數(shù)器和指示驅(qū)動電路； 通道條件碼輸入接口； 閘門燈驅(qū)動器；按鍵接口電路； 單/雙通道選擇信號產(chǎn)生邏輯； 低12bit時間計數(shù)器、28bit事件計數(shù)器； 前述兩個計數(shù)

13、器與單片機的接口邏輯（可尋址的8bit的6選1多路選擇器）； 驅(qū)動LED數(shù)碼顯示器的98位移位寄存器及緩沖器（包含單位符號指示燈驅(qū)動電路在內(nèi)）； 1MHz時標信號及1Hz脈沖發(fā)生器電路。用ispLSI 1032來實現(xiàn)圖圖 1.4.5 頻頻 率率 計計 的的 測測 量量 流流 程程主主 程程 序序 流流 程程 圖圖1234P1.6=0P1.7=1( (續(xù)前）主續(xù)前）主 程程 序序 流流 程程 圖圖56781.5 測試方案測試方案1.5.11.5.1測試步驟與方法概述測試步驟與方法概述先對三個子系統(tǒng)分別進行測試先對三個子系統(tǒng)分別進行測試, ,最后將三個子系最后將三個子系統(tǒng)互連起來，進行整個系統(tǒng)的總

14、體測試。統(tǒng)互連起來，進行整個系統(tǒng)的總體測試。1.5.21.5.2頻率計子系統(tǒng)的測試步驟與方法頻率計子系統(tǒng)的測試步驟與方法1.輸入通道模擬電路部分測試步驟與方法輸入通道模擬電路部分測試步驟與方法2.綜合數(shù)字功能模塊的測試步驟與方法綜合數(shù)字功能模塊的測試步驟與方法應(yīng)充分運用應(yīng)充分運用EDAEDA工具的功能模擬和定時模擬能力，去替工具的功能模擬和定時模擬能力，去替代使用測試儀器去完成大量而復雜的測試工作。代使用測試儀器去完成大量而復雜的測試工作。3.單片機子系統(tǒng)的測試步驟與方法單片機子系統(tǒng)的測試步驟與方法先測試硬件，再測試軟件，最后軟硬件聯(lián)合測試。先測試硬件，再測試軟件，最后軟硬件聯(lián)合測試。測試主要

15、用仿真器仿真器，也要用到示波器、電壓表等儀器。（續(xù)前）對單片機子系統(tǒng)的硬件的測試，就是（續(xù)前）對單片機子系統(tǒng)的硬件的測試，就是測試與它相連的做在測試與它相連的做在isPLD器件內(nèi)的外圍部件器件內(nèi)的外圍部件的工作是否正常。方法是針對要測的硬件編寫的工作是否正常。方法是針對要測的硬件編寫一個、一個的讀寫小程序，輸入到仿真器中去，一個、一個的讀寫小程序，輸入到仿真器中去，分別對每個外圍部件的讀分別對每個外圍部件的讀/寫功能進行測試。寫功能進行測試。 軟件測試的主要工具仍然是仿真器。應(yīng)當先軟件測試的主要工具仍然是仿真器。應(yīng)當先測試子程序，后測試主程序。測試子程序，后測試主程序。測試中要靈活運用插入暫停

16、、局部循環(huán)指令以測試中要靈活運用插入暫停、局部循環(huán)指令以及仿真器的單步調(diào)試功能。并用直流電壓表或及仿真器的單步調(diào)試功能。并用直流電壓表或示波器去測量硬件上的有關(guān)電平或波形。示波器去測量硬件上的有關(guān)電平或波形。4. 總總 體體 測測 試試 所有子系統(tǒng)均測試通過后所有子系統(tǒng)均測試通過后, ,才能將它們?nèi)炕ゲ拍軐⑺鼈內(nèi)炕ミB起來進行總體測試。這時所用的儀器主要是：連起來進行總體測試。這時所用的儀器主要是：函數(shù)發(fā)生器；通用計數(shù)器（可測量頻率、周期、函數(shù)發(fā)生器；通用計數(shù)器（可測量頻率、周期、時間等）；交流電壓表；示波器。它們的工作頻時間等）；交流電壓表；示波器。它們的工作頻率應(yīng)覆蓋率應(yīng)覆蓋0 020M

17、Hz20MHz。 電源接通后，檢查頻率計默認測頻工作狀態(tài)以電源接通后，檢查頻率計默認測頻工作狀態(tài)以及自檢功能是否正常，然后用函數(shù)發(fā)生器作為測及自檢功能是否正常，然后用函數(shù)發(fā)生器作為測試信號源，同時接到所制作的頻率計和通用計數(shù)試信號源，同時接到所制作的頻率計和通用計數(shù)器的輸入端，按設(shè)計任務(wù)書要求的測量項目逐個器的輸入端，按設(shè)計任務(wù)書要求的測量項目逐個進行測試，將頻率計和通用計數(shù)器的讀數(shù)分別記進行測試，將頻率計和通用計數(shù)器的讀數(shù)分別記錄下來。計算各個測量項目的測量誤差，并與任錄下來。計算各個測量項目的測量誤差，并與任務(wù)書要求進行比較。務(wù)書要求進行比較。同步化閘門啟動定時器同步化閘門啟動定時器T0鍵

18、盤中斷與顯示時間調(diào)節(jié)鍵盤中斷與顯示時間調(diào)節(jié)AT89C51C51單片機定時器的結(jié)構(gòu)與方式字單片機定時器的結(jié)構(gòu)與方式字 T0 =1sf0=12MHz圖圖1.6.1 計數(shù)式測頻的原理方框圖計數(shù)式測頻的原理方框圖 fX =N / TS 閘門時間閘門時間圖圖 1.6.3 計數(shù)式測周期的原理框圖計數(shù)式測周期的原理框圖 TX = N T0 / k 時標時標圖圖1.6.5測量時間間隔的原理方框圖測量時間間隔的原理方框圖 TX = N T0 圖圖1.6.7 脈沖寬度和上升時間的測量脈沖寬度和上升時間的測量 (a)測量脈沖寬度；測量脈沖寬度； (b)測脈沖上升時間測脈沖上升時間1s1s閘門閘門1s1s時標時標圖1.21 直接測頻和直接測周期的量化誤差 圖圖1.6.9 倒數(shù)計數(shù)器（多周期同步測量）倒數(shù)計數(shù)器（多周期同步測量）原原 理理 方方 框框 圖圖CBAfNNfx=fx = NA / TNB= fCT T 圖圖1.6.9 倒數(shù)計數(shù)器（多周期同步測量）倒數(shù)計數(shù)器（多周期同步測量）時時 間間 波波 形形 圖圖 P1.610s、1s、