基于單片機的頻率計設(shè)計文獻綜述

論文題目基于單片機的頻率計設(shè)計文獻綜述：頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域的一個根本參數(shù)，同時也是一個非常重要的參數(shù)，因此，頻率測量已成為電子測量領(lǐng)域最根本最重要的測量之一。隨著科學技術(shù)的不斷開展提高，人們對科技產(chǎn)品的要求也相應的提高，數(shù)字化的電子產(chǎn)品越來越受到歡送。頻率計作為比擬常用和實用的電子測量儀器，廣泛應用于科研機構(gòu)、學校、家庭等場合，因此它的重要性和普遍性勿庸質(zhì)疑。數(shù)字頻率計具有體積小、攜帶方便；功能完善、測量精度高等優(yōu)點，因此在以后的時間里，必將有著更加廣闊的開展空間和應用價值。比方：將數(shù)字頻率計稍作改良，就可制成既可測頻率，又能測周期、占空比、脈寬等功能的多用途數(shù)字測量儀器。將數(shù)字頻率計和其他電子測量儀器結(jié)合起來，制成各種智能儀器儀表，應用于航空航天等科研場所，對各種頻率參數(shù)進行計量；應用在高端電子產(chǎn)品上，對其中的頻率參數(shù)進行測量；應用在機械器件上，對機器振動產(chǎn)生的噪聲頻率進行監(jiān)控；等等。研究數(shù)字頻率計的設(shè)計和開發(fā)，有助于頻率計功能的不斷改良、性價比的提高和實用性的加強。以前的頻率計大多采用TTL數(shù)字電路設(shè)計而成，其電路復雜、耗電多、體積大、本錢高。隨后大規(guī)模專用IC〔集成電路〕出現(xiàn)，如ICM7216，ICM7226頻率計專用IC，使得頻率計開發(fā)設(shè)計變得簡單，但由于價格較高，因此利用IC設(shè)計數(shù)字頻率計的較少?，F(xiàn)在，單片機技術(shù)開展非常迅速，采用單片機來實現(xiàn)數(shù)字頻率計的開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)頻率的測量，不但測量準確，精度高，而且誤差也很小。數(shù)字頻率計廣泛的應用于各個領(lǐng)域，在許多設(shè)計復雜、功能多樣的電子設(shè)備中，都使用了數(shù)字頻率計。雖然一些數(shù)字頻率計的功能復雜，但是使用起來既簡單又方便。由于大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)與單片機技術(shù)的結(jié)合，數(shù)字頻率計開展進入了智能化和微型化的新階段。其功能進一步擴大，除了測量頻率、頻率比、周期、時間、相位、相位差等根本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數(shù)理統(tǒng)計、計算方均根值、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信等功能。此外，還能測量電壓、電流、阻抗、功率和波形等。目前，測量頻頻的方法有直接測頻法、內(nèi)插法、游標法、頻差倍增法等等。直接測頻的方法較簡單，但精度不高。頻差倍增多法和周期法是一種頻差倍增法和差拍法相結(jié)合的測量方法，這種方法是將被測信號和參考信號經(jīng)頻差倍增使被測信號的相位起伏擴大，再通過混頻器獲得差拍信號，用電子計數(shù)器在低頻下進行多周期測量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時間情況下，得到比測頻法更高的系統(tǒng)分辨率和測量精度，但是仍然存在著時標不穩(wěn)而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。在電子系統(tǒng)廣泛的應用領(lǐng)域中，到處看見處理離散信息的數(shù)字電路。供消費用的冰箱和電視、航空通訊系統(tǒng)、交通控制雷達系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計過程中都用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字頻率計是現(xiàn)代通信測量設(shè)備系統(tǒng)中必不可少的測量儀器，不但要求電路產(chǎn)生頻率的準確度和穩(wěn)定度都高的信號，也要能方便的改變頻率。文獻[1]介紹了頻率計的設(shè)計大致可分為三種方案：方案一：采用小規(guī)模數(shù)字集成電路制作

。被測信號經(jīng)過放大整形變換為脈沖信號后加到主控門的輸入端，時基信號經(jīng)控制電路產(chǎn)生閘門信號送至主控門，只有在閘門信號采樣期間輸入信號才通過主控門，假設(shè)時基信號周期為T，進入計數(shù)器的輸入脈沖數(shù)為N，那么被信號的測頻率其頻率F=N/T。

方案二：采用單片機為控制中心進行測頻控制

。單片機技術(shù)比擬成熟，功能也比擬強大，被測信號經(jīng)放大整形后送入測頻電路，由單片機對測頻電路的輸入信號進行處理，得出相應的數(shù)據(jù)送至顯示器顯示。采用這種方案優(yōu)點是成熟的單片機技術(shù)、運算功能較強、軟件編程靈活、自由度大、設(shè)計本錢也較低、缺點是顯而易見的，在傳統(tǒng)的單片機設(shè)計系統(tǒng)中必須使用許多分立元件組成單片機的外圍電路，整個系統(tǒng)顯得十分復雜，并且單品機的頻率不能做的很高，使得測量精度大大降低。方案三：采用FPGA作為控制中心的數(shù)字頻率計

。FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，其邏輯單元、可編程內(nèi)部連線和I/O單元都可以由用戶編程，可以實現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設(shè)計需求，其速度快、功耗低，通用性強，特別適用于復雜系統(tǒng)的設(shè)計。

利用

VHDL〔

超高速集成電路硬件描述語言)

工業(yè)標準硬件描述語言,

采用自頂向下(

Top

to

Down)和基于庫(

Library-

based)的設(shè)計,

設(shè)計者不但可以不必了解硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計,

而且將使系統(tǒng)大大簡化,

提高整體的性能和可靠性。文獻[2]介紹了液晶顯示器具有顯示信息多、體積小、重量輕、功耗低等特點，在單片計算機的應用系統(tǒng)中被廣泛用于人機界面。點陣式液晶顯示器LM12864與51單片機的接口設(shè)計，液晶顯示器作為一種低功耗顯示器件，廣泛應用于計算器、數(shù)字式儀表等低功耗系統(tǒng)中。但一般使用的液晶顯示器均為七段筆劃式，只能顯示數(shù)字和少量字符，對于較復雜的字符或圖形那么無能為力。而點陣式液晶顯示模塊可以顯示各種各樣的字符〔包括簡單的漢字〕，且點陣顯示模塊具有可編程能力，與單片機接口方便。由于以上優(yōu)點，點陣式液晶顯示模塊獲得了廣泛的應用。此文獻以LM12864為例介紹了液晶顯示器與51單片機的兩種連接方式，并給出了例程，對于其它型號的液晶顯示器同樣具有參考價值。RT12864M是一種圖形液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動/列驅(qū)動和128*64全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可顯示8*4個〔16*16點陣〕漢字。1、電源：VDD+5V，模塊內(nèi)自帶-10V負壓，用于LCD的驅(qū)動。2、顯示內(nèi)容：128〔列〕*64〔行〕點。3、七種指令。4、與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線。5、工作溫度：0-60。

文獻[3]介紹了STC89C52單片機，采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差?？煽啃院茫簡纹瑱C按照工業(yè)控制要求設(shè)計，抵抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般的CPU，程序指令和數(shù)據(jù)都可以燒寫在ROM許多信號通道都在同一芯片，因此可靠性高。易擴充：單片機有一般電腦所必須的器件，如三態(tài)雙向總線，串并行的輸入及輸出引腳，可擴充為各種規(guī)模的微電腦系統(tǒng)?？刂乒δ軓姡簡纹瑱C指令除了輸入輸出指令，邏輯判斷指令外還有更豐富的條件分支跳躍指令。由于單片機具有優(yōu)越的高集成電路性，使其工作速度更快、效率更高。文獻[4]介紹了數(shù)字頻率計的根本原理數(shù)字頻率計是直接用十進制數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置，它可以測量正弦波、方波、三角波信號的頻率。其根本原理是，被測信號fs首先經(jīng)整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，頻率與被測信號的頻率fx相同。時鐘電路產(chǎn)生時間基準信號，分頻后控制計數(shù)與保持狀態(tài)。當其低電平時，計數(shù)器計數(shù)；高電平時，計數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)送入鎖存器進行鎖存顯示。然后對計數(shù)器清零，準備下一次計數(shù)。所謂頻率，就是周期性信號在單位時間〔1s〕里變化的次數(shù)。假設(shè)在一定時間間隔T內(nèi)測得的這個周期性信號的重復變化次數(shù)N，那么其頻率可表示為：f=N/T因此，數(shù)字頻率計測頻率時的原理框圖如圖3-1。整形整形閘門計數(shù)譯碼顯示門控信號時機信號脈沖信號圖3-1原理框圖文獻[5]介紹了8位單片機是MSC-51系列產(chǎn)品升級版，有世界著名半導體公司ATMEL在購置MSC-51設(shè)計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)——〔掉電不丟數(shù)據(jù)〕閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進行改良和擴展，同時使用新的半導體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過根本的51內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進行改良生產(chǎn)，推廣一批如51F020等高性能單片機。AT89S52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運行空間、8K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64K外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷開展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷10年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，使用雙列直插DIP-40的封裝。AT89S52引腳如下列圖3-2所示。圖3-2AT89S52引腳圖文獻[6]介紹了單片機測頻技術(shù)及測量精度的提高所謂頻率，就是周期性信號的在單位時間〔1s〕內(nèi)變化的次數(shù)。假設(shè)被測波信號的周期為Tx，分頻數(shù)m1，分頻后信號的周期為T，那么可知：Tx=m1T〔3-1〕假設(shè)在分頻后的周期T內(nèi)共有N個由單片機產(chǎn)生的標準信號周期To，那么可知：T=NTo〔3-2〕由公式〔3-1〕以及〔3-2〕，那么可以算出被測量信號的周期Tx：Tx=m1NTo〔3-3〕由于單片機系統(tǒng)的標準頻率比擬穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標準信號頻率的誤差，通常情況下很?。欢到y(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測量的精度越高。文獻[7]介紹了數(shù)字頻率計的誤差分析，被測信號通過放大整形進入加法計數(shù)器；晶體振蕩器的頻率信號通過分頻產(chǎn)生秒〔或分鐘〕信號，在計數(shù)顯示控制器中生成存放脈沖和清零脈沖。存放脈沖將加法計數(shù)器的BCD碼送入存放器，通過譯碼驅(qū)動，LED數(shù)碼管顯示一秒〔或分鐘〕內(nèi)的計數(shù)值，直到下一次存放脈沖的到來；緊接著清零，進行下一輪計數(shù)、存放〔譯碼顯示〕；如此，不間斷測頻。如果我們考察一下這些信號的時序，不難覺察這種定時計數(shù)測量方法的缺陷是：被計數(shù)脈沖有±1的誤差。如果被測頻率為10000Hz,多一或少一的誤差，相對來講只不過萬分之一；如果被測頻率為2Hz,±1的誤差，相對來講就到達了百分之五十，不難看出頻率越低，誤差越大，而且還有一點，把一秒變成一分鐘，誤差就變小了。低頻時，如不延長采樣時間，要提高精度就要采用測周的方法。我們不難覺察：上述二者的差異在于晶體振蕩器與被測信號的位置作了互換，象是代數(shù)上的分子分母的顛倒，也正是物理上的頻率和周期互為倒數(shù)。測周的誤差與測頻相似，是±1一個晶體振蕩器脈沖，也就是±1個時基脈沖，晶體振蕩器脈沖頻率準確度越高誤差越小，晶體振蕩器脈沖頻率越高誤差也越小，被測頻率越高誤差越大；因此測量高頻時，對被測信號進行分頻，確實是提高測周精度的好方法。在周期過長時，還可通過計數(shù)器，借助計時器來測量轉(zhuǎn)速。通過以上文獻研究內(nèi)容的總結(jié)，不難發(fā)現(xiàn)：由于當今社會的需要，對信息傳輸和處理的要求不斷提高，對頻率的測量的精度也需要更高更準確的時頻基準和更精密的測量技術(shù)。而頻率測量所能到達的精度，主要取決于作為標準頻率源的精度以及所使用的測量設(shè)備和測量方法。數(shù)字頻率計(DFM)是電子測量與儀表技術(shù)最根底的電子儀表類別之一,數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器，而且它是數(shù)字電壓表(DVM)必不可少的部件。當今數(shù)字頻率計不僅是作為電壓表、計算機、天線電播送通訊設(shè)備、工藝過程自動化裝置。多種儀表儀器與家庭電器等許多電子產(chǎn)品中的數(shù)據(jù)信息輸出顯示器反映到人們眼簾。參考文獻[1]謝煌，黃為.基于VHDL語言設(shè)計頻率計[J].北京現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，14.[2]李吉志．基于單片機的頻率計和液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計［J］．科技廣場，2010〔3〕：163-165.[3]張俊謨.單片機中級教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999