文档介绍：1前言
在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量就显得更为重要。在传统的生产制造企业中,频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化,用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品,确保产品质量。在计量实验室中,频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中,频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准,还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。常应用在科学领域,如数学、物理学、电学等。交流电的大小和方向是随时间变化的。两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差,或者叫做相差。这两个频率相同的交流电,可以是两个交流电流,可以是两个交流电压,可以是两个交流电动势,也可以是这三种量中的任何两个。随着科学技术飞速发展,对频率、相位的可靠性、输出精度要求越来越高,利用单片机设计制作的数字频率相位测量仪就显示出其优越性。功能切换由面板上的按键控制单片机实现,给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。
本次设计是以STC12C5A3252单片机为控制核心的频率及相位测试仪。本次设计可完成对信号频率的频率测量和相位差测量。要求测量频率的范围为20Hz到20KHz,相位的范围为0°到360°。可通过按键实现测频或测相,用LED数码管直接显示读数,显示清晰直观。误差小,稳定性高。
2总体方案设计

方案一
。
整形电路
STC12C5A3252
整形电路
移相电路
待测信号2
待测信号1
输入信号
键盘控制切换
LED显示
方案一方框图

。
整形电路
整形电路
FPGA
AT89C51
LED显示
A
B
待测信号1
待测信号2
方案二方框图

本设计要完成信号频率的测量和相位差的测量。设计中有两路输入信号,也是被测量信号,它们是两个频率相同的正弦信号,频率范围为20Hz到20KHz,幅度为1到5V(可以扩展到(),但两者幅度不一定相等。
令正弦信号为,式中:称为幅值(最大值),且=,称为有效值;称为相位,称为初相位,称为角频率。、、称为正弦量的三要素。
。

方案
项目
方案一
方案二
芯片部分
741
741
整形部分
LM324
LM339
信号转换部分
74HC08
FPGA适配板
单片机部分
STC12C5A3252
AT89C51
显示部分
LED
LED
只有两个同频率的(正弦)信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正弦信号为

则相位差,由此可看出,相位差在数值上等于初相位之差,是一个角度。
不妨令,式中是相位差对应的时间差,且令为周期信号,则有比例关系:360°=:,可以推导得到
=360°
此式说明,相位差与一一对应,可以通过测量时间差及周期信号的测量,也就是时间的测量,而时间的测量则要用到电子计数器。
信号频率的测量可以采用直接测频率的方法和周期测频率的方法。一般信号频率较高时,采用直接测频率法,而信号频率较低时,采用测周期的方法。用直接测频率的方法获得信号频率即是让定时器/计数器T1对外部事件计数,而让定时器/计数器T1定时1s,只有在这1s内T1启动对外部事件(即信号I)计数,则T1的计数值就是待测信号的频率。用测周期的方法获得信号频率即是对I进行2分频后的波形中,高电平的宽度正好对应I的周期,我们将此高电平信号作为单片机内部定时器的硬件启动/停止信号,便可测得周期T,由公式,得频率。
方案一工作原理:两路待测信号经整形后变成了矩形波信号1和2,1和2是同频率,不同相位的矩形波。
(1)频率的测量:STC对信号频率的测量可以采用直接测量法和测周期法。一般信号频率较高时采用直接测量法,而信号频率较低时用测周期法。本设计我组采用测周期法。,将输入信号送入单片机再对高电平进行扫描,记录在1s内高电平出现的次数N,则N就是测得的频率。
信号

(2)相位差的测量
我组用一个与门将两输入的待测信号比较后叠加,而输出的波形中,正脉冲宽度就是要测量的待测1和待测2相位差所对应的时间差t,跟据公式可得相位值。。
信号1