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电子信息学院
王家华20
邹仁亭20
肖伟20
大纲
在电子技术中,频率是最基本的参数之一,而且与好多电参量的测
量方案,丈量结果都有十分亲近的关系,所以频率的丈量显得更加重要。
频率丈量的方式平时是对方波信号进行沿判断或电平判断,再对相应的方波脉冲进行计数从而实现频率丈量,所以频率丈量的精度比一般其余物理量的精度要高好多。
数字频率计是近代电子技术领域的重要工具之一,同时也是其余好多领域广泛应用的丈量仪器(丈量系统经过变换电路将所需丈量的量变换为频率)从而经过测频率来提升精度的。本设计的数字频率计是基于超低功耗MSP430单片机来丈量信号的频率,经过计数器计数,并用十进制数显示出来,它拥有精度高,丈量速度快,读数直观等长处。
要点词:频率丈量;数字频率计;单片机;计数器;显示;
目录
一,设计要求及功能设计方案
1,设计任务要求及相关指标
2,功能设计
二,频率丈量方案的比较选择与理论解析
1,频率丈量方法
2,方案的比较选择与理论解析
3,方案的选择确立
三,系统总设计方案及整体框图
四,单元模块电路与程序设计
1,稳压源模块
2,放大整形模块
3,数据丈量计数模块
4,程序设计模块
五,测试结果解析
1,稳压模块测试
2,放大整形电路测试
3,频率精度测试
六,实验过程遇到的问题及解决方法
1,电压不般配
2,161计数器计数不正确
3,自动换挡模块成效不够理想
4,不可以满足小信号输入时的要求
一,设计要求及功能设计方案
1,设计要求
基本要求
1)频率丈量
丈量范围信号:方波,正弦波;幅度:~5V;
频率:1Hz~1MHz;丈量偏差差≤10-3;
2)周期丈量
丈量范围信号:方波,正弦波;幅度:~5V;
频率:1Hz~1MHz;丈量偏差差≤10-3;
(3)十进制数字显示丈量结果。
发挥部分
1)频率丈量
丈量范围信号:方波,正弦波;幅度:~5V;
频率:1Hz~1MHz;丈量偏差差≤10-5
2)周期丈量
丈量范围信号:方波,正弦波;幅度:~5V;
频率:1Hz~1MHz;丈量偏差≤10-5;
(3)自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
2,功能设计方案
1)可以丈量正常的方波频率,偏差≤10-5;
2)可以将正弦波放大整形为合适丈量的方波并正确丈量;
3)能正确的以十进制数显示出丈量频率;
4)可以实现多次丈量;
5)可实现高低频率的自动切换丈量;
二,频率丈量方案的比较选择与理论解析
1,频率丈量方法
,直接测频法
依据频率丈量的定义,在确立的闸门时间T内,利用计数器记录待测信号的周期数N,从而计算出待测信号的频率fx=N/T,原理如图2-1所示。此方案对低频信号的丈量精度很低,较合适高频信号的丈量。
,测周法
以待测信号为门限,用计数器记录在此门限内的高频标准时钟脉冲数M,用计数器记录在此门限内的脉冲数N,由式fx=M/N确立待测信号的频率(原理以下列图)。当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时,可以获取很高的精度,而当被测信号频率过高时,
因为丈量时间不足会有精度不够的问题,所以此方案适用于低频信号的丈量。
测周法原理图
,等精度测频法
此方案和测周法很相似,但其丈量时间其实不是被测信号的一
个周期,而是人为设定的一段时间。
以下列图,闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制,丈量精度与被测信号频率没关,因此可以保证在整个丈量频段内的丈量精度保持不变。
相关计数法同时使用两个计数器分别对待测信号频率fx和标频信号fm在设定的精准门内进行计数,fx的上升沿触发精准门。若两个计数器在精准门内对fx和fm的计数值分别为M和N,待测信号的频率为:fx=Mfx/N。
等精度丈量原理图
此方法和直接丈量法不一样的是,计数器真切开始计数的时刻
不是预置闸门的开始时刻。这样计数器1对待测信号计数,计数
由待测信号的上升沿控制,计数值M为整数,不存在偏差。计
数器2对标频信号计数,这样计数值N为非整数,故会存在±1
的偏差。其余,标频信号由晶振供给,故不存在偏差。
详细实现方法
DQ
闸门脉冲
CLK
与
Fx计数器
M
门
运
fx
算
单
与
Fm计数器
元
门
fm时钟发生器
N
2,方案的比较选择与理论解析
方案比较与理论解析
直接测频法:此方案电路简单,软件简单实现,为满足实验要求精度,较合适高频信号的丈量,对低频信号丈量精度很低。
理论解析:设开启其闸门时间为1S,计数值为N,则fx=N。但对其计数时会出现±1的偏差,故要达到10-5精度要求,一定使频率≥10k。但是,当给入方波经过软件试验后所测得的大批数据未能达到要求的精度,其余低频段要用测周法丈量,直接测频法会给其频率的上限太高因此没法实现(测周法解析将会详细介绍)。故不可以采纳直接测频法。
测周法:此方案是用于丈量频率较低的信号,频率高时,因为
丈量时间不够,以致精度较低。
理论解析:运用此方案时,以待测信号为门限,由
12MHz的高频脉冲为标频,记录此门限内的脉冲数
430给出
N,则
fx=12*106/N;但是因为待测信号的闸门开启闭合时间对标频信号
是随机的,故对N会存在±1的偏差。所得fx*=12*106/(N±1);相对偏差△=(fx-fx*)/fx≤10-5,此时,计算可得fx应满足fx≤
120Hz。
等精度测频法:因为计数值M为正确值无偏差,计数值N
仅有±1的偏差,所以,理论上等精度法高低频测得的值都比较
正确。
理论解析:此时标频信号仍旧用430供给的fm=12MHz的高频
脉冲,因为对脉冲信号计数是由待测信号的上升沿控制,故计
数值M无偏差,N出现±1偏差,则fx*=M*fm/(N±1)。△=
fx-fx*)/fx=1/(N±1)。由此可知,理论上等精度法测得的值偏差均可达到要求。但是因为预置门和精准门开启时间有限,本设计为1s左右,理论上能测低频为1Hz信号。其余,经过等精度法侧低频获取以下数据:
fx
150
140
130120
110100
90
fx*
单位:Hzfx:输入信号频率fx*:测得信号
由以上实验数据可以看出,等精度测频法在100Hz以上都可以
达到五位数字有效,fx≤100Hz后精度达不到。
3,方案的选择确立
基于三种方案的能满足设计要求精度的频率限制比较,直接测
频法偏差太大,不予以考虑。而测周法仅适用于低频信号的丈量,等精度法对低频信号有必定限制。故本设计采纳测周法和等精度法相结合的方法丈量,即低频信号(fx≤100Hz)由测周法丈量,高频信号由等精度法丈量。
详细实现方法:
D
Q
数
闸门脉冲
CLK
据
与
Fx计数
选
M
滞
门
器
择
运
fx
回
高频段
器
算
比
单
较
低频段
数
元
与
Fm计
据
fm时钟发生器
门
数器
选
择
作为闸门
器
fm
计数
N
三,系统总设计方案及整体框图
由上述所介绍各种频率丈量方案的比较选择选定频率丈量方
案后,可确立最后总系统统方案:把输入的待测信号经过整形放大,获取可进行沿判断或电平判断的方波信号,再对此信号进行判断。若是所设置的低频信号(fx≤100Hz),则采纳测周法用MSP430软件实现;若为所设置的高频信号,则采纳等精度法,即把所设置的预置门信号和此待测信号分别作为D触发器的D和CLK输入,由触发器触发精准门信号,把此信号分别和待测信号、MSP430供给
的12M高频脉冲送入与门,而后分别用74HC161计数器1和计数
2经过与门后的信号进行计数,最后送入运算单元运算后算出所测频率和周期,并经过液晶频显示出来。
系统整体框: