高精度頻率計設計

1、基于單片機的數字頻率計設計 摘要：本文設計了一種以單片機STC89C52為核心的數字頻率計，介紹了單片機、放大整形模塊、分頻模塊和LCD1602顯示模塊等各個模塊的組成和工作原理。測量時，將被測輸入信號送給單片機計數，通過程序控制計數，結果送LCD1602顯示頻率值。本次設計是以單片機STC89C52為控制核心，單片機系統(tǒng)通過定時器、計數器對正弦波，方波三角波信號進行脈沖計數，將得到的頻率數據在液晶顯示屏上進行顯示，最后顯示測量的頻率值。本次設計所制作的頻率計外圍電路簡單，大部分功能都通過軟件編程實現，利用單片機控制繼電器實現頻率計的自動換擋功能；用單片機T0控制端口實現頻率的測量功能；通過分

2、頻電路實現對頻率檔位的控制。本次設計的頻率計具有測量準確度高，響應速度快，體積小等優(yōu)點。實現了1Hz1MHz范圍的頻率測量，而且可以實現量程自動切換。關鍵詞：頻率計；單片機；計數器；測量The Design of Digital Frequency Meter Based on Single-Chip ComputerThis paper introduces a microcontroller STC89C52 as the core design of digital frequency meter. Introduced of the composition and working pr

3、inciple of microcontroller, amplifying and shaping module, frequency division module and LCD1602 display module and other modules. The design is based on STC89C52 microcontroller for the control of the core, using its internal timer and counter to complete the test signal frequency measurement. Appl

4、ication control features of the microcontroller and the operational ability of the counting function and frequency conversion, and finally use displays the measured frequency value. The design frequency meter produced peripheral circuits is simple, most of the functions are controlled via software p

5、rogramming, application control features of the microcontroller to achieve the frequency of automatic shift function; frequency measurement functions the microcontroller interrupt control port; control of the frequency of stalls by the divider circuit. The design of the frequency meter is high accur

6、acy, fast response, small size, etc. Achieve100Hz to 4MHz frequency measurements, and can automatically switch the flow to achieve scale. Key words：Frequency meter; microcontroller; counter; measurement目錄一、系統(tǒng)總體設計及方案分析31、數字頻率計的設計參數和功能指標32、系統(tǒng)設計原理分析33、系統(tǒng)總方案論證與設計4三、系統(tǒng)軟件流程設計81、系統(tǒng)主程序流程框圖82、系統(tǒng)部分程序如下：9四、系統(tǒng)調

7、試結果111、系統(tǒng)的軟硬件調試結果112、系統(tǒng)誤差分析與改進方法12五、實習總結12參考文獻13附錄141、系統(tǒng)硬件總電路圖152、元件清單16一、系統(tǒng)總體設計及方案分析1、數字頻率計的設計參數和功能指標設計一個數字頻率計，具體要求如下：（1）測量范圍信號：方波、正弦波；幅度：1V-5V，直流偏置0V-1V；頻率：1Hz-1MHz；（2）測量誤差1%；（3）輸入阻抗100K；（4）LCD顯示結果2、系統(tǒng)設計原理分析頻率測量的原理總結成一句話，就是“在單位時間內對被測信號進行計數”。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進入整形加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送到主門的輸入端。由晶體振蕩器產生的基頻，按十

8、進制分頻得出的分頻脈沖，經過選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當的編碼邏輯便得到相應的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產生的矩形波，至十進制計數電路進行直接計數和顯示。若在一定的時間間隔T內累計周期性的重復變化次數N，則頻率的表達式為式： （2-1）2.1說明了測頻的原理及誤差產生的原因。在圖2.1中，假設時基信號為1KHZ，則用此法測得的待測信號為1KHZ×5=5KHZ。但從圖中可以看出，待測信號應該在5.5KHZ左右，誤差約有0.5/5.59.1%。這個誤差是比較大的，實際上，測量的脈沖個數的誤差會在±1之間。假設所測得的脈沖個數為N，則所測頻率的誤差最大

9、為。顯然，減小誤差的方法，就是增大N。本頻率計要求測頻誤差在1以下，則N應大于1000。通過計算，對1KHZ以下的信號用測頻法，反應的時間長于或等于10s，。由此可以得出一個初步結論：測頻法適合于測高頻信號。 圖2.1 測頻原理頻率計數器嚴格地按照公式進行測頻。由于數字測量的離散性，被測頻率在計數器中所記進的脈沖數可有正一個或負一個脈沖的±1量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為： 。 應當指出，測量頻率時所產生的誤差是由N和T兩個參數所決定的，一方面是單位時間內計數脈沖個數越多時，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間內計數脈沖的個數，一方面可在輸入端

10、將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達到。 上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。3、系統(tǒng)總方案論證與設計本設計的系統(tǒng)計劃主要由信號輸入與放大整形模塊、分頻與量程自動切換模塊、微處理器模塊、按鍵模式切換模塊、電源輸入模塊等組成。其系統(tǒng)整體框圖如圖所示。信號放大整形模塊分頻和量程自動切換模塊微處理器模塊按鍵控制與模式切換±5V電源輸入模塊信號輸入模塊參考電壓輸入 系統(tǒng)總體結構框圖（1） 輸入信號放大模塊考慮到輸入信號最高頻率達到1MHz，同時輸入信號幅度較小需進行放大，故信號放大部分運算放大器選用

11、LLM318運算放大器是美國國家半導體公司生產的通用型運放系列中速度最快的器件。與其它種類的通用型運放相比具有電壓轉換速率高、頻帶寬、輸出動態(tài)范圍大、較完善的保護電路等突出優(yōu)點。適合于在脈沖信號放大器、寬帶放大器、中頻放大器、寬頻帶信號發(fā)生器、快速A/D轉換器、高速比較器等電路中應用。電路中采用±5V供電，也間接的限定信號的幅度。 （2） 整形電路以及參考電壓電路設計采用電壓比較器對放大后的信號進行整形，轉換成標準的矩形脈沖。考慮到要能滿足最大頻率1MHz的信號，這里選用高速比較器TL714CP。TL714CP是TI公司生產的一款高速電壓比較器，單電源供電，增益帶寬積50MHz。這里

12、采用同向比較，考慮到信號帶有毛刺，高速電壓比較器在參考電壓處會出現抖動造成連續(xù)翻轉，從而使系統(tǒng)在脈沖計數上帶來誤差。所以在比較器上加了一個正反饋（類似斯密特觸發(fā)器），避免這種干擾現象出現。反饋電阻的參數大小根據具體情況調試后選定。另外，為了使整形的效果更加好，在高速電壓比較器后面增加了兩級74LS14的整形。參考電壓用電位器調整出來，最終選擇參考電壓為2V。（3） 分頻電路模塊輸入信號的頻率范圍為1Hz1MHz,本系統(tǒng)將它分成1Hz10KHz, 10KHz1MHz兩檔。故需要一個分頻通道，分頻系數為100。這里采用集成計數器電路CD4518BE，自制分頻通道電路，一片CD4518BE即可實現1

13、0*10分頻。（4） 量程自動切換電路設計根據設計思想將量程共分為兩檔，故只需兩路路通道即可。由于數據選擇器和模擬開關的高頻特性并不理想，而且還具有一定的阻抗，故本方案選擇兩路繼電器來實現量程自動切換。通過軟件編程實現單片機IO端口的高低電平的切換從而達到控制繼電器的工作狀態(tài)，進而進行量程的切換。LCD顯示模塊STC89C52單片機控制模塊A/D轉換數據模塊集成運算放大器及通道選擇輸入及電壓采集模塊（5） 單片機最小系統(tǒng)與顯示模塊高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現更高的信號采樣率，從而實現更多的功能。但是高速對于系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機本身用在控制，并非

14、高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都有好處，本次設計選取12.000M無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯2個30pF陶瓷電容幫助起振。顯示模塊使用LCD1602液晶顯示，更加直觀。按鍵電路的三個按鍵分別用來量程切換和模式切換。本系統(tǒng)模式有手動換擋模式和自動換擋模式。三、系統(tǒng)軟件流程設計本章節(jié)主要介紹了電路的軟件設計，整個系統(tǒng)由主程序，定時計數中斷服務程序模塊、量程和模式切換、數據處理模塊和顯示子程序模塊組成。1、系統(tǒng)主程序流程框圖開始CPU初始化LCD初始化模式切換T0計數，T1定時N定時時間是否到了？Y頻率測量量程判斷及切換LCD顯示2、

15、系統(tǒng)部分程序如下：/* 名稱 : Main()* 功能 : 主函數* 輸入 : 無* 輸出 : 無*/void Main() P3_4=1;TMOD=0x15;TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; L1602_init(); L1602_string(1,6,"waitting"); L1602_string(2,6,"pin lv ji");while(1) Key_Scan(); void to(void) interrupt 1 using 0 T0count+; voi

16、d t1(void) interrupt 3 using 0 TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; timecount+; if(timecount=20) TR0=0; TR1=0; timecount=0; flag=1; Key_Scan();void zidong() B0=1; B1=0; delayms(30); timecount=0;T0count=0;TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256;TR1=1;TR0=1;ET0=1;ET1=1;EA=1;w

17、hile(flag=0);if(x=0)display1();flag=0;x=T0count*65536+TH0*256+TL0; timecount=0;T0count=0;TH0=0;TL0=0;TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256; EA=0;/關CPU中斷TR0=0;/停止計數TR1=0;/T1停止計時x=x*100;if(x<10000)liangcheng1();liangcheng2();四、系統(tǒng)調試結果1、系統(tǒng)的軟硬件調試結果為了衡量這次設計的頻率計的工作情況和測量精度，我們對系統(tǒng)進行了調試。用這次設計的頻率計對信號(2

18、V)進行了測量，使用函數發(fā)生器輸出各種波形，由實物頻率計測得頻率，記錄數據。實際記錄數據如下表所示。表5.3 Hz檔的數據記錄表輸入110100500557630750821900測量110100500557630750821900誤差/%000000000表5.4 KHz和MHz檔的數據記錄表輸入10K150K175K200K400K550K600K900K1M測量10150.01175.01200400.02550600.02900.011M誤差/%00.00670.00570.00400.00330.00140.00372、系統(tǒng)誤差分析與改進方法（1）、經測量結果顯示，與預計的技術指標基

19、本相符合。然而一個真正優(yōu)秀的頻率計在軟件設計方面，低頻段應該采用測周法，在高頻段采用直接測量法才更加精確，這也將是以后可以繼續(xù)深入和提高的地方。（2）由于元器件本身誤差，隨著時間的延長，其測量值也會產生誤差，造成測量結果沒有軟件仿真精確。（3）芯片的選擇、硬件制作、分頻部分、放大整形部分。提高放大整形這部分的準確度，分頻部分可以用多級分頻可以使分頻更準確。（4）可以采用等精度頻率測量法提高精度。等精度測頻的方法是：采用頻率準確的高頻信號作為標準頻率信號，保證測量的閘門時間為被測信號的整數倍，并在閘門時間內對標準信號脈沖和被測信號脈沖同時進行計數，實現整個頻率測量范圍內的測量精度相等，當標準信號

20、頻率很高，閘門時間足夠長時，可實現高精度的頻率測量。五、實習總結通過本次設計，自己的動手能力和編程能力有了質的提高，為以后的進步奠定了基礎。實習中我既發(fā)現了自己的很多一些進步之處，也發(fā)現了自己的一些不足之處。下面就本次實習簡要的說說我個人的收獲與感受。其一、考慮問題分析問題不夠全面。例如：在編程的時候，沒有考慮到繼電器開始工作那一瞬間的影響，導致測量出來的頻率在一個時間內不準確，后面在程序中通過在繼電器工作那一瞬間不進行采樣數據，從而達到提高測量精度的目的。其二、在測量方法上過于單一，也沒有考慮到晶振的誤差，因此應加入自校準模塊。系統(tǒng)晶振難免存在初始誤差，對精度造成一定的影響。這種誤差通過一定

21、的方法是可以消除的，如進行補償。校準其實就是與標準值進行比較計算，從而得到一個補償系數。根據實際情況，分別對量程的最大值和最小值進行校準。將兩個校準值相減，然后再量化即乘以一個常數，最終得到的值就是補償系數。最后將這個系數存到EEPROM中保存起來。因此，實習結束后，我還得去加強自身學習，更加積極主動地了解專業(yè)知識，探索自己所不知道的，進一步擴大自己的知識面。我個人認為硬件和軟件設計都是是個既靈活又細膩的工作，它要求耐心和細心去不斷完善，同時還需要有良好的邏輯思維能力。通過這次畢業(yè)設計，我分析問題和解決問題的能力有所提高，也鞏固了所學的知識，加深了對理論知識的理解，更重要的是鍛煉自己的獨立性，為我今后的工作和學習打下堅實的基礎。其三，自己的動手實踐操作能力還得繼續(xù)提高。經過本次實習，雖然感覺我自己的動手實踐能力有了一定的提高，但現在的水平還是有上升空間。在PCB布局時，第一次布出來的線因為太細，結果在腐蝕電路板的時候，很多的銅線都被腐蝕掉，導致電路很多線路都是斷路。這就是平時缺乏動手實踐的表現，在第二次重新布線時，經過認真總結與思考，將線寬改為40mil,這樣腐蝕出來的電路板就既美觀各線路又能正常連通。綜上所述，為本次實習中的幾點收獲與感受，有不當之處還望批評指正。當然，本次實習獲益良多，上面所講的只是冰山一角。總