高精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì) 摘要：本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)STC89C52為核心的數(shù)字頻率計(jì)，介紹了單片機(jī)、放大整形模塊、分頻模塊和LCD1602顯示模塊等各個(gè)模塊的組成和工作原理。測量時(shí)，將被測輸入信號(hào)送給單片機(jī)計(jì)數(shù)，通過程序控制計(jì)數(shù)，結(jié)果送LCD1602顯示頻率值。本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)STC89C52為控制核心，單片機(jī)系統(tǒng)通過定時(shí)器、計(jì)數(shù)器對(duì)正弦波，方波三角波信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，將得到的頻率數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上進(jìn)行顯示，最后顯示測量的頻率值。本次設(shè)計(jì)所制作的頻率計(jì)外圍電路簡單，大部分功能都通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的自動(dòng)換擋功能；用單片機(jī)T0控制端口實(shí)現(xiàn)頻率的測量功能；通過分

2、頻電路實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率檔位的控制。本次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)具有測量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了1Hz1MHz范圍的頻率測量，而且可以實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換。關(guān)鍵詞：頻率計(jì)；單片機(jī)；計(jì)數(shù)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(shè)計(jì)及方案分析31、數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)和功能指標(biāo)32、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理分析33、系統(tǒng)總方案論證與設(shè)計(jì)4三、系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)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(diào)

7、試結(jié)果111、系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試結(jié)果112、系統(tǒng)誤差分析與改進(jìn)方法12五、實(shí)習(xí)總結(jié)12參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)及方案分析1、數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)和功能指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，具體要求如下：（1）測量范圍信號(hào)：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(jié)果2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理分析頻率測量的原理總結(jié)成一句話，就是“在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)”。被測信號(hào)，通過輸入通道的放大器放大后，進(jìn)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(chǎn)生的基頻，按十

8、進(jìn)制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當(dāng)?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號(hào)所產(chǎn)生的矩形波，至十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路進(jìn)行直接計(jì)數(shù)和顯示。若在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)累計(jì)周期性的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率的表達(dá)式為式： （2-1）圖2.1說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。在圖2.1中，假設(shè)時(shí)基信號(hào)為1KHZ，則用此法測得的待測信號(hào)為1KHZ×5=5KHZ。但從圖中可以看出，待測信號(hào)應(yīng)該在5.5KHZ左右，誤差約有0.5/5.59.1%。這個(gè)誤差是比較大的，實(shí)際上，測量的脈沖個(gè)數(shù)的誤差會(huì)在±1之間。假設(shè)所測得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則所測頻率的誤差最

9、大為。顯然，減小誤差的方法，就是增大N。本頻率計(jì)要求測頻誤差在1以下，則N應(yīng)大于1000。通過計(jì)算，對(duì)1KHZ以下的信號(hào)用測頻法，反應(yīng)的時(shí)間長于或等于10s，。由此可以得出一個(gè)初步結(jié)論：測頻法適合于測高頻信號(hào)。 圖2.1 測頻原理頻率計(jì)數(shù)器嚴(yán)格地按照公式進(jìn)行測頻。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在計(jì)數(shù)器中所記進(jìn)的脈沖數(shù)可有正一個(gè)或負(fù)一個(gè)脈沖的±1量化誤差，在不計(jì)其他誤差影響的情況下，測量精度將為： 。 應(yīng)當(dāng)指出，測量頻率時(shí)所產(chǎn)生的誤差是由N和T兩個(gè)參數(shù)所決定的，一方面是單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)越多時(shí)，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時(shí)，精度越高。為了增加單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，一方面可在輸入

10、端將被測信號(hào)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(dá)到。 上述表明，在頻率測量時(shí)，被測信號(hào)頻率越高，測量精度越高。3、系統(tǒng)總方案論證與設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)計(jì)劃主要由信號(hào)輸入與放大整形模塊、分頻與量程自動(dòng)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(hào)放大整形模塊分頻和量程自動(dòng)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(hào)輸入模塊參考電壓輸入 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖（1） 輸入信號(hào)放大模塊考慮到輸入信號(hào)最高頻率達(dá)到1MHz，同時(shí)輸入信號(hào)幅度較小需進(jìn)行放大，故信號(hào)放大部分運(yùn)算放大器選

11、用LLM318運(yùn)算放大器是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的通用型運(yùn)放系列中速度最快的器件。與其它種類的通用型運(yùn)放相比具有電壓轉(zhuǎn)換速率高、頻帶寬、輸出動(dòng)態(tài)范圍大、較完善的保護(hù)電路等突出優(yōu)點(diǎn)。適合于在脈沖信號(hào)放大器、寬帶放大器、中頻放大器、寬頻帶信號(hào)發(fā)生器、快速A/D轉(zhuǎn)換器、高速比較器等電路中應(yīng)用。電路中采用±5V供電，也間接的限定信號(hào)的幅度。 （2） 整形電路以及參考電壓電路設(shè)計(jì)采用電壓比較器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行整形，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖?？紤]到要能滿足最大頻率1MHz的信號(hào)，這里選用高速比較器TL714CP。TL714CP是TI公司生產(chǎn)的一款高速電壓比較器，單電源供電，增益帶寬積50MHz。這

12、里采用同向比較，考慮到信號(hào)帶有毛刺，高速電壓比較器在參考電壓處會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)造成連續(xù)翻轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)在脈沖計(jì)數(shù)上帶來誤差。所以在比較器上加了一個(gè)正反饋（類似斯密特觸發(fā)器），避免這種干擾現(xiàn)象出現(xiàn)。反饋電阻的參數(shù)大小根據(jù)具體情況調(diào)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(jí)74LS14的整形。參考電壓用電位器調(diào)整出來，最終選擇參考電壓為2V。（3） 分頻電路模塊輸入信號(hào)的頻率范圍為1Hz1MHz,本系統(tǒng)將它分成1Hz10KHz, 10KHz1MHz兩檔。故需要一個(gè)分頻通道，分頻系數(shù)為100。這里采用集成計(jì)數(shù)器電路CD4518BE，自制分頻通道電路，一片CD4518BE即可實(shí)現(xiàn)

13、10*10分頻。（4） 量程自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)思想將量程共分為兩檔，故只需兩路路通道即可。由于數(shù)據(jù)選擇器和模擬開關(guān)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(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)IO端口的高低電平的切換從而達(dá)到控制繼電器的工作狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行量程的切換。LCD顯示模塊STC89C52單片機(jī)控制模塊A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模塊集成運(yùn)算放大器及通道選擇輸入及電壓采集模塊（5） 單片機(jī)最小系統(tǒng)與顯示模塊高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是高速對(duì)于系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并

14、非高速信號(hào)采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取12.000M無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯(lián)2個(gè)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(gè)按鍵分別用來量程切換和模式切換。本系統(tǒng)模式有手動(dòng)換擋模式和自動(dòng)換擋模式。三、系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)本章節(jié)主要介紹了電路的軟件設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由主程序，定時(shí)計(jì)數(shù)中斷服務(wù)程序模塊、量程和模式切換、數(shù)據(jù)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(jì)數(shù)，T1定時(shí)N定時(shí)時(shí)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(shù)* 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+; vo

16、id 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;

17、while(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(guān)CPU中斷TR0=0;/停止計(jì)數(shù)TR1=0;/T1停止計(jì)時(shí)x=x*100;if(x<10000)liangcheng1();liangcheng2();四、系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果1、系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試結(jié)果為了衡量這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的工作情況和測量精度，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。用這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)對(duì)信號(hào)(

18、2V)進(jìn)行了測量，使用函數(shù)發(fā)生器輸出各種波形，由實(shí)物頻率計(jì)測得頻率，記錄數(shù)據(jù)。實(shí)際記錄數(shù)據(jù)如下表所示。表5.3 Hz檔的數(shù)據(jù)記錄表輸入110100500557630750821900測量110100500557630750821900誤差/%000000000表5.4 KHz和MHz檔的數(shù)據(jù)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(jìn)方法（1）、經(jīng)測量結(jié)果顯示，與預(yù)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)

19、基本相符合。然而一個(gè)真正優(yōu)秀的頻率計(jì)在軟件設(shè)計(jì)方面，低頻段應(yīng)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(shí)間的延長，其測量值也會(huì)產(chǎn)生誤差，造成測量結(jié)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(zhǔn)確度，分頻部分可以用多級(jí)分頻可以使分頻更準(zhǔn)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(zhǔn)確的高頻信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，保證測量的閘門時(shí)間為被測信號(hào)的整數(shù)倍，并在閘門時(shí)間內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖和被測信號(hào)脈沖同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率測量范圍內(nèi)的測量精度相等，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信

20、號(hào)頻率很高，閘門時(shí)間足夠長時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測量。五、實(shí)習(xí)總結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，自己的動(dòng)手能力和編程能力有了質(zhì)的提高，為以后的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。實(shí)習(xí)中我既發(fā)現(xiàn)了自己的很多一些進(jìn)步之處，也發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足之處。下面就本次實(shí)習(xí)簡要的說說我個(gè)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(shí)候，沒有考慮到繼電器開始工作那一瞬間的影響，導(dǎo)致測量出來的頻率在一個(gè)時(shí)間內(nèi)不準(zhǔn)確，后面在程序中通過在繼電器工作那一瞬間不進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)，從而達(dá)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(yīng)加入自校準(zhǔn)模塊。系統(tǒng)晶振難免存在初始誤差，對(duì)精度造成一定的影響。這種誤差通過一

21、定的方法是可以消除的，如進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)其實(shí)就是與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較計(jì)算，從而得到一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)。根據(jù)實(shí)際情況，分別對(duì)量程的最大值和最小值進(jìn)行校準(zhǔn)。將兩個(gè)校準(zhǔn)值相減，然后再量化即乘以一個(gè)常數(shù)，最終得到的值就是補(bǔ)償系數(shù)。最后將這個(gè)系數(shù)存到EEPROM中保存起來。因此，實(shí)習(xí)結(jié)束后，我還得去加強(qiáng)自身學(xué)習(xí)，更加積極主動(dòng)地了解專業(yè)知識(shí)，探索自己所不知道的，進(jìn)一步擴(kuò)大自己的知識(shí)面。我個(gè)人認(rèn)為硬件和軟件設(shè)計(jì)都是是個(gè)既靈活又細(xì)膩的工作，它要求耐心和細(xì)心去不斷完善，同時(shí)還需要有良好的邏輯思維能力。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我分析問題和解決問題的能力有所提高，也鞏固了所學(xué)的知識(shí)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，更重要的是鍛煉自己的獨(dú)立性，為我今后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其三，自己的動(dòng)手實(shí)踐操作能力還得繼續(xù)提高。經(jīng)過本次實(shí)習(xí)，雖然感覺我自己的動(dòng)手實(shí)踐能力有了一定的提高，但現(xiàn)在的水平還是有上升空間。在PCB布局時(shí)，第一次布出來的線因?yàn)樘?xì)，結(jié)果在腐蝕電路板的時(shí)候，很多的銅線都被腐蝕掉，導(dǎo)致電路很多線路都是斷路。這就是平時(shí)缺乏動(dòng)手實(shí)踐的表現(xiàn)，在第二次重新布線時(shí)，經(jīng)過認(rèn)真總結(jié)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(shí)習(xí)中的幾點(diǎn)收獲與感受，有不當(dāng)之處還望批評(píng)指正。當(dāng)然，本次實(shí)習(xí)獲益良多，上面所講的只是冰山一角?？?/p>