數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)摘要：采用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器件，該系統(tǒng)采用直流供電，由信號(hào)輸入模塊、信號(hào)相加模塊、濾波模塊、信號(hào)比較器模塊，電平轉(zhuǎn)換模塊組成，具有信號(hào)輸入、測(cè)信號(hào)頻率、測(cè)量矩形方波占空比的功能，并且具有測(cè)量精度高功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。1 方案設(shè)計(jì)與比較11.1 信號(hào)混合電路模塊11.2 濾波電路模塊21.3 正弦波整形電路21.4測(cè)頻系統(tǒng)模塊22 理論分析與計(jì)算22.1 同相加法電路分析計(jì)算22.2 二階高通濾波電路分析計(jì)算22.3 比較器電路分析計(jì)算33 電路設(shè)計(jì)33.1加法器電路33.2 高通濾波電路43.3 比較器電路54 程序設(shè)計(jì)54.1 頻率的測(cè)量5

2、4.2 由頻率測(cè)量到占空比測(cè)量切換的實(shí)現(xiàn)54.3 占空比的測(cè)量55 作品測(cè)試65.1 測(cè)試儀器65.2 測(cè)試方法65.3 測(cè)試結(jié)果及分析65.3.1信號(hào)混合器波形測(cè)試65.3.2頻率測(cè)試75.3.3占空比測(cè)試85.4 結(jié)果分析86 總結(jié)8參考文獻(xiàn)91 方案設(shè)計(jì)與比較1.1 信號(hào)混合電路模塊方案一：同相加法器。加法器是一種數(shù)位電路，其可進(jìn)行信號(hào)的加法計(jì)算。加法器是產(chǎn)生數(shù)的和的裝置。加數(shù)和被加數(shù)為輸入，和數(shù)與進(jìn)位為輸出的裝置為半加器。若加數(shù)、被加數(shù)與低位的進(jìn)位數(shù)為輸入，而和數(shù)與進(jìn)位為輸出則為全加器。同相加法器輸入阻抗高，輸出阻抗低 反相加法器輸入阻抗低，輸出阻抗高 當(dāng)選用同相加法器時(shí)，如A輸入信號(hào)

3、時(shí)，因?yàn)槭峭嗉臃ㄆ鳎斎胱杩垢?，這樣信號(hào)不太容易流入加法器，反而更容易流入B端，而影響到B端的正常使用;同樣，如B輸入信號(hào)時(shí)，容易流入A端，而影響到A端的正常使用。 方案二：反相加法器。當(dāng)選用反相加法器時(shí)，因?yàn)榧臃ㄆ鬏斎胱杩沟?，不管是A端，還是B端信號(hào)，更容易流入加法器，而不會(huì)影響其它路的正常使用。綜上所述選擇方案一。1.2 濾波電路模塊 方案一：選用有源二階切比雪夫高通濾波器。切比雪夫?yàn)V波電路在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存

4、在幅度波動(dòng)，有可能有紋波波動(dòng)導(dǎo)致電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的上限或下限出發(fā)電平，導(dǎo)致誤觸發(fā)，輸出方波可能嚴(yán)重失真。 方案二：選用有源二階巴特沃斯高通濾波器。巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，由于巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)曲線很平滑，沒有起伏，可以有效規(guī)避施密特比較器中的誤觸發(fā)，所以選用幅頻響應(yīng)曲線最平滑的巴特沃斯型濾波器，可以有效規(guī)避誤觸發(fā) 。綜上所述選擇方案二。1.3 正弦波整形電路方案一：采用分立器件搭建整形電路。由于分立器件電路存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大等諸多缺點(diǎn)，因此不采用該方案。 方案二：采用集成比較器運(yùn)放。常用的電壓比較器運(yùn)放

5、LM339的響應(yīng)時(shí)間為1300ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到發(fā)揮部分100MHz的頻率要求。因此，采用響應(yīng)時(shí)間為4.5ns的高速比較器運(yùn)放TLV3501。1.4測(cè)頻系統(tǒng)模塊方案一:采用傳統(tǒng)的TI的MSP430單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，但其容量小，工作電壓較低與板子工作電壓不符，功耗較大。方案二：采用51單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)控制，該單片機(jī)的工作電壓為5V，與板子的工作電壓一致，而且性能很好，功能強(qiáng)大，既能滿足對(duì)功耗控制要求，又能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。綜上所述，選擇方案二。2 理論分析與計(jì)算2.1 同相加法電路分析計(jì)算NE5532具有輸入阻抗高，輸出阻抗低等特點(diǎn)。當(dāng)選用同相加法器時(shí)，需要在輸入信號(hào)后加一個(gè)電壓跟隨器，然后才通過同

6、相加法器進(jìn)行信號(hào)混合。采用NE5532芯片作為信號(hào)的來實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器與加法器，其驅(qū)動(dòng)電壓為5V，并且在電壓端需要加入退耦電容，防止電路通過電源形成的正反饋通路而引起的寄生振蕩。當(dāng)信號(hào)S1與S2輸入過后，由于電壓跟隨器的作用導(dǎo)致信號(hào)電壓衰減一倍，因此在同相加法電路中需要將輸出信號(hào)S3電壓放大一倍,所以，R3與R4電阻選用10K電阻。Av=R4/(R3+R4)+1,R3=R4=10k。2.2 二階高通濾波電路分析計(jì)算 高通濾波器，又稱低截止濾波器、低阻濾波器，允許高于某一截頻的頻率通過，而大大衰減較低頻率的一種濾波器。它去掉了信號(hào)中不必要的低頻成分或者說去掉了低頻干擾。它是由兩節(jié)RC濾波電路和同相

7、比例放大電路組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低。其中最低允許通過頻率Wc=1/RC。輸入S3混合信號(hào)時(shí)，可以濾掉S2低頻信號(hào)，S1高頻信號(hào)可以通過，可采用NE5532組裝成該電路，該電路參數(shù)由Filterpro deskstop軟件自動(dòng)確定。參數(shù)如圖所示：2.3 比較器電路分析計(jì)算 施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。本實(shí)驗(yàn)采用的是LM311比較器。由于施密特觸發(fā)器的比較電壓接地為0V,輸入信號(hào)與0V相比較，根據(jù)輸入信號(hào)的電壓幅度值確定上限觸發(fā)電平Vt1與下限觸發(fā)電平Vt2并確定各個(gè)電阻值，最

8、后測(cè)得經(jīng)過窗口比較器輸出后的方波比較符合理想情況，可以正常工作。3 電路設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)的頻率計(jì)組要分為以下幾個(gè)部分：同相加法器、濾波器、比較器、單片機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中的核心是由STC89C52RC構(gòu)成的控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)的外部中斷及單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來完成待待測(cè)信號(hào)頻率及周期的測(cè)量。定時(shí)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。在定時(shí)器工作方式下，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，每來一個(gè)機(jī)器周期，外部中斷一次，并且變量自動(dòng)加1，這樣就可以測(cè)量出信號(hào)的頻率。（如圖）3.1加法器電路如下圖： NE5532具有輸入阻抗高，輸出阻抗低等特點(diǎn)。當(dāng)選用同相加法器時(shí)，需要在輸入信號(hào)后加一個(gè)電壓

9、跟隨器，然后才通過同相加法器進(jìn)行信號(hào)混合。采用NE5532芯片作為信號(hào)的來實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器與加法器，其驅(qū)動(dòng)電壓為5V，并且在電壓端需要加入退耦電容，防止電路通過電源形成的正反饋通路而引起的寄生振蕩。輸入信號(hào)各接入一個(gè)由NE5532運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器，然后各接入一個(gè)10K的電阻一起輸入同相加法器，同相加法器的R3，R4電阻都為10K,以保證其內(nèi)部包含的固定增益放大器的增益額度由外接反饋的網(wǎng)絡(luò)不同而改變，以滿足增益變化的需要。3.2 高通濾波電路電路圖如圖所示， 選用有源二階巴特沃斯高通濾波器。巴特沃斯濾波電路的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零，由于巴特沃斯

10、濾波電路的幅頻響應(yīng)曲線很平滑，沒有起伏。由兩個(gè)68nf的電容與一個(gè)1.5K的電阻從正極輸入一個(gè)NE5532運(yùn)算放大器。負(fù)極接一2.7K的電阻接地，接10K的電阻與運(yùn)算放大器的輸出端相連。 3.3 比較器電路 比較器用的芯片是LM311，LM311是一款兼容TTL器件引腳的高速CMOS器件，邏輯功能為6路斯密特觸發(fā)反相器，其耗電量低，速度快，可將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動(dòng)的輸出信號(hào)。電路圖如圖。4 程序設(shè)計(jì)4.1 頻率的測(cè)量單片機(jī)控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)具有低功耗模式，并且具有5個(gè)中斷源，有兩個(gè)外部中斷兩個(gè)內(nèi)部中斷還有一個(gè)串口中斷。程序使用單片

11、機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。主要是通過比較器和電平轉(zhuǎn)換器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可利用的矩形脈沖信號(hào)，編程計(jì)數(shù)一秒內(nèi)矩形脈沖的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量輸入信號(hào)頻率的功能。4.2 由頻率測(cè)量到占空比測(cè)量切換的實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)上的按鍵實(shí)現(xiàn)，按下去（長(zhǎng)按），數(shù)碼管則顯示矩形脈沖的占空比，若為按下此鍵，數(shù)碼管則顯示的是輸入信號(hào)的頻率。4.3 占空比的測(cè)量 如上圖所示，當(dāng)脈沖的上升沿來臨時(shí)，將定時(shí)器打開；緊接著的下降沿來臨時(shí)，讀取定時(shí)器的值，假設(shè)定時(shí)時(shí)間為t1；下一個(gè)上升沿來臨時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，讀取定時(shí)器的值，假設(shè)定時(shí)時(shí)間為t2。t1即為1個(gè)周期內(nèi)高電平的時(shí)間，t2即為脈沖的周期。t1/t2即為占空比，1/t2即為頻

12、率。5 作品測(cè)試5.1 測(cè)試儀器 直流穩(wěn)壓電源：GPD-33030，一臺(tái) 數(shù)字儲(chǔ)存示波器：DS1102E, 一臺(tái) 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：DG1022U, 一臺(tái) 萬用表：VC890C， 一臺(tái)5.2 測(cè)試方法利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生一系列滿足題目要求的待測(cè)信號(hào)，使用本電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并分析計(jì)算相對(duì)誤差。同時(shí)，使用示波器的脈沖測(cè)量功能，對(duì)比測(cè)量，信號(hào)參數(shù)。測(cè)試時(shí)的裝置連接方式如圖。5.3 測(cè)試結(jié)果及分析5.3.1信號(hào)混合器波形測(cè)試 波形測(cè)試如圖，輸入頻率分別為50HZ和50KHZ，峰峰值都為1VPP的正弦波通過信號(hào)混合器后，波形如圖所示?？梢悦黠@觀測(cè)到50KHZ的波形被50HZ的波形所

13、影響。5.3.2頻率測(cè)試S2幅度(Vpp)S2頻率（Hz）待測(cè)作品顯示頻率(Hz）待測(cè)作品測(cè)量相對(duì)誤差（%）示波器測(cè)得的頻率（Hz）0.25k 2535 50.31 51020.55k 4985 0.30 50001.05k 4985 0.30 50002.05k 4985 0.30 50000.210k 6113 38.87 10K0.510k 9975 0.25 10K1.010k 9975 0.25 10K2.010k 9975 0.25 10K0.250k 31355 37.29 50K0.550k 49898 0.204 50K1.050k 49898 0.204 50K2.050k

14、 49898 0.204 50K0.2100k 62909 37.09 100K0.5100k 99795 0.205 100K1.0100k 99796 0.204 100K2.0100k 99796 0.204 100K5.3.3占空比測(cè)試 S2頻率（Hz）S2 占空比待測(cè)作品顯示頻率（Hz）待測(cè)作品頻率測(cè)量相對(duì)誤差 （%）待測(cè)作品顯示占空 比(%)待測(cè)作品占空比測(cè)量相對(duì)誤差（%）示波器測(cè)得的頻率 （Hz）示波器測(cè)得的占空 比 (%) 5k0.1 4985 0.30 9.91 0.9 5K 105k0.2 4985 0.30 20.22 1.1 5K 20 5k0.5 4985 0.30

15、50.01 0.02 5K 505k0.8 4985 0.30 79.84 1.06 5K 795k0.9 4985 0.30 89.54 1.75 5K 8810k0.1 9975 0.25 10.24 2.4 10K 1010k0.2 9975 0.25 20.05 0.25 10K 2010k0.5 9975 0.25 49.70 3.54 10K 4810k0.8 9975 0.25 79.32 1.69 10K 7810k0.9 9975 0.25 88.87 0.98 10K 885.4 結(jié)果分析系統(tǒng)在正弦信號(hào)測(cè)量頻率和測(cè)量方波占空比均達(dá)到基本和發(fā)揮部分要求，各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量精度高，交流電壓信號(hào)測(cè)量頻率范圍廣，整體性能達(dá)到題目發(fā)揮部分要求。僅在輸入電壓幅值為0.2VPP時(shí)測(cè)量有所偏差，輸出信號(hào)無法達(dá)到單片機(jī)所能識(shí)別信號(hào)的要求。經(jīng)測(cè)量220MV及以上輸入信號(hào)經(jīng)電路的輸出的均能達(dá)到題目要求。6 總結(jié) 本系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器件，用NE5532集成運(yùn)算放大器芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相加和濾波，再利用LM311芯片構(gòu)造信號(hào)比較器，將信號(hào)進(jìn)行波形變換。系統(tǒng)采用直流供電，該系統(tǒng)采用直流供電，由信號(hào)輸入模塊、信號(hào)相加模塊、濾波模塊、信號(hào)比較器模塊，電平轉(zhuǎn)換模塊組成，具有信號(hào)輸入、測(cè)信號(hào)頻率、測(cè)量矩形方波占空比