【正文】 處于這么寬范圍內(nèi)的頻率都可以做到高精度的測(cè)量。 頻率信息的傳輸和處理，如倍頻 .分頻和混頻等都比較容易，并且精度也很高，這使得對(duì)各不同頻段的頻率測(cè)量能機(jī)動(dòng) .靈活的實(shí)施。相位的測(cè)量應(yīng)更趨于數(shù)字化 .智能化 .精確 化。 本論文設(shè)計(jì)的主要任務(wù)為： ⑴設(shè)計(jì)并制作一個(gè)頻率計(jì)，包括： ａ 完成頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 0～ 10KHZ 信號(hào)頻率的測(cè)量。 東華理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 緒論 ｂ 頻率測(cè)量誤差小于 5HZ。 ｃ 頻率計(jì)數(shù)器 8位數(shù)字顯示電路，完成顯示自檢 .初始化和測(cè)量結(jié)果的顯示。 ｄ 設(shè)計(jì)測(cè)量超限報(bào)警電路 ⑵設(shè)計(jì)并制作一個(gè)相位測(cè)量?jī)x，包括： ａ 設(shè)計(jì)相位測(cè)量電路，對(duì) 1MHZ 信號(hào)頻率的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位的測(cè)量，兩信號(hào)的相位差≤ 90度。 ｂ 相位測(cè)量誤差小于 5 度 c 顯示相位測(cè)量結(jié)果，標(biāo)記出超前 .滯后。 本論文主要詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，共分為四章，第 1章 是“系統(tǒng)的工作原理”，介紹了傳統(tǒng)的測(cè)頻和測(cè)相的工作原理，是本設(shè)計(jì)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。第二章是“系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及思路分析”，著重介紹了本設(shè)計(jì)的大體思路和不同的設(shè)計(jì)方案，并比較了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出設(shè)計(jì)的最佳實(shí)現(xiàn)方法。第三章是“系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)”，分模塊具體介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)所用芯片、功能原理和參數(shù)計(jì)算都作了詳盡的介紹。第四章是“系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)”，對(duì)基于系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)方法作了大概的講解，以便對(duì)總體的軟件設(shè)計(jì)有所了解。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)工作原理 第一章 系統(tǒng)工作原理 1． 1 頻率測(cè)量原理 若某一信號(hào)在 T 秒內(nèi)重復(fù)變化 N 次 ，則根據(jù)頻率的定義，可知該信號(hào)的頻率 Fzw為 ： Fz=N/T 由此傳統(tǒng)的測(cè)頻方法通常有兩種：一是直接測(cè)頻法，二是測(cè)周法。 所謂的直接測(cè)頻法是根據(jù)頻率的定義，把被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路后，加到閘門(mén)的一個(gè)輸入端，只有在閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間 T（以秒計(jì)）內(nèi)，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)的脈沖周數(shù) N，從而通過(guò)頻率定義計(jì)算出被測(cè)頻率。直接測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)框圖如圖所示，脈沖形成電路將被測(cè)信號(hào)①轉(zhuǎn)變成脈沖②，其重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)頻率 fx，將它送入閘門(mén)。閘門(mén)的開(kāi)閉時(shí)間由門(mén)控信號(hào)④控制。脈沖 ⑤為在開(kāi)門(mén)時(shí)間 T內(nèi)通過(guò)閘門(mén)的脈沖，被送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，時(shí)基信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生準(zhǔn)確的開(kāi)門(mén)時(shí)間 T，若在開(kāi)閘期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為 N，則被測(cè)信號(hào)頻率為： fx=N/T 脈 沖 形 成 閘 門(mén) 計(jì) 數(shù) 器 門(mén) 控 電 路①②③④⑤ 時(shí) 基 信 號(hào) 發(fā) 生 電 路 圖 11 直接測(cè)頻法原理框圖 根據(jù)誤差絕對(duì)值合成法則，直接測(cè)頻誤差為： 11x C ox C x of f ff N f T f f? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?Δ 上式右邊第二項(xiàng)通常忽略不計(jì)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率低時(shí)，那么產(chǎn)生的誤差就較大了，所以測(cè)頻不宜用于測(cè)量低頻信號(hào)。 所謂的測(cè)周法是通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的 周期來(lái)計(jì)算頻率的，其測(cè)量原理框圖如圖所示。被測(cè)信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路變成方波，加到門(mén)控電路形成門(mén)控信號(hào) Tx 控制閘門(mén)開(kāi)閉，在開(kāi)閘期間，周期為 To 的時(shí)基信號(hào)通過(guò)閘門(mén)送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。設(shè)電子計(jì)數(shù)器計(jì)得的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為 N，則有 ： Tx=NT0 fx=1/Tx=1/NT0=f0/N 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)工作原理 時(shí) 基 信 號(hào) K 分 頻 閘 門(mén) 計(jì) 數(shù) 器 門(mén) 控 電 路 脈 沖 形 成T 0f x 門(mén) 控 信 號(hào) T x 圖 12 測(cè)量周期的原理 這種測(cè)量方法產(chǎn)生的總誤差為兩項(xiàng)合成值： xox o x oTfkT f T f????? ? ?????? 上式右邊第一項(xiàng)為177。 1 誤差，第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通常可忽略不計(jì)。可見(jiàn)當(dāng) T0一定時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率 fx愈高， Tx愈小，由177。 1 誤差引起的測(cè)量誤差就愈大，所以測(cè)周法不宜用于測(cè)量高頻率信號(hào)。 1． 2 相位測(cè)量原理 信號(hào)波形的表達(dá)式為 U=Ｕ msin(ω t＋ψ 0) 式中Ｕ m是電壓振幅；ω為角頻率；ψ0為初相位。設(shè)兩同頻率的正弦波信號(hào)為 ｕ 1=Ｕ 1sin（ω t＋ψ 1） ｕ 2=Ｕ 2sin(ω t＋ψ 2) 相角差為ψ =ψ 1－ψ 2是一個(gè)常數(shù)，并且等于兩正弦量的初相之差。 傳統(tǒng)測(cè)相方法比較多，有用示波器測(cè)量的，但這樣直接測(cè)量的誤差比較大。有把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，即利用非線性器件把被測(cè)信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為電壓或電流的增量，在電壓表或電流表盤(pán)上刻度上的相位刻度，由電表指示可直讀被測(cè)信號(hào)的相位差。有把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量出兩正弦波過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差△ T 和其周期T，則ψ =（Δ T/T） 180。 。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 2． 1 測(cè)頻 結(jié)合傳統(tǒng)的測(cè)頻方法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬頻 域 .高精度的頻率計(jì)，直接用傳統(tǒng)的測(cè)周或者測(cè)頻法難以實(shí)現(xiàn)，測(cè)周法在高頻段誤差較大，而測(cè)頻法在低頻段的誤差較大。 2． 1． 1 脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法 此法克服了傳統(tǒng)的測(cè)頻在低頻測(cè)量時(shí)精度不高的缺陷。通過(guò) A倍頻，把待測(cè)信號(hào)頻率放大 A倍，以提高測(cè)量精度。其待測(cè)頻率為： fx=N／ AT 但 待測(cè)信號(hào)脈沖間隔減小，間隔誤差降低，控制電路較復(fù)雜。 2． 1． 2 脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法 此法克服了傳統(tǒng)的測(cè)周期法在測(cè)高頻精度不高的缺陷。由于傳統(tǒng)測(cè)周法測(cè)量時(shí)要求待測(cè)信號(hào)的周期不能太短，所以可通過(guò) A分頻使待測(cè)信號(hào)的周期擴(kuò)大 A倍，所測(cè)頻率為： fx=AN/T 精度在高頻雖然有所提高，但控制電路有點(diǎn)復(fù)雜。 2． 1． 3 測(cè)頻 測(cè)周結(jié)合法 鑒于兩種測(cè)量方法的測(cè)量缺陷。由此想到將兩者結(jié)合，同時(shí)使用兩種方法，在高頻段用測(cè)頻法，在低頻段用測(cè)周法，設(shè)置一個(gè)劃分界限，例如 10KHZ，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。其系統(tǒng)框圖為： 軟 件 判 斷 低 于 1 0 K H Z 測(cè) 周 法 測(cè) 頻 法被 測(cè) 信 號(hào) 高 于 1 0 K H Z 圖 21 系統(tǒng)框圖 這樣測(cè)量的誤差比較大，因?yàn)殚l門(mén)的開(kāi)閉與被測(cè)脈沖周期沒(méi)有聯(lián)系，即不同步，東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 設(shè) T 為門(mén)控閘門(mén)時(shí)間， Tx為被測(cè)信號(hào)周期，Δ t1為閘門(mén)開(kāi)啟到第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間的間隔，Δ t2 為閘門(mén)關(guān)閉到下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間的間隔， N 為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，那么： T=（ N－ 1） Tx＋Δ t1＋ (Tx－Δ t2) =NTX＋Δ t1－Δ t2 Δ N=T/Tx－ N=Δ t1/Tx－Δ t2/Tx 這樣所計(jì)的數(shù) N的誤差Δ N就比較的大。 2． 1． 4 多周期等精度測(cè)量方法 為避免以上缺陷，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，可以采用多周期同步測(cè)量方法。用該方法測(cè)量可以直接讀出頻率值和周期值，可以在全頻段上使測(cè)量精度保持一致，實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。測(cè)量原理圖如下： 頻 標(biāo) f0待 測(cè) 頻 率 fx測(cè) 量 開(kāi) 始預(yù) 置 門(mén) 時(shí) 間 Tg同 步 門(mén) 時(shí) 間Tx待 測(cè) 計(jì) 數(shù) 值Nx頻 標(biāo) 計(jì) 數(shù) 值N0 圖 22 測(cè)量原理圖 當(dāng) 測(cè)量開(kāi)始后，由被測(cè)信號(hào)的上升沿同時(shí)打開(kāi)預(yù)置門(mén)和同步門(mén)啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和待測(cè)信號(hào)同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。 到達(dá)預(yù)置時(shí)間 Tg后，預(yù)置門(mén)關(guān)閉，但兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，隨后而至的待測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，同步門(mén)關(guān)閉，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)停止計(jì)數(shù)，測(cè)得的計(jì)數(shù)值分別為 N0和 Nx。那么： fx/Nx=f0/N0 對(duì)其進(jìn)行誤差分析：設(shè)所測(cè)頻率的準(zhǔn)確值為 fx0。在一次測(cè)量中，由于 fx計(jì)數(shù)的停止時(shí)間是由該信號(hào)的上升沿控制的，因此，在 Tg時(shí)間內(nèi)對(duì) fx的計(jì)數(shù) Nx無(wú)誤差。在此 時(shí)間內(nèi) f0的計(jì)數(shù) N0最多相差一個(gè)脈沖，即︱Δ N0︱≤ 1，則 下式成立： fx/Nx=f0/N0 fx0/Nx=f0/(N0＋Δ N0) 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 由此可分別摧得： fx=(f0/N0) Nx fx0=「 f0/(N0＋Δ N0)」 Nx 根據(jù)相對(duì)誤差公式有： Δ fx0/fx0=︱ fx0－ fx︱ /fx0 將上面的式子進(jìn)行整理后可得： Δ fx0/fx0=︱Δ N0︱ /N0 因?yàn)? ︱Δ N0︱≤ 1 所以 ︱Δ N0︱ /N0≤ 1/N0 即相對(duì)誤差： ︱δ f︱ =Δ fx0/fx0≤ 1/N0 其中： N0=Ts f0 由上式可以得出結(jié)論： ⑴相對(duì)誤差δ f與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)； ⑵增大 Tg或提高 f0可以增大 N0，從而減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度； ⑶測(cè)量精度與預(yù)置門(mén)寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)； ⑷標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為Δ f0/f0,由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度很高，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差很小。 由于控制計(jì)數(shù)的兩閘門(mén)的大體時(shí)間 Tg是由人工預(yù)置的，通常 Tg不一定是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，因此用同步門(mén)控電路將 Tg延長(zhǎng)至 TX保證閘門(mén)與被測(cè)信號(hào)同步，使閘門(mén)時(shí)間準(zhǔn)確地等 于被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍數(shù)，由于閘門(mén)時(shí)間與被測(cè)信號(hào)同步， Nx不存在177。 1的計(jì)數(shù)誤差，使得測(cè)量誤差與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)，這樣，可以通過(guò)對(duì)較少的低頻脈沖的測(cè)量達(dá)到同樣的精度，提高了對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量速度。等精度測(cè)頻的原理框圖如下： 被 測(cè) 信 號(hào) 輸 入 通 道f x 閘 門(mén) 1 可 控 計(jì) 數(shù) 器 1 同 步 可 控 電 路 閘 門(mén) 時(shí) 間 預(yù) 置 電 路 閘 門(mén) 2T g 可 控 計(jì) 數(shù) 器 2 單 片 機(jī) 控 制 器 時(shí) 鐘 脈 沖T x 圖 23 等精度測(cè)頻原理框圖 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 2． 2 測(cè)相 2． 2． 1 脈沖填充計(jì)數(shù)測(cè)相法 基于測(cè)相原理：把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，先測(cè)量出時(shí)間間隔再換算為相位差，采用脈沖填充計(jì)數(shù)法，將正弦波信號(hào)整形成方波信號(hào)，其前后沿分別對(duì)應(yīng)于正弦波的正 相過(guò)零點(diǎn)與負(fù)相過(guò)零點(diǎn)，對(duì)兩路方波信號(hào)進(jìn)行“異或”操作后得到這兩路信號(hào)的相位差信號(hào) A，將相位差與晶振的基準(zhǔn)頻率信號(hào) B 進(jìn)行“與”操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列 C。使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)該脈沖序列和基準(zhǔn)源脈沖序列進(jìn)行同時(shí)計(jì)數(shù)得到兩個(gè)計(jì)數(shù)值 N0和 N1，再對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，即可得出兩信號(hào)的相位差 : ψ =(N1/N2) 180. 這種單周期的對(duì)相位的測(cè)量計(jì)數(shù)方法，測(cè)量誤差有點(diǎn)大，因?yàn)橛?jì)數(shù)器是用單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ，開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)與被測(cè)信號(hào)不同步，計(jì)數(shù)一 定時(shí)間后停止計(jì)數(shù)也是隨機(jī)的，與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)，這樣的話測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)與實(shí)際脈沖數(shù)就存在177。 1誤差，大大影響了測(cè)量精度。 放 大 整 形 過(guò)零鑒 相 Ψ — T 變 換 相 位 差 信 號(hào) 閘 門(mén) 1 計(jì) 數(shù) 器 1 單 片 機(jī) 控 制 閘 門(mén) 2 計(jì) 數(shù) 器 2f 1f 2晶 振 信 號(hào) 圖 24 測(cè)相的原理框圖 2． 2． 2 多周期等精度測(cè)相法 基于測(cè)頻等精度測(cè)量法思想，實(shí)現(xiàn)相位差的高精度測(cè)量，通過(guò)同步門(mén)控制使測(cè)量信號(hào)的寬度為輸