【正文】 處于這么寬范圍內(nèi)的頻率都可以做到高精度的測量。 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，這使得對各不同頻段的頻率測量能機動 .靈活的實施。相位的測量應更趨于數(shù)字化 .智能化 .精確 化。 本論文設計的主要任務為： ⑴設計并制作一個頻率計，包括： ａ 完成頻率計電路設計，實現(xiàn)對 0～ 10KHZ 信號頻率的測量。 東華理工學院畢業(yè) 設計（論文） 緒論 ｂ 頻率測量誤差小于 5HZ。 ｃ 頻率計數(shù)器 8位數(shù)字顯示電路，完成顯示自檢 .初始化和測量結果的顯示。 ｄ 設計測量超限報警電路 ⑵設計并制作一個相位測量儀，包括： ａ 設計相位測量電路，對 1MHZ 信號頻率的兩個信號進行相位的測量，兩信號的相位差≤ 90度。 ｂ 相位測量誤差小于 5 度 c 顯示相位測量結果，標記出超前 .滯后。 本論文主要詳細介紹系統(tǒng)的硬件設計，共分為四章，第 1章 是“系統(tǒng)的工作原理”，介紹了傳統(tǒng)的測頻和測相的工作原理，是本設計的依據(jù)和出發(fā)點。第二章是“系統(tǒng)總體設計及思路分析”，著重介紹了本設計的大體思路和不同的設計方案，并比較了不同方案的優(yōu)缺點，選擇出設計的最佳實現(xiàn)方法。第三章是“系統(tǒng)的硬件設計”，分模塊具體介紹了系統(tǒng)的硬件設計實現(xiàn)方法，對所用芯片、功能原理和參數(shù)計算都作了詳盡的介紹。第四章是“系統(tǒng)的軟件設計”，對基于系統(tǒng)硬件設計的軟件實現(xiàn)方法作了大概的講解，以便對總體的軟件設計有所了解。 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)工作原理 第一章 系統(tǒng)工作原理 1． 1 頻率測量原理 若某一信號在 T 秒內(nèi)重復變化 N 次 ，則根據(jù)頻率的定義，可知該信號的頻率 Fzw為 ： Fz=N/T 由此傳統(tǒng)的測頻方法通常有兩種：一是直接測頻法，二是測周法。 所謂的直接測頻法是根據(jù)頻率的定義，把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后，加到閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間 T（以秒計）內(nèi)，通過計數(shù)器計數(shù)被測信號的脈沖周數(shù) N，從而通過頻率定義計算出被測頻率。直接測頻的實現(xiàn)框圖如圖所示，脈沖形成電路將被測信號①轉變成脈沖②，其重復頻率等于被測信號頻率 fx，將它送入閘門。閘門的開閉時間由門控信號④控制。脈沖 ⑤為在開門時間 T內(nèi)通過閘門的脈沖，被送至計數(shù)器計數(shù)，時基信號發(fā)生器產(chǎn)生準確的開門時間 T，若在開閘期間計數(shù)器計數(shù)值為 N，則被測信號頻率為： fx=N/T 脈 沖 形 成 閘 門 計 數(shù) 器 門 控 電 路①②③④⑤ 時 基 信 號 發(fā) 生 電 路 圖 11 直接測頻法原理框圖 根據(jù)誤差絕對值合成法則，直接測頻誤差為： 11x C ox C x of f ff N f T f f? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?Δ 上式右邊第二項通常忽略不計，當被測信號頻率低時，那么產(chǎn)生的誤差就較大了，所以測頻不宜用于測量低頻信號。 所謂的測周法是通過測量被測信號的 周期來計算頻率的，其測量原理框圖如圖所示。被測信號經(jīng)脈沖形成電路變成方波，加到門控電路形成門控信號 Tx 控制閘門開閉，在開閘期間，周期為 To 的時基信號通過閘門送計數(shù)器計數(shù)。設電子計數(shù)器計得的時鐘脈沖個數(shù)為 N，則有 ： Tx=NT0 fx=1/Tx=1/NT0=f0/N 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)工作原理 時 基 信 號 K 分 頻 閘 門 計 數(shù) 器 門 控 電 路 脈 沖 形 成T 0f x 門 控 信 號 T x 圖 12 測量周期的原理 這種測量方法產(chǎn)生的總誤差為兩項合成值： xox o x oTfkT f T f????? ? ?????? 上式右邊第一項為177。 1 誤差，第二項為標準頻率誤差，通?？珊雎圆挥?。可見當 T0一定時，被測信號頻率 fx愈高， Tx愈小，由177。 1 誤差引起的測量誤差就愈大，所以測周法不宜用于測量高頻率信號。 1． 2 相位測量原理 信號波形的表達式為 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。設兩同頻率的正弦波信號為 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是一個常數(shù)，并且等于兩正弦量的初相之差。 傳統(tǒng)測相方法比較多，有用示波器測量的，但這樣直接測量的誤差比較大。有把相位差轉換為電壓，即利用非線性器件把被測信號的相位差轉換為電壓或電流的增量，在電壓表或電流表盤上刻度上的相位刻度，由電表指示可直讀被測信號的相位差。有把相位差轉換為時間間隔進行測量。測量出兩正弦波過零點的時間差△ T 和其周期T，則ψ =（Δ T/T） 180。 。 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)總體設計思路及方案分析 第二章 系統(tǒng)總體設計思路及方案分析 2． 1 測頻 結合傳統(tǒng)的測頻方法，實現(xiàn)一個寬頻 域 .高精度的頻率計，直接用傳統(tǒng)的測周或者測頻法難以實現(xiàn)，測周法在高頻段誤差較大，而測頻法在低頻段的誤差較大。 2． 1． 1 脈沖數(shù)倍頻測頻法 此法克服了傳統(tǒng)的測頻在低頻測量時精度不高的缺陷。通過 A倍頻，把待測信號頻率放大 A倍，以提高測量精度。其待測頻率為： fx=N／ AT 但 待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低，控制電路較復雜。 2． 1． 2 脈沖數(shù)分頻測頻法 此法克服了傳統(tǒng)的測周期法在測高頻精度不高的缺陷。由于傳統(tǒng)測周法測量時要求待測信號的周期不能太短，所以可通過 A分頻使待測信號的周期擴大 A倍，所測頻率為： fx=AN/T 精度在高頻雖然有所提高，但控制電路有點復雜。 2． 1． 3 測頻 測周結合法 鑒于兩種測量方法的測量缺陷。由此想到將兩者結合，同時使用兩種方法，在高頻段用測頻法，在低頻段用測周法，設置一個劃分界限，例如 10KHZ，用軟件來實現(xiàn)量程的自動切換。其系統(tǒng)框圖為： 軟 件 判 斷 低 于 1 0 K H Z 測 周 法 測 頻 法被 測 信 號 高 于 1 0 K H Z 圖 21 系統(tǒng)框圖 這樣測量的誤差比較大，因為閘門的開閉與被測脈沖周期沒有聯(lián)系，即不同步，東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)總體設計思路及方案分析 設 T 為門控閘門時間， Tx為被測信號周期，Δ t1為閘門開啟到第一個計數(shù)脈沖之間的間隔，Δ t2 為閘門關閉到下一個計數(shù)脈沖之間的間隔， N 為計數(shù)器的計數(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 這樣所計的數(shù) N的誤差Δ N就比較的大。 2． 1． 4 多周期等精度測量方法 為避免以上缺陷，實現(xiàn)高精度的測量，可以采用多周期同步測量方法。用該方法測量可以直接讀出頻率值和周期值，可以在全頻段上使測量精度保持一致，實現(xiàn)等精度測量。測量原理圖如下： 頻 標 f0待 測 頻 率 fx測 量 開 始預 置 門 時 間 Tg同 步 門 時 間Tx待 測 計 數(shù) 值Nx頻 標 計 數(shù) 值N0 圖 22 測量原理圖 當 測量開始后，由被測信號的上升沿同時打開預置門和同步門啟動兩個計數(shù)器分別對標準頻率信號和待測信號同時開始計數(shù)。 到達預置時間 Tg后，預置門關閉，但兩個計數(shù)器并不停止計數(shù)，隨后而至的待測信號的上升沿到來時，同步門關閉，兩個計數(shù)器才同時停止計數(shù)，測得的計數(shù)值分別為 N0和 Nx。那么： fx/Nx=f0/N0 對其進行誤差分析：設所測頻率的準確值為 fx0。在一次測量中，由于 fx計數(shù)的停止時間是由該信號的上升沿控制的，因此，在 Tg時間內(nèi)對 fx的計數(shù) Nx無誤差。在此 時間內(nèi) f0的計數(shù) N0最多相差一個脈沖，即︱Δ N0︱≤ 1，則 下式成立： fx/Nx=f0/N0 fx0/Nx=f0/(N0＋Δ N0) 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)總體設計思路及方案分析 由此可分別摧得： fx=(f0/N0) Nx fx0=「 f0/(N0＋Δ N0)」 Nx 根據(jù)相對誤差公式有： Δ fx0/fx0=︱ fx0－ fx︱ /fx0 將上面的式子進行整理后可得： Δ fx0/fx0=︱Δ N0︱ /N0 因為 ︱Δ N0︱≤ 1 所以 ︱Δ N0︱ /N0≤ 1/N0 即相對誤差： ︱δ f︱ =Δ fx0/fx0≤ 1/N0 其中： N0=Ts f0 由上式可以得出結論： ⑴相對誤差δ f與被測信號頻率無關； ⑵增大 Tg或提高 f0可以增大 N0，從而減小測量誤差，提高測量精度； ⑶測量精度與預置門寬度和標準頻率有關，與被測信號頻率無關； ⑷標準頻率誤差為Δ f0/f0,由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度很高，標準頻率誤差很小。 由于控制計數(shù)的兩閘門的大體時間 Tg是由人工預置的，通常 Tg不一定是被測信號的整數(shù)倍，因此用同步門控電路將 Tg延長至 TX保證閘門與被測信號同步，使閘門時間準確地等 于被測信號周期的整數(shù)倍數(shù)，由于閘門時間與被測信號同步， Nx不存在177。 1的計數(shù)誤差，使得測量誤差與被測信號無關，這樣，可以通過對較少的低頻脈沖的測量達到同樣的精度，提高了對低頻信號的測量速度。等精度測頻的原理框圖如下： 被 測 信 號 輸 入 通 道f x 閘 門 1 可 控 計 數(shù) 器 1 同 步 可 控 電 路 閘 門 時 間 預 置 電 路 閘 門 2T g 可 控 計 數(shù) 器 2 單 片 機 控 制 器 時 鐘 脈 沖T x 圖 23 等精度測頻原理框圖 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)總體設計思路及方案分析 2． 2 測相 2． 2． 1 脈沖填充計數(shù)測相法 基于測相原理：把相位差轉換為時間間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差，采用脈沖填充計數(shù)法，將正弦波信號整形成方波信號，其前后沿分別對應于正弦波的正 相過零點與負相過零點，對兩路方波信號進行“異或”操作后得到這兩路信號的相位差信號 A，將相位差與晶振的基準頻率信號 B 進行“與”操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列 C。使用兩個計數(shù)器分別對該脈沖序列和基準源脈沖序列進行同時計數(shù)得到兩個計數(shù)值 N0和 N1，再對計數(shù)進行計算處理，即可得出兩信號的相位差 : ψ =(N1/N2) 180. 這種單周期的對相位的測量計數(shù)方法，測量誤差有點大，因為計數(shù)器是用單片機的定時 /計數(shù)器 ，開始計數(shù)時與被測信號不同步，計數(shù)一 定時間后停止計數(shù)也是隨機的，與被測信號無關，這樣的話測得的脈沖個數(shù)與實際脈沖數(shù)就存在177。 1誤差，大大影響了測量精度。 放 大 整 形 過零鑒 相 Ψ — T 變 換 相 位 差 信 號 閘 門 1 計 數(shù) 器 1 單 片 機 控 制 閘 門 2 計 數(shù) 器 2f 1f 2晶 振 信 號 圖 24 測相的原理框圖 2． 2． 2 多周期等精度測相法 基于測頻等精度測量法思想，實現(xiàn)相位差的高精度測量，通過同步門控制使測量信號的寬度為輸