【正文】 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 數(shù)字頻率計設(shè)計 XXX 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 ， 重慶 400716 摘要： 本文提出設(shè)計數(shù)字頻率計的多種方案，重點介紹 以 單片機(jī) AT89C52 為控制核心， 實現(xiàn)頻率測量 的數(shù)字頻率計設(shè)計。 測頻的 基本原理 是 采用在高頻段直接測頻法，在低頻段測周期法的設(shè)計思路；硬件部分由放大電路 、 波形變換和整形電路 、 閘門時基控制電路 、 分頻電路 、 單片機(jī)和數(shù)據(jù)顯示電路組成；軟件 部分 由 信號頻率測量模塊、 周期測量模塊、定時器中斷服務(wù)模塊 、數(shù)據(jù) 顯示模塊 等功能模塊實現(xiàn)。 應(yīng)用單片機(jī)的 控制功能和 數(shù)學(xué)運算 能力 ， 實現(xiàn) 計數(shù)功能 和頻率、周期的換算。 設(shè)計的 頻率計測量范圍能夠達(dá)到 2HZ～ 50MHZ，滿足所要求的頻率范圍 ， 測量精度較高， 平均相對誤差僅為%。另外 ， 文章對 頻率 測量過程中 數(shù)據(jù) 誤差的 來源進(jìn)行了探討 ， 提出了減小誤差的措施。最后，文章還對頻率計的設(shè)計方案提出了可 擴(kuò)展 的地方。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字頻率計 ； 單片機(jī) AT89C52； 頻率測量 ； 周期測量 ； 誤差 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 The design of digital frequency meter LU Jiabin College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China Abstract： This article proposes many kinds of plans design digital frequency meter, highlighting the design taking monolithic integrated circuit AT89C52 as the control core, the realization frequency measurement of digital frequency meter. Selected design ideas which directly measuring frequency law in the highband and testing cycle law in the lowband。 The hardware partially is posed by enlarged circuit、 the profile transformation and the reshaping circuit、 the gate at the base control circuits、 subfrequency circuits、 the microcontroller and the data display electric circuit。 The software design is achieved by many functional modules, such as the signal frequency measurement module、 the signal cycle survey module、 timer interruption of service module、 the data display module and so on. Achieving counting function and conversion between cycle and frequency by using control functions and mathematics operation ability of microcontroller. Like these the survey scope can achieve 2HZ ~ 50MHZ, both can reach the frequency range requirements designed, the measuring accuracy high, and can cause the average relative measuring error to be only %. In addition, the article has carried on the discussion to the data error origin in the process surveyed the frequency, and proposed the measures reduce the measuring error. Finally, the article also raise the frequency of the design options will be further improved. Key Words： Digital frequency meter。 Microcontroller AT89C52。 Frequency measurements。 Measure ment cycle。 error 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 文獻(xiàn)綜述 科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天 ， 數(shù)字化產(chǎn)品以其獨特的優(yōu)越性而越來越受到廣大 消費者 的認(rèn)可。頻率計作為一件很普通的電子器件，廣泛應(yīng)用 于 科研機(jī)構(gòu) 、 學(xué)校 、 實驗室 、企業(yè)生產(chǎn)車間 等場所。數(shù)字頻率計具有體積小、攜帶方便；功能完善、測量精度高等優(yōu)點，因此在以后的時間里，必將有著 更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價值。研究數(shù)字頻率計的設(shè)計和開發(fā)，有助于頻率計功能的不斷 完善 、性價比的提高和實用性的加強(qiáng)。下面將從測量頻率的方法、現(xiàn)階段頻率計的 種類 和頻率計的發(fā)展趨勢 三 方面進(jìn)行論述。 一、頻率測量方法概述 主要有以下幾類： （如圖 11 所示） 圖 11 頻率測量方法 Method of frequency measurement 直讀法又稱無源網(wǎng)絡(luò)頻率特性測量法；比較法是將被測頻率信號與已知頻率信號相比較，通過觀、聽比較結(jié)果 ，獲得被測信號的頻率；電容充放電式計數(shù)法是利用電子電路控制電容器充放電的次數(shù)，再用電磁式儀表測量充放電電流的大小，從而測出被測信號的頻率值；電子計數(shù)法是根據(jù)頻率定義進(jìn)行測量的一種方法， 利用 電子計數(shù)器顯示 的 單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實現(xiàn)頻率的測量 [1]。 頻率測量方法 模擬法 數(shù)字法 直讀法 比較法 電橋法 諧振法 拍頻法 差頻法 示波法 李沙育圖形法 測周期法 電容充放電式 電子計數(shù)式 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 由于電子計數(shù)式測量頻率具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列優(yōu)點而被廣泛使用。 電子計數(shù)式測量頻率 有以下幾種 方法 ： （ 1）脈沖數(shù)定時測頻法（ M法）：記錄在確定時間里待測信號的脈沖個數(shù)。 其特點是 ：測量方法簡單； 測量精度與待測信號頻率和門控時間有關(guān)，當(dāng)待測信號頻率較低時，誤差較大。 （ 2）脈沖周期測頻法（ T 法）：在待測信號的一個周期里記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號變化次數(shù)。此法低頻檢測時精度高，但高頻檢測時誤差較大。 （ 3）脈沖數(shù)倍頻測頻法（ AM法）： 此法是為克服 M法在低頻測量時精度不高的缺陷發(fā)展起來的。通過 A倍頻，把待測信號頻率放大 A倍，以提高測量精度。其特點是待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低； 低頻測量 精度比 M法高 A倍，但控制電路較復(fù)雜。 （ 4）脈沖數(shù)分頻測頻法（ AT法）： 此法是為了提高 T法高頻測量時的精度而 發(fā)展起來 的。由于 T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(kuò)大 A倍。其特點是高頻測量精度比 T法高 A倍；但控制電路也較復(fù)雜。 （ 5）脈沖平均周期測頻法（ M/T法）： 此法是在閘門時間內(nèi)，同時用兩個計數(shù)器分別記錄待測信號的脈沖數(shù) M和標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)。其特點是在測高頻時精度較高；但在測低頻時精度較低。 （ 6）多周期同步測頻法： 是由閘門時間與同步門控時間共同控制計數(shù)器計數(shù)的一種測量方法，待測信號頻率與 M/T法相同。此法的優(yōu)點是 ： 閘門時間與被測信號同步，消除了對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的177。 1個字誤差，測量精度大大提 高，且測量精度與待測信號的頻率無關(guān)， 實現(xiàn) 了在整個測量頻段等精度測量。 二、數(shù)字頻率計種類 現(xiàn)在市面上通常使用的數(shù)字頻率計主要有 以 下幾種： 采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路，用機(jī)械式功能轉(zhuǎn)換開關(guān)換擋，完成測量頻率、周期以及脈寬等功能的計數(shù)器。此種數(shù)字頻率計是較早時期的電子產(chǎn)品，到現(xiàn)在中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)不斷完善時，它的應(yīng)用也不斷得到加強(qiáng)。但很明顯，此種數(shù)字頻率計已處于淘汰階段，由于其自身不具備智能化、自動化，完全借助于機(jī)械示的操作，對一些智能的頻率計功能已無法完成，所以，現(xiàn)在使用這種數(shù)字頻率計的已經(jīng)很少。 采用 現(xiàn)場 可編程 門陣列 （ CPLD/FPGA） 作 為系統(tǒng)控制核心制成的數(shù)字頻率計。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 它通過 EDA 技術(shù)和硬件描述語言 （ VHDL）對 進(jìn)行數(shù)字頻率計的設(shè)計。這種技術(shù)是在近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù)，具有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用價值。 采用單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心的數(shù)字頻率計。這種數(shù)字頻率計具有非常明顯的優(yōu)勢： 體積小，所用芯片少， 精度高，測量范圍廣，易于擴(kuò)展功能，智能化 、自動化強(qiáng)度高，便于控制。因此采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計數(shù)字器件已逐漸成為主流。 三、數(shù)字頻率計的發(fā)展趨勢 科學(xué)技術(shù)發(fā)展越快，產(chǎn)品的更新周期就越短，數(shù)字化電子產(chǎn)品更是如此。數(shù) 字頻率計作為一種電子測量儀器，其發(fā)展趨勢主要向以下三個方向發(fā)展。 發(fā)展趨勢之一：從以前 的 模擬器件設(shè)計數(shù)字頻率計逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字芯片設(shè)計數(shù)字頻率計。這樣的轉(zhuǎn)變使得頻率計的設(shè)計更 趨于自動化、 智能化?，F(xiàn)在的電子產(chǎn)品主要是采用 EDA 技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)作為核心控制系統(tǒng)，輔以外圍電路，制成高端數(shù)字化產(chǎn)品。頻率計正是朝著這個方向發(fā)展。 EDA 技術(shù)是以計算機(jī)為工具，在 EDA 軟件平臺上，根據(jù)硬件描述語言 VHDL 完成設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化布局線、仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載 等工作 [2]。 FPGA/CPLD 是高密度現(xiàn)場可編程邏輯芯片， 能夠?qū)⒋罅康倪壿嫻δ芗捎谝粋€單個器件中，它提供的門數(shù)從幾百門到上百萬門，可以滿足不同的需要。數(shù)字頻率計借助于 EDA 工具 FPGA/CPLD 進(jìn)行開發(fā)有很大的優(yōu)越性：（ 1）編程方式簡便、先進(jìn)。（ 2）高速。（ 3）高可靠性。（ 4）開發(fā)工具和設(shè)計語言標(biāo)準(zhǔn)化，開發(fā)周期短。（ 5）功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣闊。 這樣的優(yōu)點使得數(shù)字頻率計的設(shè)計變得簡單。 但同時，采用 EDA 技術(shù)開發(fā)頻率計存在一個缺點：對電路進(jìn)行邏輯綜合優(yōu)化時，最終設(shè)計和原始設(shè)計在邏輯實現(xiàn)和時延方面有一定的誤差，這 樣使得頻率計的測量精度受到很大影響。因此 EDA 技術(shù)還需要不斷地改進(jìn)， 以解決在測量時存在的問題， 適應(yīng)電子 產(chǎn)品 測量的要求。但肯定的是 ， 用 EDA 技術(shù)進(jìn)行電子產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)是 有 很 大 發(fā)展前景的。 單片機(jī)技術(shù)設(shè)計數(shù)字頻率計是現(xiàn)階段電子產(chǎn)品開發(fā) 時采用 的主要技術(shù) ， 它 在今后的一段時間內(nèi)仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。 單片機(jī)是單片微型計算機(jī)的簡稱， 將 把 微型計算機(jī)的 三大組成部分（ CPU+存儲器 +I/O 接口）和一些實時控制所需要的功能器件集成在該芯片上， 來實現(xiàn)計算機(jī)的部分功能 [3]。 在實際應(yīng)用中大都嵌入到控制系統(tǒng)中，所以單片機(jī)系統(tǒng)也叫嵌入式 系統(tǒng)。 現(xiàn)在 國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用中 最 常見的有 Intel 公司的 MCS西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 系列， Microchip 公司的 PIC16 系列 ，臺灣凌陽公司的 SPCE061X 系列 。 單片機(jī)設(shè)計數(shù)字頻率計有著很多的優(yōu)點：（ 1）集成度高。（ 2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價比高。（ 3）系統(tǒng)擴(kuò)展方便。（ 4）抗干擾性能強(qiáng)，可靠性高。（ 5）處理能力強(qiáng)，速度快。（ 6）開發(fā)方便。（ 7）兼容性好。 [4]另外，單片機(jī)內(nèi)部強(qiáng)大的運算能力和控制功能，使得開發(fā)像頻率計這樣 對測量精度要求很高的電子 儀器時， 變得更加的 有效。內(nèi)部豐富的存儲資源，能夠滿足頻率計設(shè)計的各種不同需要。可以說，單片 機(jī)的 進(jìn)步指導(dǎo)著 頻率計的發(fā)展方向。 發(fā)展趨勢之二：在功能上從以前的僅實現(xiàn) 單一 頻率測量 擴(kuò)展 到還能測量周期、占空比、脈寬等 各種 參數(shù) 指標(biāo)。數(shù)字技術(shù)的不斷成熟，使得在一塊很小的板子上制作大規(guī)模、多功能的電子產(chǎn)品變得非常的容易、方便。當(dāng)然，功能的實現(xiàn)是以強(qiáng)大的軟件技術(shù)做后盾的。以后的頻率計等測量儀器將在編程語言的不斷優(yōu)化下 ，數(shù)字技術(shù)的不斷完善下 實現(xiàn)更多的功能。 發(fā)展趨勢三：頻率計 虛擬 化。 隨著計算機(jī)的普及，利用計算機(jī)做顯示和操作平臺的虛擬儀表，也越來越被廣泛運用 。 目前主流的開發(fā)平臺是 NI公司的 Lab VIEW。 電子 測量 技術(shù) 的發(fā)展 ，單片機(jī)技術(shù)和大規(guī)模可編程數(shù)字邏輯電路的普及，為頻率測量的結(jié)構(gòu)簡單化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，使得頻率測量正朝著高靈敏度、高可靠性 、 全集成化和智能化方向發(fā)展