【正文】 [鍵入文字]電子數(shù)字頻率計測量方法畢業(yè)論文 1 緒論 研究背景及主要研究意義頻率是電子技術領域永恒的話題，電子技術領域離不開頻率，一旦離開頻率，電子技術的發(fā)展是不可想象的，為了得到性能更好的電子系統(tǒng)，科研人員在不斷的研究頻率，CPU 就是用頻率的高低來評價性能的好壞，可見，頻率在電子系統(tǒng)中的重要性。頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器，其最基本的工作原理為：當被測信號在特定的時間段 T 內的周期個數(shù) N時，則被測信號的頻率 f=N／，到目前為止已有三十多年的發(fā)展歷史。早期，設計師們追求的目標主要是擴展測量范圍，再加上提高測量精度、穩(wěn)定度等，這些也是人們衡量電子計算機的技術水平，決定電子技術器價格高低的主要依據(jù)。目前這些技術日臻完善，成熟。應用現(xiàn)代技術可以輕松地將電子計數(shù)器的頻率擴展到微波頻段。 數(shù)字頻率計的發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學技術的發(fā)展，用戶對電子計數(shù)器也提出了新的要求。對于低檔產(chǎn)品要求使用操作方便，量程（足夠）寬，可靠性高，價格低。而對中高檔產(chǎn)品，則要求有較高的分辨率，高精度，高穩(wěn)定度，高測量速率；除通常通用計數(shù)器所具有的功能外，還要有數(shù)據(jù)處理功能，統(tǒng)計分析功能等等，或者包含電壓測量等其他功能。這些要求有的已經(jīng)實現(xiàn)或者部分實現(xiàn)，但要真正地實現(xiàn)這些目標，對于生產(chǎn)廠家來說，還有許多工作要做，而不是表面看來似乎發(fā)展到頭了。由于微電子技術和計算機技術的發(fā)展，頻率計都在不斷地進步著，靈敏度不斷提高，頻率范圍不斷擴大，功能不斷增加。在測試通訊、微波器件或產(chǎn)品時，通常都市較復雜的信號，如含有復雜頻率成分、調制的含有未知頻率分量的、頻率固定的變化的、純凈的或疊加有干擾的等等。為了能正確的測量不同類型的信號，必須了解待測信號特性和各種頻率測量儀器的性能。微波技術器一般使用類型頻譜分析儀的分頻或混頻電路，另外還包含多個時間基準、合成器、中頻放大器等。雖然所有的微波計數(shù)器都是用來完成技術任務的，但各自廠家都有各自的[鍵入文字]一套復雜計數(shù)器的設計、使得不同型號的技術其性能和價格會有所差別，比如說一些計數(shù)器可以測量脈沖參數(shù)，并提供類似與頻率分析儀的屏幕顯示，對這些功能具有不同功能不同規(guī)格的眾多儀器，我們應該視測試需要正確的選擇以達到最經(jīng)濟和最佳的應用效果。電子計數(shù)器是其它數(shù)字化儀器的基礎，在他的輸入通道接入各種模數(shù)變換器，再利用相應的換能器便制成各種數(shù)字化儀器。電子計數(shù)器的優(yōu)點是測量精度高，量程寬、功能多、操作簡單、測量速度快，直接顯示數(shù)字，而且易于實現(xiàn)測量過程自動化，在工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中得到廣泛的應用。頻率計的主要實現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式四種。直接式的優(yōu)點是速度快、相位噪聲低但結構復雜、雜散多，一般只應用在地面雷達中。鎖相式和直接數(shù)字式都同時具有容易實現(xiàn)產(chǎn)品系列化、小型化、模塊化和工程化的特點，其中鎖相式更是以其容易實現(xiàn)相位同步的的自動控制且低功耗的特點成為各種眾多業(yè)內人士的首選，應用最為廣泛。 本課題主要研究內容在本次設計中我們要以單片機 8051 為控制核心，設計出有數(shù)字顯示的簡易頻率計，同時要求檢測的電路，測量信號類型為方波、正弦波，測量范圍為，測量頻率為 1HZ1MHZ，測量誤差≤﹪，且有一個六位系統(tǒng)顯示電路，能循環(huán)顯示測量值。[鍵入文字]2 方案論證 數(shù)字頻率計測量方法的論證及選擇1. 直接測量法直接測量法：無需利用被測量與其他實測量之間的函數(shù)關系進行額外計算，就可直接得到被測量的值的測量方法。依據(jù)基本原理所實現(xiàn)的頻率、周期以及脈沖寬度的數(shù)字化測量是一種直接測量法，由于該方案比較簡單，若能夠滿足本題任務的要求則應作為首選方案。通過對測頻、測周期以及測脈沖寬度的數(shù)字化測量方法的基本原理及其測量誤差的分析，得知在被測信號的整個頻率范圍內，無論采用直接測頻或直接測周期的方法均不能全面滿足測試誤差≤%的要求。：間接測量法：通過對與被測量有已知關系的其他量進行直接測量，來確定被測量的值的測量方法。在實際應運中采用直接和間接測量相結合的測量方法中界頻率: fm = = 當 fx≥ fm 時, 直接測頻, 間接測周。 當 fx≤ fm 時, 直接測周, 間接測頻能使任務書提出的誤差要求得到滿足。（3）多周期同步測量法多周期同步測頻法，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，達到了在整個測量頻段等精度測量。根據(jù)任務書要求，因此采用上述（2） 、 （3）方案都能實現(xiàn)頻率的測量。但是本論文設計的是一個用單片機做為電路控制系統(tǒng)的數(shù)字式頻率計，采用（2）方??0TkS?10?kS[鍵入文字]案，操作麻煩，控制電路較復雜；采用（3）方案多周期同步測頻法，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 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，達到了在整個測量頻段等精度測量。因此，本次設計采用多周期同步測量法。在采用多周期同步等精度測量法的情況下，按照自頂向下的設計方法，可畫出該頻率計的系統(tǒng)框圖。如圖 21 所示。圖 21 頻率計的系統(tǒng)級框圖本設計任務書要求主要以單片機 8051 為核心，被測信號先進入信號放大電路進行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測的正弦波或者三角波整形為方波。利用單片機的計數(shù)器和定時器的功能對被測信號進行計數(shù)。編寫相應的程序可以使單片機自動調節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。 方案論證與選擇方案一主要由四個部分組成：信號整形部分、單片機控制部分、時基電路部分、數(shù)據(jù)鎖存部分、和數(shù)據(jù)顯示部分。整體框圖如圖 22 所示。單片機部分信號整形部分時基電路部分數(shù)據(jù)鎖存部分顯示部分[鍵入文字]圖 22 方案一系統(tǒng)結構框圖方案一基本流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形部分會將其整形成脈沖，另一方面，時基電路提供標準的時基脈沖，在其上升沿達到 1s 時結束計數(shù)。而在這 1 秒內測得的整形后的脈沖頻率就是待測信號的頻率。之后單片機送數(shù)據(jù)鎖存，并等待命令，若繼續(xù)測量則返回測量，此時仍可將數(shù)據(jù)送顯示，若無繼續(xù)測量命令則，直接送數(shù)據(jù)顯示。方案一優(yōu)缺點：這個方案的設計關鍵是 555 定時器構成的多諧振蕩器是否能夠提供標準的脈沖。實際上，在現(xiàn)實中是很難做到精確 1s 的。因此，如果這點把握不好將直接影響最后的精度。較為合理的解決辦法是，做實物時可以選擇其電容電阻的參數(shù)設定，用示波器先進行測量，直到取得較為滿意的結果。還有一個問題就是在測量某一段頻率時很有可能會出現(xiàn)偏差，如果它在某一段內都出現(xiàn)相同差值的偏差，我們可以進行人為的補償，這樣可以最大限度提高精確度。方案二：方案二由五個部分組成：信號整形部分、分頻處理部分、數(shù)據(jù)選擇部分、單片機部分和數(shù)據(jù)顯示部分。整體框圖如圖 23 所示。 圖 23 方案二結構框圖方案二工作流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形部分會將其整形成脈沖，經(jīng)過分頻器。分頻器出來得到兩個信號，一個給選擇器，一個給單片機，數(shù)據(jù)選擇器處理過后也將信號給單片機經(jīng)過處理、運算，最后將數(shù)據(jù)送給顯示部分，以用戶需要的形式顯示出來。方案二優(yōu)缺點：是利用了分頻器應對大量程的測量，相比于方案一它的優(yōu)勢是，如果待測頻率不大的話，是不用進行分頻的，即直接測量。這樣就不存在方分頻處理部分數(shù)據(jù)選擇部分信號整形部分 顯示部分單片機部分[鍵入文字]案一當中遇到的問題。但是方案二也有它的缺點，就是當待測頻率較大時要進行分頻，這樣做是對原頻率的破壞，很可能會出現(xiàn)較大的偏差。方案比較：這兩種方案各有其優(yōu)缺點，雖然在理想狀態(tài)下兩種方案都是可行的，但是，在本次設計中考慮到在目前的實驗條件下難以使用 555 定時器做到較為精準的 1s 計時，而且在測量小頻率時，方案二可以避免破壞原頻率而得到較準確的數(shù)據(jù)，本設計初衷也是通用型的，簡單實用符合要求就好，不必要的盡量省去，通過慎重考慮最終還是采用了方案二。通過方案二與多周期同步測量方法相結合可畫出該頻率計的子系統(tǒng)級總體框圖如圖 24 所示。該框圖可分為三個子系統(tǒng)：（1） 輸入通道（最左邊），該子系統(tǒng)主要由模擬電路組成；（2） 多周期同步等精度頻率、周期、時間等的測量控制及功能切換邏輯（中間部分），該子系統(tǒng)基本上由數(shù)字硬件電路組成：（3） 單片機及其外圍部件（最右邊）。 圖 24 頻率計的子系統(tǒng)級總體框圖 [鍵入文字]3 硬件電路的設計 8051 單片機的簡介單片機是 70 年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，包含CPU、RAM、ROM、I\O 接口和中斷系統(tǒng)。80 年代以來，單片機發(fā)展迅速，各類新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了許多高性能新型機種，現(xiàn)已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。8051 單片機內部包含了作為微型計算機所必須的基本功能部件，各功能部件相互獨立的集成在同一芯片上。8051 系列的基本結構如下：8 位 CPU ○ 14KB 字節(jié)掩膜 ROM 程序存儲器○ 2128 字節(jié)內部 RAM 數(shù)據(jù)存儲器 ○ 3兩個 16 位定時\計數(shù)器○ 41 個全雙工的異步串行口○ 55 個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制器○ 6時鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生 ～12 MHz 的時鐘頻率○ 7CPU 結構：8051 內部 CPU 是一個字長為二進制 8 位的中央處理單元，也就是他對數(shù)據(jù)的處理是按字節(jié)為單位進行的。8051 內部 CPU 也是由運算器、控制器和寄存器組三部分電路組成。1） 存儲器結構8051 結構提供給用戶 3 個不同的存儲空間，每個存儲空間包括從 0 到最大存儲范圍的連續(xù)字節(jié)地址空間。通過利用特定地址的尋址指令，解決了地址重疊的問題。第一個存儲空間是代碼段，用來存放可執(zhí)行代碼。被 16 位尋址，空間可達64K。代碼段是只讀的，當要對外存儲器件如 EPROM 進行尋址時，處理器會產(chǎn)生一個信號。但這并不意味著代碼區(qū)一定要用一個 EPROM。目前，一般[鍵入文字]使用 EPROM 作為外接存儲器，可以被外圍器件或 8051 進行改寫。這時系統(tǒng)更新更容易，新的軟件可以下載到 EPROM 中，而不用拆開它，然后裝入一個新的 EPROM。第二個存儲區(qū)是 8051 內的 128 字節(jié)內部 RAM。這部分主要是作為數(shù)據(jù)段，稱為 DATA 區(qū)。第三個存儲區(qū)是 64K 片外數(shù)據(jù)存儲器地址。2） I\O 端口I\O 端口又稱為 I\O 接口，也叫做 I\O 通道或者 I\O 通路。有串行和并行之分，串行 I\O 端口每次只能傳送一位二進制信息，并行 I\O 端口一次可以傳送一組二進制信息。8051 有四個并行 I\O 端口，分別命名 P0、PPP3，在這個并行 I\O 端口中，每個端口都有雙向 I\O 功能。數(shù)字頻率計硬件系統(tǒng)框圖：鍵盤輸入通道 圖 3—1 頻率計電路 8051 單片機的引腳及其功能 8051 有四十條引腳，共分為端口線、電源線和控制線。功能切換邏輯閘門A分頻器 0T8051ROM（2764）外擴 8155閘門 B顯示3[鍵入文字]圖 3—2 8051 的引腳（48） 口 8 位雙向口線（在引腳的 3932 號端子） 。○ 1 口 8 位雙向口線（在引腳 18 號端子） ?！?2