【正文】 第一章 引言 選題的目的意義數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期信號(hào)的頻率。其基本原理就是用閘門(mén)計(jì)數(shù)的方式測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)。頻率是單位時(shí)間（ 1s ）內(nèi)信號(hào)發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1s 時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)，就能讀取被測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算后顯示出來(lái)。頻率測(cè)試是電子學(xué)中最基本的測(cè)量之一。 數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字，顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精度高，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計(jì)。數(shù)字頻率計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式三種。直接式的優(yōu)點(diǎn)是速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達(dá)中。鎖相式的優(yōu)點(diǎn)是相位同步自動(dòng)控制，制作頻率高，功耗低，容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。直接數(shù)字式的優(yōu)點(diǎn)電路穩(wěn)定、精度高、容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。隨著單片鎖相式數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展，鎖相式和數(shù)字式容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化，性能也越來(lái)越好，已逐步成為兩種最為典型，用處最為廣泛的數(shù)字頻率計(jì)。數(shù)字頻率計(jì)可用純硬件實(shí)現(xiàn)法（可選的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成電路、專用集成電路、可編程邏輯器件等），也可用純軟件實(shí)現(xiàn)法（可選的平臺(tái)有PC機(jī)、單片機(jī)、 DSP器件等）；一般考慮用軟硬件相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)法，但是實(shí)現(xiàn)的頻率精度可能沒(méi)有純硬件實(shí)現(xiàn)的精確高。 國(guó)內(nèi)外研究綜述 在電子測(cè)量領(lǐng)域中，頻率測(cè)量的精確度是最高的，可達(dá)10—10E13數(shù)量級(jí)。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動(dòng)、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉(zhuǎn)換成信號(hào)頻率，然后用數(shù)字頻率計(jì)來(lái)測(cè)量，以提高精確度。 由于大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，數(shù)字頻率計(jì)發(fā)展進(jìn)入了智能化和微型化的新階段。其功能進(jìn)一步擴(kuò)大，除了測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算方均根值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等功能。此外，還能測(cè)量電壓、電流、阻抗、功率和波形等。國(guó)際國(guó)內(nèi)通用數(shù)字頻率計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)：足夠?qū)挼臏y(cè)量范圍。人們對(duì)頻率測(cè)量的范圍的追求是無(wú)止境的，在某些特殊的測(cè)試場(chǎng)合，要求頻率計(jì)的測(cè)量范圍足夠?qū)?，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，特別是高速芯片技術(shù)的發(fā)展，有些頻率計(jì)數(shù)器能夠直接測(cè)量。例如100GHz以上的頻率，在機(jī)動(dòng)車的防撞雷達(dá)和低功率通訊中繼站就需要這種性能的頻率計(jì)。高精度和高分辨率。精度是指測(cè)量的準(zhǔn)確程度，即儀器的讀數(shù)接近實(shí)際信號(hào)頻率的程度，精度越高測(cè)量越準(zhǔn)確。分辨率表明多么小的頻率變化可能在儀器上顯示出來(lái)。晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度 晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，是決定頻率計(jì)測(cè)量誤差的一個(gè)重要指標(biāo)。輸入靈敏度 輸入靈敏度是指在側(cè)頻范圍內(nèi)能保證正常工作的最小輸入電壓。 數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)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(jì)作為一種電子測(cè)量?jī)x器，其發(fā)展趨勢(shì)主要向以下三個(gè)方向發(fā)展。發(fā)展趨勢(shì)之一：從以前的模擬器件設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字芯片設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)。這樣的轉(zhuǎn)變使得頻率計(jì)的設(shè)計(jì)更趨于自動(dòng)化、智能化。現(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(jì)正是朝著這個(gè)方向發(fā)展。發(fā)展趨勢(shì)之二：在功能上從以前的僅實(shí)現(xiàn)單一頻率測(cè)量擴(kuò)展到還能測(cè)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(shí)現(xiàn)是以強(qiáng)大的軟件技術(shù)做后盾的。以后的頻率計(jì)等測(cè)量?jī)x器將在編程語(yǔ)言的不斷優(yōu)化下，數(shù)字技術(shù)的不斷完善下實(shí)現(xiàn)更多的功能。發(fā)展趨勢(shì)三：頻率計(jì)虛擬化。隨著計(jì)算機(jī)的普及，利用計(jì)算機(jī)做顯示和操作平臺(tái)的虛擬儀表，也越來(lái)越被廣泛運(yùn)用。32 第二章 方案論證 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量方法測(cè)量頻率的方法很多，本次設(shè)計(jì)采用的是電子計(jì)數(shù)式。電子計(jì)數(shù)式的測(cè)頻方法主要有以下幾種：脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法（M法），脈沖周期測(cè)頻法（T法），脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法(AM法)，脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法(AT法) ，脈沖平均周期測(cè)頻法(M/ T法)，多周期同步測(cè)頻法。脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法(M 法):此法是記錄在確定時(shí)間 Tx內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù) Mx，則待測(cè)頻率為:Fx=Mx/Tx ，顯然,時(shí)間 Tx 為準(zhǔn)確值,測(cè)量的精度主要取決于計(jì)數(shù) Mx的誤差。其特點(diǎn)在于:測(cè)量方法簡(jiǎn)單；測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)頻率和門(mén)控時(shí)間有關(guān) ,當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí) ,誤差較大。脈沖周期測(cè)頻法(T法):此法是在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期 Tx內(nèi),記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)變化次數(shù) Mo。這種方法測(cè)出的頻率是:Fx=Mo/Tx，此法的特點(diǎn)是低頻檢測(cè)時(shí)精度高 ,但當(dāng)高頻檢測(cè)時(shí)誤差較大。 脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法(AM法):此法是為克服M法在低頻測(cè)量時(shí)精度不高的缺陷發(fā)展起來(lái)的。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= Mx/ATo 其特點(diǎn)是待測(cè)信號(hào)脈沖間隔減小 ,間隔誤差降低。精度比 M法高A倍 ,但控制電路比較復(fù)雜。脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法(AT法):此法是為了提高T法高頻測(cè)量時(shí)的精度形成的。由于T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=AMo/Tx，其特點(diǎn)是高頻測(cè)量精度比T法高A倍。但控制電路也較復(fù)雜。 脈沖平均周期測(cè)頻法(M/T法):此法是在閘門(mén)時(shí)間 Tc內(nèi),同時(shí)用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別記錄待測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù) Mx 和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的脈沖數(shù)Mo 。若標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為Fo ,則待測(cè)信號(hào)頻率為:Fx = FoMx/Mo，M/T法在測(cè)高頻時(shí)精度較高；但在測(cè)低頻時(shí)精度較低。 多周期同步測(cè)頻法:此法是由閘門(mén)時(shí)間Tc與同步門(mén)控時(shí)間Td共同控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的一種測(cè)量方法,待測(cè)信號(hào)頻率與 M/ T法相同。此法的優(yōu)點(diǎn)是,閘門(mén)時(shí)間與被測(cè)信號(hào)同步,消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的177。1個(gè)字誤差,測(cè)量精度大大提高 ,且測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān),達(dá)到了在整個(gè)測(cè)量頻段等精度測(cè)量。 幾種方案的優(yōu)劣討論方案一、傳統(tǒng)的頻率計(jì)。該系統(tǒng)測(cè)頻部分采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路,用機(jī)械式功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)換擋,能可靠地完成頻率計(jì)的基本功能,但由于完成功能所需元器件較多,電路過(guò)于復(fù)雜,而且多量程換擋開(kāi)關(guān)使用不便。通道放大主門(mén)計(jì)數(shù)、鎖存、顯示電源門(mén)控晶體振蕩源分頻方案二、系統(tǒng)采用可編程邏輯器件(PLD，如ATV 2500)作為信號(hào)處理及系統(tǒng)控制核心，完成包括計(jì)數(shù)、門(mén)控、顯示等一系列工作。該方案利用了PLD的可編程和大規(guī)模集成的特點(diǎn)，使電路大為簡(jiǎn)化，但此題使用PLD則不能充分發(fā)揮其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并且測(cè)量精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能價(jià)格比降低、系統(tǒng)功能擴(kuò)展受到限制。晶體產(chǎn)生的高頻信號(hào)由PLD進(jìn)行的多級(jí)分頻通道PLD計(jì)數(shù)及BCD譯碼顯 示 方案三、采用頻率計(jì)模塊(如 ICM7216)構(gòu)成，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,量程可以自動(dòng)切換。 ICM7216內(nèi)部帶有放大整形電路 ,可以直接輸入模擬信號(hào)。外部振蕩部分選用一塊高精度晶振體和兩個(gè)低溫系數(shù)電容構(gòu)成10MHz并聯(lián)振蕩電路。用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇 10ms ,0. 1s ,1s ,10s 四種閘門(mén)時(shí)間 ,同時(shí)量程自動(dòng)切換。 ICM7216顯示晶 振模擬信號(hào)方案四、系統(tǒng)采用MCS51系列單片機(jī)AT89C51作為控制核心，門(mén)控信號(hào)由AT89C51內(nèi)部的計(jì)數(shù)定時(shí)器產(chǎn)生，由于單片機(jī)的計(jì)數(shù)頻率上限較低（12MHz晶振時(shí)約500KHz），所以需對(duì)高頻預(yù)測(cè)信號(hào)進(jìn)行硬件預(yù)分頻處理，AT89C51則完成運(yùn)算、控制及顯示功能。由于使用了單片機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展與改進(jìn)。脈沖形成電路分頻電路主 控AT89C51單片機(jī)LCD顯示閘門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)控信號(hào) 本次設(shè)計(jì)采用的方案及選用依據(jù)方案一采用的是中小規(guī)模數(shù)字集成電路，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的測(cè)量，但其功能擴(kuò)展不易實(shí)現(xiàn)，智能化程度也不高，不符合目前數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展要求。方案二利用了PLD的可編程和大規(guī)模集成的特點(diǎn)，使電路大為簡(jiǎn)化，但測(cè)量精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)性價(jià)比降低，系統(tǒng)功能擴(kuò)展受到限制。方案三的設(shè)計(jì)思路是非常簡(jiǎn)單的，電路也不復(fù)雜，但由于它采用的是專用頻率計(jì)模塊設(shè)計(jì),不符合我們的設(shè)計(jì)要求，所以就不予考慮了。本數(shù)字頻率計(jì)采用單片機(jī)AT89C51作為控制核心，門(mén)控信號(hào)由AT89C51內(nèi)部的計(jì)數(shù)/定時(shí)器產(chǎn)生。采用一個(gè)LCD1602顯示器動(dòng)態(tài)顯示6位數(shù)。測(cè)量范圍從1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波。由于本人水平有限，最后采用電子計(jì)數(shù)式測(cè)量方法中的脈沖定時(shí)測(cè)頻法，其具有精度高、測(cè)量范圍寬、顯示醒目直觀、測(cè)量迅速以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量