【正文】 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。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(zhǔn)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(dāng)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。 1 誤差，第二項為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通?？珊雎圆挥嫛ＴO(shè)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。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。通過 A倍頻，把待測信號頻率放大 A倍，以提高測量精度。 2． 1． 3 測頻 測周結(jié)合法 鑒于兩種測量方法的測量缺陷。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。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。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(yù) 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(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhǔn)頻率信號 B 進行“與”操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列 C。設(shè)置預(yù)置閘門時間 T1，同步控制電路使計數(shù)時間 T2延長至被測信號脈沖的整數(shù)倍，使計數(shù)時間與被測信號脈沖保持同步，大大提高了測量精度，測量原理圖如下： 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計思路及方案分析 ABA ’B ’C閘 門 信 號1 0 0 m s 定 時DT1實 際 閘 門1 0 0 m sΔ t 圖 25 測相等精度測量原理圖 其系統(tǒng)框圖為： 放 大整形A ’AB B ’ 鑒 相 器C+同 步 閘 門 分 頻8 M H ZT 1 I N T 1 I N T 0 T 0 P 1 . 08 9 C 5 1 晶 振 信 號 圖 26 測相系統(tǒng)框圖 其中 8MHZ 的晶振信號的由下圖產(chǎn)生 : 11 13 6 0 Ω3 6 0 Ω0 . 0 1 u F8 M H Z8 M H Z 圖 27 8MHZ晶振產(chǎn)生電路 這是在多諧震蕩器電路中接入石英晶體 ,組成的石英晶體多諧震蕩器 .輸出的頻率穩(wěn)定性比較高 ,精度高 . 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計思路及方案分析 這種方法是對前一種的完善，都是將相位差轉(zhuǎn)化成時間 測量的方式，但前一種誤差較大，精度不高，后一種采用多周期等精度測量的方法，通過同步控制器，使測量閘門控制寬度是被測信號的的整數(shù)倍，提高的精度，同時擴展了測量的范圍，對高頻采用了分頻技術(shù)，要直接測到頻率太高的信號，硬件設(shè)備要求也必須高，成本也高，為減少成本，提高測量范圍，對頻率太高 的信號在測量前對它實行分頻，例如 100MHZ 的信號經(jīng)過 200 分頻后就成 500KHZ，這樣的頻率 89C51 單片機是能接受的，實現(xiàn)了測量范圍的擴展。該四放大器可以工作在低到 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流大致為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一（對每一個放大器而言）。②真差動輸入級。⑤共模范圍擴大到負電源。 LM324 的引腳排列見圖 31。這樣設(shè)計的同相交流放大器的輸入阻抗高， R1 和 R2提供基準(zhǔn)偏置電壓為 1/2Vcc，保證輸出的波形不失真的被放大，如果不提供偏置電壓，那么只有正半周期的信號能通過，負半周期的信號就被隔掉了。其電路圖 + L M 3 2 4+ 5 V 5 V+u iR f 1R f 2RU 0+C i ttu iu 0 圖 34 放大電路 2 圖 35放大信號 2 放大倍數(shù) AV=1+Rf1/Rf2,R為匹配電阻，一般取值為 Rf1與 Rf2的并聯(lián)電阻值。外型及管腳排列如下圖所示： 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路 圖 36 LM339引腳圖 LM339 類似于增益不可調(diào)的運算放大器。當(dāng)“ +”端電壓高于“ ”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。R 上 拉U 0DWR 1 圖 37 整形電路 要將正弦波進行整形，將 LM339 構(gòu)成遲滯比較器，跳變點為一固定值，由 R1 和滑動變阻器來決定跳變電壓，選擇跳變值大致為 2伏， R1 為 10K。因設(shè)計要求測頻范圍是東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路 0— 10KHZ，是以單片機為核心的，從理論上講，當(dāng)單片機系統(tǒng)的時鐘頻率為 12MHZ時，其內(nèi)部計數(shù)器的最大計數(shù)頻率為 500KHZ，考慮到信號的占空比等因素，實際測量的最高頻率低于 500KHZ。它的工作方式 2 是一種具有自動裝入時間常數(shù)的 N 分頻器。 要不要分頻是用軟件來判斷自動實現(xiàn)的，利用 GATE 的控制作用，把它與單片機的一個 I/O 口 ，用其來控制計數(shù)器的工作，當(dāng)軟件識別不需要分頻時，使 GATE為低電平，計數(shù)器不工作，當(dāng)需要分頻時，把 GATE 門打開，設(shè)置好分頻數(shù) N，就能實現(xiàn)所需的分頻了。在測量開始后，利用單片機的 作為預(yù)置門信號 Tg 的輸出線，當(dāng) =1 時，在被測信號的上升沿作用下 D 觸發(fā)器的輸出Q=1，使得單片機的 同時為 1，啟 動單片機內(nèi)部的定時 /計數(shù)器開始工作。顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。當(dāng) 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路 并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0的狀態(tài)。 74LS164 將串行數(shù)據(jù)換成并行數(shù)據(jù)，進行鎖存。共陽極的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管接低電平時，發(fā)光二極管被電亮，相應(yīng)的段被顯示。 使用這 種方法主程序可不必掃描顯示器，從而單片機可以進行下一測量。警報電路是用硬件來實現(xiàn)的，先將頻率轉(zhuǎn)換成電壓，并計算出 8MHZ 頻率轉(zhuǎn)換出的電壓，設(shè)值為 V1，再用一電壓比較器把轉(zhuǎn)換后的電壓與 V1進行比較，如果比 V1 值大，說明所測頻率超限，那么啟動報警信號使蜂鳴器響，并與單片機相連控制顯示器使其不顯示。電容 C2的值取決于紋波電壓的大小和實際應(yīng)用中所需要的響應(yīng)時間。 C2為 ， 8MHZ所對應(yīng)的電壓為 。其電路實現(xiàn)圖如下所示： +R 1R 2V 0 u tL M 3 3 9V c cP 1 . 5 P 1 . 61壓 電 式蜂 鳴 器+ 5 VA T 8 9 C 5 17 4 L S 0 4 圖 313 報警電路 3． 2 測相電路設(shè)計 3． 2． 1 前級放大整形電路 這部分電路主要是由電壓跟隨器 .放大器和比較器組成的，可完成對兩列同頻信號的放大 .整形，取出相位差信號。其電路圖如下所示： 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路 + 5 V+ 5 VL M 3 2 4L M 3 2 4++ 5 v+ 5 v1 0 k2 0 k1 . 1 k+ 5 v1 0 k2 0 k1 . 1 k+L M 3 2 4L M 3 2 4f 1f 2 f 1 39。 用 LM339 構(gòu)成遲滯回環(huán)比較器，目的是為了有效地避免過零信號的干擾和抖動所引起的電壓跳變，在單限比較器中，輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出的躍變，不管這種微小變化是源于輸入信號還是外部干擾，遲滯比較器具有滯回特性，具有一定的抗干擾能力，兩閥值電壓的差值愈大，電路的抗干擾能力愈強。A 5 v 圖 315 前級整形電路 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路 在此，設(shè)置比較起的跳變電壓為 1 伏，由 對電壓的分壓得到，選擇 R1 為20K， R2 為 60K（三個 20K 的電阻串聯(lián)得到）， Rf 為 20K。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路 顯示部分：因設(shè)計要求兩信號差小于 90 度，用兩片數(shù)碼管就可以滿足設(shè)計要求了，同樣是用串行口擴展并行口，接兩片數(shù)碼管就可以了。這樣人們就可以知道超前和滯后了。 4． 2 系統(tǒng)流程設(shè)計 鑒于測頻和測相所用設(shè)計思路相同，即等精度法。工作寄存器 .定時 /計數(shù)器的工作方式，設(shè)立標(biāo)志位（用來判斷被測信號是否 要分頻），外部計數(shù)器清零，清同步預(yù)置門，存儲單元清空 .定時 /計數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路 4． 3 總體流程圖 開 始初 始 化 設(shè) 置打 開 預(yù) 置 閘 門啟 動 定 時 /計 數(shù) 器延 時 1 S關(guān) 閉 預(yù) 置 門數(shù) 據(jù) 處 理需 分 頻 嗎打 開分 頻器 的G A T E 0 門YN送 顯查 詢 P 1 . 5 狀 態(tài)為 高 電 平 嗎置 P 1 . 6 = 1 使蜂 鳴 器 響延 時 1 S置 P 1 . 6 = 0 停 止蜂 鳴 器 發(fā) 音結(jié) 束開 始初 始 化 設(shè) 置打 開 預(yù) 置 閘 門啟 動 定 時 /計 數(shù) 器延 時 1 S關(guān) 閉 預(yù) 置 門數(shù) 據(jù) 處 理需 分 頻 嗎打 開 分 頻 器 的 G A T E 0 門YN查 P 1 . 2 狀 態(tài) 控 制 發(fā) 光 二 極管 顯 示 相 位 超 前 或 滯 后送 顯打 開 分 頻 器 的 G A T E 1 門分 頻 晶 振 信 號 圖 41 測頻流程圖 圖 42測相流程圖 東華理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)論和分析 結(jié)論與分析 本文介紹了一種基于單片機 89C51 制作的頻率 .相位計的設(shè)計方法，所制作的頻率 .相位計需要的外圍器件比較少，電路結(jié)構(gòu)簡單，適宜用于嵌入式系統(tǒng)。這是一般頻率計所沒實現(xiàn)的。這種方法就