【文章內(nèi)容簡介】 83。 30 9 第一章概述 單片機(jī)即 MCU（ MICRO CTROL UNIT） 翻譯成中文就是微型控制單元。它的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。并且由于單片機(jī)具顯著的優(yōu)點(diǎn)，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。 頻率測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計(jì)通采用組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運(yùn)行速度慢，而且測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜直接使用。頻率信號(hào)抗干擾性強(qiáng)、易于傳輸 ,可以獲得較高的測(cè)量精度。同時(shí) ,頻率測(cè)量方法的優(yōu)化也越來越受到重視 .并采用 AT89C51片機(jī)和相關(guān)硬軟件實(shí)現(xiàn)。 MCS— 51 單片機(jī)具有體積小，功能強(qiáng)，性能 價(jià)格比較高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領(lǐng)域。我們研制的頻率計(jì)以 89c51，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好等特點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬頻域，高精度的頻率計(jì)，一種有效的方法是：在高頻段直接采用頻率法，低頻段采用測(cè)周法。一般的數(shù)字頻率計(jì)本身無計(jì)算能力因而難以使用測(cè)周發(fā)，而用 89c51 機(jī)構(gòu)成的頻率計(jì)卻很容易做到這一點(diǎn)。對(duì)高頻段和低頻段的劃分，會(huì)直接影響測(cè)量精度及速度。經(jīng)分析我們將 f=1MHz 做為高頻，采用直接測(cè)頻法；將 f=1Hz 做為低頻，采用測(cè)周期法。為了提高測(cè)量精度，我們又對(duì)高低頻再進(jìn)行分段。 以 89C51 機(jī)為控制器件的頻率測(cè)量方法，并用 C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)能控制，結(jié)合外圍電子電路，得以高低頻率的精度測(cè)量。最終實(shí)現(xiàn)多功能數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)頻率計(jì)的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種測(cè)試場所。 在基礎(chǔ)理論和專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過對(duì)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，用十進(jìn)制數(shù)字來顯示被測(cè)信號(hào)頻率的測(cè)量裝置。以精確迅速的特點(diǎn)測(cè)量信號(hào)頻率，在本設(shè)計(jì)在實(shí)踐理論上鍛煉提高了自己的綜合運(yùn)用知識(shí)水平，為以后的開發(fā)及科研工作打下基礎(chǔ)。 10 第二章 測(cè)量方法及設(shè)計(jì)方案 頻率測(cè)量方法 直讀法又稱無源網(wǎng)絡(luò)頻率特性測(cè)量法 。比較法 是將被測(cè)頻率信號(hào)與已知頻率信號(hào)相比較 ,通過觀、聽比較結(jié)果 ,獲得被測(cè)信號(hào)的頻率 。電容充放電式計(jì)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(cè)量充放電電流的大小 ,從而測(cè)出被測(cè)信號(hào)的頻率值 。電子計(jì)數(shù)法是根據(jù)頻率定義進(jìn)行測(cè)量的一種方法 ,它是用電子計(jì)數(shù)器顯示單位時(shí)間內(nèi)通過被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。 利用電子計(jì)數(shù)式測(cè)量頻率具有精度高、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)量過程自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn) .首先，被測(cè)信號(hào)通過放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計(jì)數(shù)脈沖。然后， N 將它 加到閘門的一個(gè)輸入端，閘門由門控信號(hào)來控制其關(guān)閉時(shí)間。計(jì)得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來。而由晶振產(chǎn)生的 1MHz 的振蕩信號(hào)經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個(gè) 10 分頻10s， 1s， ， ， 1ms，那么有 fx=N／ T 符合測(cè)頻定義。根據(jù) f=N／ T。不難看出，采用計(jì)數(shù)器測(cè)頻的測(cè)量誤差，一方面決定于閘門時(shí)間 T準(zhǔn)不準(zhǔn)確，即由晶振提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度 △ T／ T=(△ fo／ fo)；另一方面 決定于計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)準(zhǔn)不準(zhǔn)，即 177。1 誤差 ， △ N／ N=177。1 ／ N=177。(1 ／○XTfx) 。所以，計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要有兩 項(xiàng)，即 177。1 誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。測(cè)低頻時(shí)，由于 177。1 誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測(cè)頻方法。由于 fX 較低時(shí)，利用計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻，由 177。1 誤差所引起的測(cè)頻誤差將會(huì)大到不可允許的程度。所以，為了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，即減少 177。1 誤差的影響，可改成先測(cè)周期 Tx，然后計(jì)算 fx=1／ Tx。 設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)采用 MCS—— 51單片機(jī) 8032 作為控制核心，門控信號(hào)由 8032 內(nèi)部的計(jì)數(shù)定時(shí)器產(chǎn)生，單位為 1 181。s。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)高頻被測(cè)信號(hào)進(jìn)行硬件欲分頻處 理， 8032 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)。 頻率測(cè)量模塊 高精度恒誤差測(cè)頻法 通過對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法的與研究，結(jié)合高精度恒誤差測(cè)量原理，我們?cè)O(shè)計(jì)里一種測(cè)量精度與被測(cè)頻率無關(guān)的硬件測(cè)頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點(diǎn)數(shù)字運(yùn)算。 頻率測(cè)量模塊 對(duì)頻率測(cè)量模塊有以下四種實(shí)現(xiàn)方法： 11 （ 1）直接測(cè)頻法 直接測(cè)頻法是把被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個(gè)輸入端，只有在閘門開通時(shí)間 T（以秒計(jì)）內(nèi)，被計(jì)數(shù)的脈沖 被送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)器的值為 N，由頻率定義式可以計(jì)算得到被測(cè)信號(hào)頻率為 f=N/T 經(jīng)分析，本測(cè)量在低頻段的相對(duì)測(cè)量誤差較大。增大 T 可以提高測(cè)量精度，但在低頻段仍不能滿足該題發(fā)揮部分的要求。 （ 2）組合法 直接測(cè)量周期法在低頻段精度高。組合測(cè)頻法是指在低頻時(shí)采用直接測(cè)量周期法測(cè)信號(hào)周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補(bǔ)方法（ 1）的不足，但是難以確定最佳分測(cè)點(diǎn)，且電路實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。 （ 3）倍頻法 直接測(cè)頻法在高頻段有著很高的精度?？梢园杨l率測(cè)量范圍分成多個(gè)頻段，使用倍頻技術(shù)，根據(jù)頻 段設(shè)置倍頻系數(shù)將經(jīng)整形的低頻信號(hào)進(jìn)行倍頻后再進(jìn)行測(cè)量，高頻段則進(jìn)行直接測(cè)量。 （ 4）高精度恒誤差測(cè)頻法 通過對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法的與研究，結(jié)合高精度恒誤差測(cè)量原理，我們?cè)O(shè)計(jì)里一種測(cè)量精度與被測(cè)頻率無關(guān)的硬件測(cè)頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點(diǎn)數(shù)字運(yùn)算。 以上四種方法中，倍頻法雖然在理論上可以達(dá)到很高的精度，但在低頻段，就目前常規(guī)的鎖相器件而言，鎖相電路工作性能不理想，頻率小于 looHz 時(shí)甚至不能工作 . 前三種方法本質(zhì)上都是立足于頻率基本定義，沒有擺脫傳統(tǒng)的測(cè)量方法的局限。從下文的詳細(xì)論述中可以看出，用 方法 (4)可以用單片機(jī)程序方便地完成寬位浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。 基于上述論證及第二部分中詳細(xì)的理論分析，我們擬選擇方法 (4)。 周期測(cè)量模塊 (1)直接周期測(cè)量法 用被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后形成的方波信號(hào)直接控制計(jì)數(shù)門控電路，使主門開放時(shí)間等于信號(hào)周期 Tx,時(shí)標(biāo)為 Ts 的脈沖在主門開放時(shí)間進(jìn)入計(jì)數(shù)器。設(shè) T為被測(cè)周期， Ts 為時(shí)標(biāo)，在 Ts期間計(jì)數(shù)值為 N，可以根據(jù)以下公式來算得被測(cè)信號(hào)周期 Tx=NTs 經(jīng)誤差分析表明，被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量誤差越大。 采用對(duì)多個(gè)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)取平均值 的方法雖可提高精皮，但如果要達(dá)到賽題要求，測(cè)量頻率為 0． 1Hz 信號(hào)時(shí)，每測(cè)一次至少要等待 1000s，顯然是不可取的。 (2)高料度恒誤差周期測(cè)量方法 本方法在測(cè)量電路和測(cè)量精度上與高精度恒誤差頻率測(cè)量完全相同，只是在進(jìn)行計(jì)算時(shí)公式不同，用周期 T代換高精度 12 恒誤差頻率測(cè)量公式中的頻率因數(shù)即可 ,計(jì)算公式為 : Tx=(TsNs)/Nx 式中， Tx為被測(cè)信號(hào)周期的測(cè)量值， Ns,Nx 分別與(1— 2)式中的 Ns,Nx 含義相同。 從降低電路的復(fù)雜度及提高招度上考慮、顯然方法 (2)遠(yuǎn)好于方法 (1)，方法(2)的測(cè)量 電路完全可以使用高精度恒誤差頻率測(cè)量電路 o 脈沖信號(hào)占空比測(cè)量模塊 在進(jìn)行脈沖寬度的測(cè)量時(shí)，首先經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，限制只有信號(hào)的 50％幅度及其以上部分才能輸入數(shù)字測(cè)量部分。脈沖邊沿被處理得非常陡峭，然后送入測(cè)量計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量。 測(cè)量電路在檢測(cè)到脈沖的上升沿時(shí)打開計(jì)數(shù)器，在下降沿時(shí)關(guān)掉計(jì)數(shù)器。由下式 Twx=Nx/Fs 可知計(jì)數(shù)值既為測(cè)得的脈沖寬度。 測(cè)一個(gè)脈沖信號(hào)的脈寬，記其值為 Twx1；信號(hào)反相后 ,再測(cè)一次脈寬并記錄其值 Twx2,通過以下公式汁算： 占空比 =[Twx1/(Twx1+Twx2)]100% 標(biāo)頻發(fā)生電路和信號(hào)處理部分 本模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的恒溫可微調(diào)的晶體振蕩器作標(biāo)頻發(fā)生電路 小信號(hào)處理部分受限于寬帶放大器的性能，放大電路需要附有高速整形電路。有以下幾種方案。 (1)采用分立元件 使用場效應(yīng)管做輸入級(jí)，以提高輸入阻抗。用截止頻率1000 的三極管如 9018 做放大級(jí)。由于電路復(fù)雜，要調(diào)節(jié)部分較多，且一致性差，故不采用。 (2)采用運(yùn)算放大器 電路簡潔，但因?yàn)榕c TTL 電平接口而另需電平移位電路。并且要用運(yùn)放做一高速寬帶放大器，市 場上難以買到高速運(yùn)放，應(yīng)用受到了限制。 (3)立接采用比較器 采用比較器可以簡單地完成設(shè)計(jì)。采用高速比較器LM361 可以處理高達(dá) 10 MHz 的插入信號(hào)。 LM961 有低輸入失調(diào)電壓和電壓范圍靈活等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間最大僅 20ns，輸出電平可與 TTL 電平相匹配。 綜合考慮，本部分電路采用方案 (3)。比較器輸入易受干擾，因此電路上采用凈化電源并合理安排地線。經(jīng)最后實(shí)測(cè)，輸入靈敏度 4mV 左右，完全滿足小信號(hào)測(cè)量的需要 13 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 硬件的功能由總體設(shè)計(jì)所 規(guī)定，硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時(shí)做一些部件實(shí)驗(yàn)，以確定電路圖的正確性，以及工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工、印制板的制作、樣機(jī)的組裝等。 整個(gè)單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)為單片機(jī)控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個(gè)模塊都承擔(dān)著各自的任務(wù)。 設(shè)計(jì)單片機(jī)模塊，考慮到 單片機(jī)本身 的外圍電路較多，所以在單片機(jī)模塊方面需要極為小心。 根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)思路（如圖 3－ 1）對(duì)單片機(jī)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，要使單片機(jī)準(zhǔn)確的測(cè) 量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且使測(cè)出的數(shù)據(jù)能顯示出來，所以整個(gè)單片機(jī)部分分為傳感器電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個(gè)部分。 單片機(jī)我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 4－ 1)，相較于 INTEL 公司的 8051它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍 可編程可擦除只讀存貯器 （ FPEROM— Fal