【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝。為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)。人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。案以及測量后的結(jié)果都有密切關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要?；癁轭l率信號是低成本實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率測量和高抗干擾的經(jīng)典做法。湊、體積小，可靠性高，測量頻率范圍寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)部分，具體介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方。部分，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對頻率的測量顯示。

　　

【正文】 可以比較清楚制定頻率測量的方案以及實(shí)現(xiàn)方式， 整個(gè) 測量 系統(tǒng)在硬件上可分為 測量 模塊 、整形、分頻模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊四 個(gè)部分 。 信號預(yù)處理電路應(yīng)包括 信號放大 、波形整形器和分頻器 3個(gè)模塊 。 輸入信號經(jīng)過三運(yùn)放放大后，由 施密特 對其波形整形， 被測信號不是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL電平 不能被單片機(jī)測量 ，所以要用到電壓比較器對信號整形。電壓比較器是對信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路 ， 可以將非標(biāo)準(zhǔn)波形轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號， 使其輸出的信號與后級電路相兼容的脈沖信號。第三級采用 12 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器 4040 ,對整形后的信號進(jìn)行分頻 , 然后通過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，由 LCD1602 顯示，如圖 ： 三 運(yùn) 放 分 頻 單 片 機(jī)L C D 1 6 0 2輸 入 信 號整 形 圖 系統(tǒng)硬件框圖 頻率信號的 測 量 由于單片機(jī)具有程序運(yùn)算功能，且頻率為周期的倒數(shù)，使頻率測量與周期測量可以互通。頻率測量的基本 原理：按照頻率的定義，即單位時(shí)間內(nèi)周期信號的發(fā)生次數(shù)，晶體振蕩器為單片機(jī)提供了振蕩信號。 目前測 量 頻 率 方法可以有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法 ： 1． 測頻法 測頻法是記錄在單位時(shí)間 0T 內(nèi)待測信號的脈沖個(gè)數(shù) N,待測頻率 ： , 其中 0T 又稱為閘門時(shí)間。待測信號的脈沖是在閘門時(shí)間內(nèi)送入計(jì)數(shù)器的。由于閘門的開與閉和計(jì)數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 脈沖的送入在時(shí)間關(guān)系上是隨機(jī)的 , 這樣將產(chǎn)生極限范圍為177。 1 的計(jì)數(shù)誤差 , 測頻相對誤差由177。 1/0N決定 。 對于同一被測頻率信號 , 選取閘門時(shí)間愈長 , 誤差越小 ； 當(dāng)取一定閘門時(shí) , 被測頻率越高 , 誤差越小。從而使得測量精度隨被測信號頻率的下降而降低。這種方法測量系統(tǒng)簡單 ， 測量輸出速度快 ， 只適用于高頻的測量。 2． 測周法 測周法是在待測信號的一個(gè)周期 xT 內(nèi) , 記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號變化次數(shù) 0N 。這種方法測出的頻率是 : 0 xxf N T?, 該方法同樣 存在177。 1/ 0T 的量化誤差。對于同一標(biāo)準(zhǔn)信號 , 被測信號周期越大 , 計(jì)數(shù)值 0N 越大量化誤差177。 1/ 0T 越小 , 測量誤差 越小 ； 當(dāng)被測信號周期不變 , 選用的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號越大 , 同樣計(jì)數(shù)值 0N 越大 , 量化誤差177。01N 越小 , 測量誤差越小。相反的存在測量精度隨被測信號頻率 的升高而降低的缺陷。這種方法測量系統(tǒng)簡單 , 測量輸出速度快 , 只適用于低頻的測量。 3． 倍頻 法 倍頻測頻法是為了克服測頻法在低頻測量時(shí)精度不高的缺陷發(fā)展起來 的， 通過 A 倍頻 , 把待測頻率放大 A倍。其中 A是根據(jù)被測頻率信號為可變的 , 即當(dāng)?shù)皖l時(shí) A值大 , 高頻時(shí) A值小 , 其 值由測量過程經(jīng)過反饋可編程決定 ,待測頻率 : 0xxf N AT?這時(shí)同樣存在177。 ? ?01 AN 量化誤差 , 不過精度提高到原來的 A倍。其特點(diǎn)是待測信號脈沖間隔誤差降低 , 但測頻程序、倍頻控制電路較復(fù)雜。 4. 平均周期測頻法 平均周期測頻法 是在閘門時(shí)間 Tc內(nèi) ， 同時(shí)用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別記錄待測信號的脈沖數(shù)Mx 和標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù) Mo， 若標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為 Fo， 則待測信號頻率為 : Fx = FoMx/Mo，M/T 法在測高頻時(shí)精度較高 ； 但在測低頻時(shí)精度較低。 5. 多周期同步測頻法（ 等精度測 頻） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 多周期同步測頻法 是由閘門時(shí)間 Tc 與同步門控時(shí)間 Td 共同控制計(jì)數(shù)器計(jì)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(diǎn)是 ， 閘門時(shí)間與被測信號同步 ， 消除了對被測信號計(jì)數(shù)產(chǎn)生的 177。1 個(gè)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) ， 達(dá)到了在整個(gè)測量頻段等精度測量 。 6. 分頻測頻法 分頻測頻法是為了提高測周期法高頻測量時(shí)的精度形成的。由于測周期法要求待測信號周期不能太短 ， 所以可通過 A分頻使待測高頻信號的周期擴(kuò)大 A倍。同樣其中 A是根據(jù)被測頻率信號為可變的 , 不過當(dāng)?shù)皖l時(shí) A值小 , 高頻時(shí) A值大 ， 具體值也由測量過程經(jīng)過反饋可編程決定。其待測頻率為 : 0 xxf AN T?， 其特點(diǎn)是高頻測量精度比測周期法提高 A倍， 多周期同步測頻原理及誤差分析 多周期測頻是在測周的基礎(chǔ)上，在信號的多個(gè)時(shí)間周期內(nèi)測量信號的頻率。由于被測信號控制門控信號的開啟，所以稱為同步測量。由于測頻和測周都會產(chǎn)生177。 1誤差 (計(jì)數(shù)脈沖和門控信號不同步而產(chǎn)生 )和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 (所使用的晶振不穩(wěn)定引起 )，且177。 1誤差較標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差更大，多周期同步測頻也就是使測量的引誤差盡可能小。測量原理如圖 ： 圖 測量原理圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 被測信號xf和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號0f分別作為計(jì)數(shù)器 A和 B的計(jì)數(shù)脈沖，同 步門信號作為主門 A和 B的門控信號，而同步門信號由被測信號xf和時(shí)間控制器共同控制。被測信號作為同步門的觸發(fā)信號，時(shí)間控制器控制同步門的預(yù)置時(shí)間 Tˊ。開始測量時(shí)，稍滯后的預(yù)置時(shí)間處于被測信號的某一周期低電子或高電子處，同步門尚未開啟，這時(shí)被測信號和晶振脈沖信號都不會被計(jì)數(shù)。只有當(dāng)被測信號下一個(gè)周期的上升沿到達(dá)時(shí)同步門才開啟 (這里假定觸發(fā)器為上升沿觸發(fā) )，被測信號和晶振脈沖信號才 開始計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)間控制器預(yù)置時(shí)間了，結(jié)束時(shí)，同步門不會立即關(guān)閉，而是等到被測信號下一個(gè) 上升沿到來時(shí)才關(guān)閉。這時(shí)計(jì)數(shù)器 A和 B都停止計(jì)數(shù)，實(shí)際上同步門的開啟時(shí)間為 T而不是 Tˊ ， 所以可以得到： 0xT NTMT?? 0xMNff? （ 31） 其中： T為同步門控時(shí)間；xf（ xT ）為被測信號頻率 (周期 )；0f ( 0T )為標(biāo)準(zhǔn)晶振信號頻率 (周期 )； M為計(jì)數(shù)器 A的計(jì)數(shù)值； N為計(jì)數(shù)器 B的計(jì)數(shù)值。 根據(jù)誤差傳遞公式可以得到被測信號頻率的相對誤差 00xxMNMNff??? ? ??? （ 32） 其中： 00ff? 為標(biāo)準(zhǔn)晶振的頻率準(zhǔn)確度 ； MM? 為計(jì)數(shù)器 A的計(jì)數(shù)相對誤差； NN?為計(jì)數(shù)器 B 的計(jì)數(shù)相對誤差。 由于計(jì)數(shù)器 A的計(jì)數(shù)是在與被測信號相關(guān)的同步門 T進(jìn)行的，被測信號又作為同步門的觸發(fā)信號，且為整數(shù)，故被測信號的計(jì)數(shù)值 M不存在計(jì)數(shù)誤差，即 0MM??。所以稱內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 這種測量誤差與被測信號無關(guān)的測量方法為同步測量。但由于晶振信號與門控信號不相關(guān)，門 B必會產(chǎn)生量化誤差，所以 N? 177。 1。而 00xNT T M T T?? ， M 越大時(shí)， N 就越大， NN? 就越小減，所以進(jìn)行多周期測量能小測量誤差。由此可見，這種多周期同步測頻法較簡單的測頻測周法能明顯提高測量的準(zhǔn)確度，而且測量誤差與被測信號頻率無關(guān)，可以省去計(jì)算中界頻率和選擇測量模式；但由于 NN? 的存在，而且 NN? 也遠(yuǎn)大于 ff? （目前雙 恒溫晶振的頻穩(wěn)度可達(dá) 1110? ~ 1210? 數(shù)量級 )，所以這種測量模式對于要求 710? 以上的高準(zhǔn)確度測量仍不能滿足需要，這種測量只能稱作準(zhǔn)同步測量。 多周期完全同步測頻原理 完全同步測量就是門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都相關(guān)，測量開始和結(jié)束時(shí)門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都同步。這樣在門控時(shí)間內(nèi)被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都沒有量化誤差，從而實(shí)現(xiàn)兩信號的完全雙同步 。這里巧妙地利用相位檢測技術(shù)控制同步觸發(fā)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩路信號在某點(diǎn)相位相同，經(jīng)過若干周期后它們在同一相位點(diǎn)相位又相同 ， 那么這段時(shí)間兩路信號一定都經(jīng)過整數(shù)個(gè)周期 (但周期數(shù)不一定相同 )，用 其作為同步門控時(shí)間控制兩個(gè)主門的開啟，兩個(gè)計(jì)數(shù)器都不會產(chǎn)生177。 1 的誤差，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步測量。 被測信號和晶振信號經(jīng)過整形后都加到相位檢測器；相位檢測器檢測到兩路信號都在某一相位點(diǎn) (零相位點(diǎn) )時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號，門控電路輸出高電平，主門 A和 B同時(shí)打開，計(jì)數(shù)器 A 和 B同時(shí)計(jì)數(shù)；經(jīng)過時(shí)間 T后，相位檢測器又檢測到兩路信號到達(dá)同一相位 點(diǎn)，產(chǎn)生一觸發(fā)信號，這時(shí)門控電路輸出低電平，主門 A和 B同時(shí)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器 A 和 B停止計(jì)數(shù)。由于相檢器是從兩路信號的同一零相位點(diǎn)開始觸發(fā)，另一個(gè)零相位點(diǎn)再次觸發(fā)，兩次觸發(fā)的時(shí)間間隔與兩路信號都相關(guān)，且是每路信號周期的整數(shù)倍。與前面的多周期內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 28 測量一樣， 0xT M NTT??，0x Mf Nf?，00xx M M N Nf f f f? ? ? ? ???。但這時(shí) MM? =0， NN? =0，所以 00xxffff???。即被測信號的頻率準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。從理論上看，被測信號的頻率準(zhǔn)確度可以達(dá) 1110? ~ 1210? 數(shù)量級，這樣的測量準(zhǔn)確度比前面的多周期測量的準(zhǔn)確度高好幾個(gè)數(shù)量級。但實(shí)際上由于相位檢測器的過零檢測及門控電路的觸發(fā)都會產(chǎn)生誤差，實(shí)際測量的頻率準(zhǔn)確度會比理論值低，而且這種測量也是靠犧牲測量時(shí)間來提高測量準(zhǔn)確度，所以不宜快速測量。 通過對多 周期同步測頻法的分析，提出了多周期完全同步測頻法的設(shè)計(jì)方法，最后用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這種方法，使頻率測量的準(zhǔn)確度得到了很大的提高。整個(gè)測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較簡單，軟件設(shè)計(jì)也很容易，可以得到較好的應(yīng)用。 波形整形 模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。能夠完成這一任務(wù)的器件稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器。本次設(shè)計(jì)的中 A/D 轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字量進(jìn)行輸出。在這次設(shè)計(jì)里面是將 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路 輸出的模擬信號通過施密特觸發(fā)器對其波形整形，輸出為數(shù)字矩形脈沖信號，從而達(dá)到 A/D的轉(zhuǎn)換，如圖 所示： 1265V CC R DO555 3Ov7vvI2I1vIC8 412IvCCV V CC 2Rttv IOv 123 CCVCC1V3( a ) 電路圖 ( b ) 波形圖v 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 圖 施密特觸發(fā)器的波形整形 按鍵調(diào)試及 分頻 系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下 ， 結(jié)合可編程分頻器電路 ， 實(shí)現(xiàn)了測頻上限的擴(kuò)展和測頻量程的自動轉(zhuǎn)換 ， 一定程度上提高了頻率計(jì)的實(shí)用價(jià)值和智能化程度 ，其中按下 KEY2 則為讀取初始計(jì)數(shù)值，按下 KEY1 則為分頻計(jì)數(shù)值，而按下 RESET 為復(fù)位，如圖 所示： 圖 按鍵調(diào)試 輸入頻率信號 進(jìn)入 T0 口，并從 T0 口的計(jì)數(shù)單元讀取計(jì)數(shù)的數(shù)值，并且通過 INT0的外部中斷輸入的案件來控制計(jì)數(shù)值，而要使輸入信號能夠被轉(zhuǎn)換（或分頻后）顯示，則應(yīng)設(shè) 置相應(yīng)的輸入鍵盤，當(dāng)鍵盤上任意鍵被按下時(shí)，與門輸出低電平， /ITN0 外部中斷有效，表明鍵盤由按鍵輸入。 從理論上來講 ， 當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12MHz 時(shí) ， 其內(nèi)部計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)頻率為 500kHz， 考慮到信號的占空比等因素 ， 實(shí)際測量的最高頻率低于 500kHz。 由于設(shè)計(jì)所測量信號最高頻率為 1MHz，單片機(jī)無法直接測量，所以要經(jīng)過分頻器分頻后才能通過單片機(jī)測量 。 采用 12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 4040， 對整形后的信號進(jìn)行分頻 ,對輸入信號的分頻 ，從 12 個(gè)輸出端輸出的分別是對被測信號進(jìn)行 02 ， 12 ， 22 ， ? ， 112 分頻 ，而本設(shè)計(jì)分頻則為 42 分頻，如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 30 圖 分頻處理 頻率信號顯示，如圖 所示： 被 測 信 號分 頻 后 的 信 號T 0T 1 圖 分頻計(jì)數(shù) 顯示電路 采用 AT89C51 和 LCD1602 連接顯示輸出頻率， 如圖 所示： 圖 顯示電路 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 31 輸入頻率的測量范圍 3. 5. 1 頻率測量范圍 單片機(jī)在對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí) ， CPU每個(gè)機(jī)器周期 (12個(gè)時(shí)鐘周期 )檢測一次引腳以采樣外部信號 。 當(dāng)在一個(gè)機(jī)器周期中檢測到 T0或 T1引腳上的信號為 1， 而在下一個(gè)機(jī)器周期的檢測值為 0時(shí)認(rèn)為收到一個(gè)有效的時(shí)鐘信號 ， 使計(jì)數(shù)器加 1。因此實(shí)際的外部時(shí)鐘頻率不可能太高 ， 總是小于時(shí)鐘頻率的 1/24， 我們選用的時(shí)鐘頻率為 24MHz， 所以最高的輸入信號頻率為 1MHz。 若要提高測量頻率測量的范圍 ， 可以對輸入信號進(jìn)行 多次 分頻 ， 根據(jù)前面的分析 ,該系統(tǒng)測 量的相對誤差與被測信號的頻率無關(guān) 。 3. 5. 2 標(biāo)準(zhǔn)頻率的選取 標(biāo)準(zhǔn)頻率源的選取有兩種方式 ： 一種方式是在測量要求不是太高的情況時(shí)，可 以 利用單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)脈沖，即將單片機(jī)的定時(shí)器 T0的 C/T設(shè)置為內(nèi)部計(jì)數(shù)狀態(tài) ,若時(shí)鐘頻率為 12MHz， 則內(nèi)部計(jì)數(shù)脈沖的頻率為 1MHz。 但是該方案使用的是單片機(jī)本身的系統(tǒng)時(shí)鐘其穩(wěn)定度及精度不是太高 ，