【導讀】導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝。為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個。人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果。涉密論文按學校規(guī)定處理。等），文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。符合國家技術標準規(guī)范。案以及測量后的結果都有密切關系，因此頻率的測量就顯得更為重要?；癁轭l率信號是低成本實現(xiàn)高精度、高分辨率測量和高抗干擾的經典做法。湊、體積小，可靠性高，測量頻率范圍寬、精度高等優(yōu)點。整個設計包括硬件設計和軟件設計。在硬件設計部分，具體介紹了系統(tǒng)硬件設計方。部分，其最終目標是實現(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現(xiàn)方式， 整個 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 個部分 。 信號預處理電路應包括 信號放大 、波形整形器和分頻器 3個模塊 。 輸入信號經過三運放放大后，由 施密特 對其波形整形， 被測信號不是標準的 TTL電平 不能被單片機測量 ，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行鑒幅與比較的電路 ， 可以將非標準波形轉換為標準的方波信號， 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 位二進制異步計數(shù)器 4040 ,對整形后的信號進行分頻 , 然后通過單片機數(shù)據(jù)處理，由 LCD1602 顯示，如圖 ： 三 運 放 分 頻 單 片 機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 由于單片機具有程序運算功能，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，即單位時間內周期信號的發(fā)生次數(shù)，晶體振蕩器為單片機提供了振蕩信號。 目前測 量 頻 率 方法可以有以下幾種實現(xiàn)方法 ： 1． 測頻法 測頻法是記錄在單位時間 0T 內待測信號的脈沖個數(shù) N,待測頻率 ： , 其中 0T 又稱為閘門時間。待測信號的脈沖是在閘門時間內送入計數(shù)器的。由于閘門的開與閉和計數(shù)內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 脈沖的送入在時間關系上是隨機的 , 這樣將產生極限范圍為177。 1 的計數(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 , 選取閘門時間愈長 , 誤差越小 ； 當取一定閘門時 , 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周期 xT 內 , 記錄標準頻率信號變化次數(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。對于同一標準信號 , 被測信號周期越大 , 計數(shù)值 0N 越大量化誤差177。 1/ 0T 越小 , 測量誤差 越小 ； 當被測信號周期不變 , 選用的標準頻率信號越大 , 同樣計數(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?shù)皖l時 A值大 , 高頻時 A值小 , 其 值由測量過程經過反饋可編程決定 ,待測頻率 : 0xxf N AT?這時同樣存在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、倍頻控制電路較復雜。 4. 平均周期測頻法 平均周期測頻法 是在閘門時間 Tc內 ， 同時用兩個計數(shù)器分別記錄待測信號的脈沖數(shù)Mx 和標準信號的脈沖數(shù) Mo， 若標準信號的頻率為 Fo， 則待測信號頻率為 : Fx = FoMx/Mo，M/T 法在測高頻時精度較高 ； 但在測低頻時精度較低。 5. 多周期同步測頻法（ 等精度測 頻） 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 多周期同步測頻法 是由閘門時間 Tc 與同步門控時間 Td 共同控制計數(shù)器計數(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)點是 ， 閘門時間與被測信號同步 ， 消除了對被測信號計數(shù)產生的 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 。 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?shù)皖l時 A值小 , 高頻時 A值大 ， 具體值也由測量過程經過反饋可編程決定。其待測頻率為 : 0 xxf AN T?， 其特點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上，在信號的多個時間周期內測量信號的頻率。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生177。 1誤差 (計數(shù)脈沖和門控信號不同步而產生 )和標準頻率誤差 (所使用的晶振不穩(wěn)定引起 )，且177。 1誤差較標準頻率誤差更大，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 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 被測信號xf和標準晶振信號0f分別作為計數(shù)器 A和 B的計數(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和時間控制器共同控制。被測信號作為同步門的觸發(fā)信號，時間控制器控制同步門的預置時間 Tˊ。開始測量時，稍滯后的預置時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，這時被測信號和晶振脈沖信號都不會被計數(shù)。只有當被測信號下一個周期的上升沿到達時同步門才開啟 (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 開始計數(shù)。當時間控制器預置時間了，結束時，同步門不會立即關閉，而是等到被測信號下一個 上升沿到來時才關閉。這時計數(shù)器 A和 B都停止計數(shù)，實際上同步門的開啟時間為 T而不是 Tˊ ， 所以可以得到： 0xT NTMT?? 0xMNff? （ 31） 其中： T為同步門控時間；xf（ xT ）為被測信號頻率 (周期 )；0f ( 0T )為標準晶振信號頻率 (周期 )； M為計數(shù)器 A的計數(shù)值； N為計數(shù)器 B的計數(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? 為標準晶振的頻率準確度 ； MM? 為計數(shù)器 A的計數(shù)相對誤差； NN?為計數(shù)器 B 的計數(shù)相對誤差。 由于計數(shù)器 A的計數(shù)是在與被測信號相關的同步門 T進行的，被測信號又作為同步門的觸發(fā)信號，且為整數(shù)，故被測信號的計數(shù)值 M不存在計數(shù)誤差，即 0MM??。所以稱內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 這種測量誤差與被測信號無關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，門 B必會產生量化誤差，所以 N? 177。 1。而 00xNT T M T T?? ， M 越大時， N 就越大， NN? 就越小減，所以進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確度，而且測量誤差與被測信號頻率無關，可以省去計算中界頻率和選擇測量模式；但由于 NN? 的存在，而且 NN? 也遠大于 ff? （目前雙 恒溫晶振的頻穩(wěn)度可達 1110? ~ 1210? 數(shù)量級 )，所以這種測量模式對于要求 710? 以上的高準確度測量仍不能滿足需要，這種測量只能稱作準同步測量。 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準晶振信號都相關，測量開始和結束時門控信號與被測信號和標準晶振信號都同步。這樣在門控時間內被測信號和標準晶振信號都沒有量化誤差，從而實現(xiàn)兩信號的完全雙同步 。這里巧妙地利用相位檢測技術控制同步觸發(fā)即可實現(xiàn)。當兩路信號在某點相位相同，經過若干周期后它們在同一相位點相位又相同 ， 那么這段時間兩路信號一定都經過整數(shù)個周期 (但周期數(shù)不一定相同 )，用 其作為同步門控時間控制兩個主門的開啟，兩個計數(shù)器都不會產生177。 1 的誤差，從而實現(xiàn)真正意義上的同步測量。 被測信號和晶振信號經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 (零相位點 )時產生觸發(fā)信號，門控電路輸出高電平，主門 A和 B同時打開，計數(shù)器 A 和 B同時計數(shù)；經過時間 T后，相位檢測器又檢測到兩路信號到達同一相位 點，產生一觸發(fā)信號，這時門控電路輸出低電平，主門 A和 B同時關閉，計數(shù)器 A 和 B停止計數(shù)。由于相檢器是從兩路信號的同一零相位點開始觸發(fā)，另一個零相位點再次觸發(fā)，兩次觸發(fā)的時間間隔與兩路信號都相關，且是每路信號周期的整數(shù)倍。與前面的多周期內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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 MM? =0， NN? =0，所以 00xxffff???。即被測信號的頻率準確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。從理論上看，被測信號的頻率準確度可以達 1110? ~ 1210? 數(shù)量級，這樣的測量準確度比前面的多周期測量的準確度高好幾個數(shù)量級。但實際上由于相位檢測器的過零檢測及門控電路的觸發(fā)都會產生誤差，實際測量的頻率準確度會比理論值低，而且這種測量也是靠犧牲測量時間來提高測量準確度，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計方法，最后用單片機實現(xiàn)這種方法，使頻率測量的準確度得到了很大的提高。整個測量系統(tǒng)電路結構較簡單，軟件設計也很容易，可以得到較好的應用。 波形整形 模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數(shù)字量。能夠完成這一任務的器件稱之為模數(shù)轉換器，簡稱 A/D 轉換器。本次設計的中 A/D 轉換器的任務是將放大器輸出的模擬信號轉換位數(shù)字量進行輸出。在這次設計里面是將 三運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，從而達到 A/D的轉換，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 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 圖 施密特觸發(fā)器的波形整形 按鍵調試及 分頻 系統(tǒng)在單片機的控制下 ， 結合可編程分頻器電路 ， 實現(xiàn)了測頻上限的擴展和測頻量程的自動轉換 ， 一定程度上提高了頻率計的實用價值和智能化程度 ，其中按下 KEY2 則為讀取初始計數(shù)值，按下 KEY1 則為分頻計數(shù)值，而按下 RESET 為復位，如圖 所示： 圖 按鍵調試 輸入頻率信號 進入 T0 口，并從 T0 口的計數(shù)單元讀取計數(shù)的數(shù)值，并且通過 INT0的外部中斷輸入的案件來控制計數(shù)值，而要使輸入信號能夠被轉換（或分頻后）顯示，則應設 置相應的輸入鍵盤，當鍵盤上任意鍵被按下時，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 ， 當單片機系統(tǒng)時鐘頻率為 12MHz 時 ， 其內部計數(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。 由于設計所測量信號最高頻率為 1MHz，單片機無法直接測量，所以要經過分頻器分頻后才能通過單片機測量 。 采用 12位二進制計數(shù)器 4040， 對整形后的信號進行分頻 ,對輸入信號的分頻 ，從 12 個輸出端輸出的分別是對被測信號進行 02 ， 12 ， 22 ， ? ， 112 分頻 ，而本設計分頻則為 42 分頻，如圖 所示： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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 單片機在對外部脈沖進行計數(shù)時 ， CPU每個機器周期 (12個時鐘周期 )檢測一次引腳以采樣外部信號 。 當在一個機器周期中檢測到 T0或 T1引腳上的信號為 1， 而在下一個機器周期的檢測值為 0時認為收到一個有效的時鐘信號 ， 使計數(shù)器加 1。因此實際的外部時鐘頻率不可能太高 ， 總是小于時鐘頻率的 1/24， 我們選用的時鐘頻率為 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 。 3. 5. 2 標準頻率的選取 標準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，可 以 利用單片機的內部計數(shù)脈沖，即將單片機的定時器 T0的 C/T設置為內部計數(shù)狀態(tài) ,若時鐘頻率為 12MHz， 則內部計數(shù)脈沖的頻率為 1MHz。 但是該方案使用的是單片機本身的系統(tǒng)時鐘其穩(wěn)定度及精度不是太高 ，