【正文】 本設(shè)計(jì)如有錯(cuò)誤,請(qǐng)不吝批評(píng)和指正。通過(guò)這次設(shè)計(jì),我對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)有了進(jìn)一步的提高。致 謝經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力,在老師的指導(dǎo)和幫助下,這次畢業(yè)設(shè)計(jì)順利完成了。這樣，利用多周期同步法，實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)和被測(cè)信號(hào)同步；利用量化時(shí)延法，測(cè)量了原來(lái)測(cè)不出來(lái)的兩個(gè)短時(shí)間間隔，從而準(zhǔn)確地測(cè)量了實(shí)際閘門(mén)的大小，也就提高了測(cè)頻的精度 [9]。考慮到延遲可預(yù)測(cè)能力，最終選擇了 CPLD 器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量。其原理如圖 所示。從結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單同時(shí)兼顧精度的角度出發(fā)，將多周期同步法與基于量化時(shí)延的短時(shí)間間隔測(cè)量方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寬頻范圍內(nèi)的等精度高分辨率測(cè)量。1 個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，從而進(jìn)一步提高精度。由式(1O)可計(jì)算出不同 Ts時(shí)的相對(duì)誤差如表 2 所示 [6]。在此時(shí)間內(nèi) f0的計(jì)數(shù) N0最多相差一個(gè)脈沖，即|△N 0|≤l，則下式成立：fx/Nx=f0/N0fx0/Nx =f0/(N0+△N 0) (4)由此可分別推得：f x=(f0/N0) 多周期同步法的誤差當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率大于 100Hz 時(shí)，采用多周期同步法進(jìn)行測(cè)量。 周期測(cè)量法的誤差當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率小于 100Hz 時(shí)，直接測(cè)量的是信號(hào)的周期。1 個(gè)字誤差”，簡(jiǎn)稱“177?？蓪?xiě)成：△N/N=177。這樣，在相同的主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同，當(dāng)主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間 T 接近甚至等于被測(cè)信號(hào)周期 Tx的整數(shù)(N)倍時(shí)，此項(xiàng)誤差最大。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對(duì)其進(jìn)行處理，獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號(hào)頻率值。 圖 系統(tǒng)軟件框圖 圖 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖圖 方式 0 發(fā)送時(shí)序圖 圖 T0溢出中斷程序 圖 T1溢出中斷程序 浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算程序51 系列單片機(jī)屬于微控制器，由于其 CPU 字長(zhǎng)和指令功能的限制，它適用于控制領(lǐng)域，在信號(hào)處理方面不很擅長(zhǎng)。第 5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件框圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。為了測(cè)試顯示電路是否工作正常，我編寫(xiě)了一小段顯示 123456 的測(cè)試程序。經(jīng)實(shí)測(cè)重新設(shè)計(jì)的信號(hào)預(yù)處理電路模塊具有信號(hào)整形效果好，靈敏度高，滿足系統(tǒng)的要求。在測(cè)試工程中，發(fā)現(xiàn)原來(lái)設(shè)計(jì)的信號(hào)預(yù)處理電路模塊對(duì)輸入信號(hào)的放大，整形過(guò)程有缺陷。本著分層次、分模塊逐級(jí)將連的原則，我盡可能仔細(xì)的焊接好每一個(gè)芯片。74LS 系列數(shù)字邏輯電路最高工作頻率可達(dá) 45MHz。應(yīng)該注意，數(shù)據(jù)全部發(fā)送完后，第一幀數(shù)據(jù)在最后一個(gè) LED 顯示。第一個(gè) 74LS164 把第一幀數(shù)據(jù)并行輸出，LED1 顯示該數(shù)據(jù)。波特率為振蕩頻率的十二分之一。當(dāng)預(yù)置門(mén)時(shí)間到達(dá)后，預(yù)置門(mén)關(guān)閉使得=0，但 D 觸發(fā)器的輸出 Q 仍然為 1，因此兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，直到隨后而至的待測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，才使得 D 觸發(fā)器的輸出 Q=0，同步門(mén)關(guān)閉，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)停止計(jì)數(shù)(見(jiàn)圖 )。圖 程控選通電路 同步門(mén)邏輯控制電路同步門(mén)邏輯控制電路由 D 觸發(fā)器構(gòu)成，由它來(lái)產(chǎn)生同步門(mén)信號(hào) Ts。圖 分頻電路 程控選通電路程控選通電路采用 CMOS 器件中的四輸入模擬開(kāi)關(guān) CD4052 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。 小信號(hào)放大電路此電路采用高速、寬頻帶運(yùn)放 OP37，并采用反饋電路，不僅使放大倍數(shù)為10 倍，并拓寬了頻帶， 最高工作頻率可達(dá)63MHz(見(jiàn)圖 )。 信號(hào)預(yù)處理電路單片機(jī)是數(shù)字信號(hào)處理工具。16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量或者待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：⑴內(nèi)含 FLASH 存儲(chǔ)器，這在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可隨意進(jìn)行程序修改，既便錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，故不存在廢品且大大縮短了程序的開(kāi)發(fā)周期；同時(shí)在系統(tǒng)工作過(guò)程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。電位器 RP1 決定當(dāng)輸入電壓為 0V 時(shí)，使頻率計(jì)的讀數(shù)為 0HZ，RP 2用于在輸入電壓為 5V 時(shí)，使頻率計(jì)的讀數(shù)調(diào)節(jié)到 50Hz，即滿量程的調(diào)整，該電路可實(shí)現(xiàn)由頻率計(jì)替代測(cè)量電壓，可測(cè)量 0～5V 的直流電壓。為了減輕門(mén) G4的負(fù)載，在電容 C 的容量較大時(shí)不宜直接由 G4提供電容的充、放電電流。測(cè)量結(jié)果通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值，再將結(jié)果送去顯示。頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)使用多周期同步法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，并自動(dòng)選通 10 分頻，完成測(cè)量后判斷測(cè)量結(jié)果是否大于 10KHz，如果成立，將結(jié)果10 后送去顯示，本輪工作循環(huán)結(jié)束；否則將直接選通，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量判斷，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為 100Hz～。頻率計(jì)的工作過(guò)程為：首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，將單片機(jī) (即 D 觸發(fā)器的 D 端)置“1”，運(yùn)行控制位 TR 置 1，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器；然后運(yùn)行軟件延時(shí)程序，同時(shí)計(jì)數(shù)器 T0對(duì)外部的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)器 T1對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，P 改變時(shí)， 正處于某一周期的高電平或低電平處，觸發(fā)器 Q 端的狀態(tài)并不會(huì)立即改變(即實(shí)際閘門(mén)信號(hào))，而是在下個(gè)脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)變?yōu)楦唠娖?，T 0與 T1才開(kāi)始啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了二者的同步。T 0、T 1分別受 INT0及 INT1(即 D 觸發(fā)器的 Q 端)控制，即方式控制字為09DH。在使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí)，這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)通過(guò)頻率計(jì)的預(yù)處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期的方波，該方波同樣加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳。測(cè)周法：對(duì)于低頻信號(hào)的測(cè)量，采用測(cè)周法。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期加 1(使用 12MHz 時(shí)鐘時(shí)，每 lμs 加 1)，這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔。圖 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)軟件包括測(cè)量初始化模塊、顯示模塊、信號(hào)多周期同步法測(cè)量模塊、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)周期測(cè)量模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊、浮點(diǎn)數(shù)格式化模塊、浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊、浮點(diǎn)數(shù)到 BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊。對(duì)于 100Hz 以下的信號(hào)采用周期測(cè)量法；對(duì)于100Hz 以上的信號(hào)采用多周期同步法進(jìn)行測(cè)量，這樣能保證較高的測(cè)量精度。如此反復(fù)，便在 VO端得到矩形輸出脈沖 [10]。當(dāng) CT上的電壓 VcT上升到 2/3Vcc時(shí)，則觸發(fā)器被置成 Q=0，T 2截止，V o=1。剛接通電源時(shí) CL和 CT兩個(gè)電容上沒(méi)有電壓，若輸入控制電壓 VI為大于零的某個(gè)值，則比較器 C1的輸出為 1 而比較器C2的輸出為 0，觸發(fā)器被置成 Q=1 狀態(tài)。 定時(shí)器型壓控振蕩器現(xiàn)以 LM331 為例介紹定時(shí)器型壓控振蕩器的基本原理。電流 I0轉(zhuǎn)而經(jīng) TN1和 Tp2自右向左地向電容 Cex1充電。G 1和 G2用作電容充、放電的轉(zhuǎn)換控制開(kāi)關(guān)，而 G1和 G2的輸出狀態(tài)由觸發(fā)器的狀態(tài)來(lái)決定。這樣就可以用輸入電壓控制振蕩頻率。圖 直接測(cè)頻法原理框圖 電壓測(cè)量原理電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，即它的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從 0 到 1 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，這樣在定時(shí)閘門(mén)信號(hào)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。設(shè)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為 Nx，對(duì)時(shí)基信號(hào)的計(jì)數(shù)值為 N0，時(shí)基信號(hào)的頻率為 f0，則被測(cè)信號(hào)的頻率為: f x=Nx/N0f0 [4]。首先，由單片機(jī)(或相應(yīng)控制電路)給出閘門(mén)開(kāi)啟信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開(kāi)始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)。采用單片機(jī)內(nèi)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào) Ts，見(jiàn)圖 。根據(jù)單片機(jī) AT89C51 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T0方式 1 結(jié)構(gòu)圖(如圖 )可知，T 0計(jì)數(shù)脈沖控制電路中，有一個(gè)方式電子開(kāi)關(guān)，當(dāng) C/T=0 時(shí)，方式電子開(kāi)關(guān)打在上面，以振蕩器的十二分頻信號(hào)作為 T1的計(jì)數(shù)信號(hào)，此時(shí)作為定時(shí)器用；C/T=1時(shí)，方式電子開(kāi)關(guān)打在下面，此時(shí)以 T0 ()引腳上的輸人脈沖作為 T0的計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)可對(duì)外界脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。所以，為了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，采用的是測(cè)周法，即 Tx=l/fx=t/N。對(duì) fx的測(cè)量是由電路提供標(biāo)準(zhǔn)閘門(mén)信號(hào)即 t=Tz，T z通常為 1s 或它的十倍百倍等，然后對(duì) Tz內(nèi)的被測(cè)信號(hào)變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到 Nx，即可得到 fx=Nx/Tz?？蓮V泛應(yīng)用于電子實(shí)驗(yàn)室、電子企業(yè)及科研場(chǎng)所。對(duì)輸入信號(hào)的頻率范圍自動(dòng)判斷并選擇相應(yīng)的測(cè)量方法，從而實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示。目前市場(chǎng)上的頻率計(jì)產(chǎn)品也不少， 但基本上都是采用普通 TTL 門(mén)電路或可編程邏輯器件 PLD 作為信號(hào)處理系統(tǒng)的控制核心，存在結(jié)構(gòu)雜、穩(wěn)定性差、耗電多、體積大、成本高、精度差的弊端。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)頻率計(jì)也提出了新的要求。由于數(shù)字電路的飛速發(fā)展和數(shù)字集成電路的普及，電子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用已十分普及，利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精確度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，故已發(fā)展成為近代頻率測(cè)量的重要手段，在教學(xué)、科研、儀器測(cè)量、工業(yè)控制等方面都有廣泛的應(yīng)用。下表提供了一些具有代表性的 A/D 變換器及由它組成的數(shù)字式電壓表的概況：A/D 變換非積分式積 分 式斜坡電壓式伺服控制式比 較 式 逐次逼近式零平衡式線性斜坡式階梯斜坡式電壓反饋型 VF 變換式電位差計(jì)積分式雙斜式、多斜式頻率計(jì)發(fā)展概況在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個(gè)最基本的參量。討論數(shù)字式電壓表的主要內(nèi)容可歸結(jié)為電壓測(cè)量的數(shù)字化方法。數(shù)字式電壓表首先將模擬量通過(guò)模/數(shù)（A/D）變換器變成數(shù)字量，然后用電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并以十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)電壓值。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電壓測(cè)量提出了一系列的要求，主要可概括為：⑴應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量范圍；⑵應(yīng)有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度；⑶應(yīng)有足夠高的輸入阻抗；⑷應(yīng)具有高的抗干擾能力。微機(jī)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了條件。具有價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量誤差小，可作為測(cè)量?jī)x器使用。目 錄摘要 ................................................................3文獻(xiàn)綜述 ............................................................4第 1 章 頻率/電壓測(cè)量原理 ............................................5 頻率測(cè)量原理 ........................................