数字频率计的设计毕业设计.docx

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数字频率计的设计毕业设计

第1章绪论

本章主要介绍了数字频率计的概况，本设计的目的和意义，国内外现状及发展趋势，专用和通用的数字频率计的分类。

另外，对用什么芯片来实现此设计做了论述。

1.1频率计概述及其频率计的应用

频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不开频率，一旦离开频率，电子技术的发展是不可想象的。

为了得到性能更好的电子系统，科研人员在不断地研究着频率，CPU就是用频率的高低来评价其性能好坏，可见频率在电子系统中的重要性。

1.1.1频率计的概况

频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。

其最基本的工作原理为：

当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。

电子计数器是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史。

早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算器的技术水平，决定电子计数器价格高低的主要依据。

目前这些基本技术日臻完善，成熟。

应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。

1.1.2数字频率计的发展现状

　　随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。

对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。

而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。

这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。

在测试通讯、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。

为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。

微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。

虽然所有的微波计数器都是用来完成计数任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示,对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需要正确地选择，以达到最经济和最佳的应用效果。

1.2数字频率计系统介绍

1.2.1课题研究的目的和意义

毫无疑问，无论是在科技研究中还是在实际应用中，频率测量的作用都显得尤为重要。

然而传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。

随着科技的进步，为了较好的解决这一问题人们开始运用单片机测量频率，它是一种基于时间或频率的模数转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种显示被测信号频率的数字测量仪器。

与传统的测量方式相比，运用了单片机频率计有着体积更小，运算速度更快，测量范围更宽的优点，更重要的是它能大大的降低制作成本。

由于传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，而采用单片机测量频率之后，有许多以前需要用硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程就能实现，而且不同的软件编程能够实现不同的功能，这一巨大优势无疑使得制作成本大大降低。

由于当今科技的日新月异，人们对电子产品的要求随之增高，经济、高效、精准成为人们的目标，就频率计来说，如果现如今还是像传统的方式来设计并制造，那显然不能满足人们的要求。

那么基于单片机的数字频率计必将取代传统的频率计。

而它的优势也显而易见，小巧轻便、集成度高、操作简单、易于维护和修改。

这些优点无不满足着人们追求经济、高效、精准的目标。

试想一下，改变程序中的几行命令显然要比改变电路板上的几条连线要快的多，方便的多。

也正是由于基于单片机的数字频率计与传统的频率计有着那么明显的优势，因此，我将数字频率计的设计与实现作为我的研究课题。

通过设计频率计系统，实现信号频率的检测功能。

在检测系统的设计中，要熟悉以单片机为核心的控制单元，以检测电路为依托的功能单元，以人机界面为媒介的交互单元。

了解频率检测的算法及软硬件的实现方式。

灵活应用电子相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。

在此过程中，加深对信号检测和信号处理的理解和认识。

这对我以后的工作和学习都是有很大帮助的。

1.2.2国内外数字频率计的研究现状

电子计数器是其他数字化仪器的基础，在它的输入通道接入各种模-数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。

电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛应用。

它的主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。

直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。

锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点，其中，锁相式更是以其容易实现相位同步的自动控制且低功耗的特点成为众多业内人士的首选，应用最为广泛。

电国际上数字频率计的分类很多。

按功能分类，电子计数器有通用和专用之分。

（1）通用型计数器：

是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。

它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；配上适当的传感器，还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。

（2）专用计数器：

指专门用来测量某种单一功能的计数器。

如频率计数器、时间计数器、特种计数器、可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等。

数字频率计按频段分类：

（1）低速计数器：

最高计数频率＜10MHz；

（2）中速计数器：

最高计数频率10—100MHz；（3）高速计数器：

最高计数频率＞100MHz；（4）微波频率计数器：

测频范围1—80GHz或更高。

值得一提的是微波计数器，它是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。

它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动、全自动3类。

系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。

在人们的生产生活中数字频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。

除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。

在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。

频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。

正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的应用范围。

在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以用来对无线电台的跳帧信号进行分析。

对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用MAXIM公司的ICM7240来设计频率计。

但由于这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很高的频率要求，而且测量精度也受到芯片本身的限制。

提出的用AT89C52单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计。

第2章数字频率计的设计

本章主要介绍了数字频率计的设计任务和要求，按照任务和要求得出数字频率计的总体设计思路，在此思路基础上提出了两套方案，分别画出了方案框图，分析了优缺点，最终确定方案二为本次设计的方案。

2.1设计的任务和要求

2.1.1设计的任务

1.基于单片机设计一个数字频率计。

2.熟悉51或AVR单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件。

3.熟练应用所选用单片机内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法。

4.自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现。

5.了解数字频率计的工作原理和实现方法，以及人机交互模块的设计。

6.学习数字检测频率计算法的软硬件实现方法。

2.1.2设计的要求

1.完成单片机最小系统设计；

2.精确完成频率检测的设计和实现（精度要求：

检测1V-5V频率在1Hz-1MHz周期信号的周期，误差不超过1%）；

3.完成软件对硬件检测和调试工作；

2.2设计思路

本次设计的数字频率计区别于专用数字频率计，根据设计任务和要求，此数字频率计属于通用型，要求比较常见，应该具有的功能提出了以下设计思路：

1、稳压电源模块：

考虑到供电稳定性，仪器使用寿命，本设计采用了三端稳压器，当外部忽然断电时，凭借三端稳压器的强大功能，可以在一定时间内保持稳定的电源，防止仪器的损坏和数据丢失。

2、信号整形模块：

考虑到单片机可以处理方波，待测信号的位置性，我们需要一个信号整形模块，本设计采用了过零比较器，将这些未知的信号整形成方波，使得单片机能够处理。

3、分频处理模块：

由于常用的单片机都是12M的晶振，通过计算单片机能处理的最大频率是500KHZ，达不到1MHZ的要求，这里就存在一个分频的问题，如何把更高频率的信号缩小成单片机能处理的信号。

4、数据选择模块：

由于上面采用了分频器，那么如何让我们的系统知道分频器采用了几分频，就像万用表有档位的问题一样。

我们这就需要一个数据选择器来做分频器的档位选择，使系统可以算出最后的准确结果。

5、单片机模块：

单片机是时钟信号的来源，由内部晶振电路产生。

本系统以单片机作为系统的主要控制单元，通过单片机对系统各个部件的控制来实现整个电路的信号频率采集、测量、转换数据、以及显示最终结果的功能。

6、数据显示模块:

本设计作为一个频率计仪表，系统测量出来的结果必须以数字或图像的形式显示出来，必然需要数据显示模块。

2.3方案论证与选择

方案一：

方案一主要由四个部分组成：

信号整形部分、单片机控制部分、时基电路部分、数据锁存部分、和数据显示部分。

整体框图如图2.1所示。

方案一基本流程：

待测信号进入系统，信号整形部分会将其整形成脉冲，另一方面，时基电路提供标准的时基脉冲，在其上升沿达到1s时结束计数。

而在这1秒内测得的整形后的脉冲频率就是待测信号的频率。

之后单片机送数据锁存，并等待命令，若继续测量则返回测量，此时仍可将数据送显示，若无继续测量命令则，直接送数据显示。

方案一优缺点：

这个方案的设计关键是555定时器构成的多谐振荡器是否能够提供标准的脉冲。

实际上，在现实中是很难做到精确1s的。

因此，如果这点把握不好将直接影响最后的精度。

较为合理的解决办法是，做实物时可以选择其电容电阻的参数设定，用示波器先进行测量，直到取得较为满意的结果。

还有一个问题就是在测量

图2.1方案一系统结构框图

某一段频率时很有可能会出现偏差，如果它在某一段内都出现相同差值的偏差，我们可以进行人为的补偿，这样可以最大限度提高精确度。

方案二：

方案二由五个部分组成：

信号整形部分、分频处理部分、数据选择部分、单片机部分和数据显示部分。

整体框图如图2.2所示。

图2.2方案二结构框图

方案二工作流程：

待测信号进入系统，信号整形部分会将其整形成脉冲，经过分频器。

分频器出来得到两个信号，一个给选择器，一个给