频率方案设计书的原理及详细讲解.docx

频率方案设计书的原理及详细讲解.docx

《频率方案设计书的原理及详细讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《频率方案设计书的原理及详细讲解.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

频率方案设计书的原理及详细讲解

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

谚辞調担鈧谄动禪泻類。

嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

挤貼綬电麥结鈺贖哓类。

赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。

裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。

仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。

绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。

骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。

瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。

栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。

辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。

峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。

詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。

则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。

胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。

風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

第一章概述

   单片机即MCU（MICROCTROLUNIT）翻译成中文就是微型控制单元。

它的应用遍及各个领域单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

并且由于单片机具显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。

灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

  频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。

传统的频率计通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。

频率信号抗干扰性强、易于传输,可以获得较高的测量精度。

同时,频率测量方法的优化也越来越受到重视.并采用AT89C51片机和相关硬软件实现。

铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

MCS—51单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器，仪表等领域。

我们研制的频率计以89c51，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。

攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

  实现一个宽频域，高精度的频率计，一种有效的方法是：

在高频段直接采用频率法，低频段采用测周法。

一般的数字频率计本身无计算能力因而难以使用测周发，而用89c51机构成的频率计却很容易做到这一点。

对高频段和低频段的划分，会直接影响测量精度及速度。

经分析我们将f=1MHz做为高频，采用直接测频法；将f=1Hz做为低频，采用测周期法。

为了提高测量精度，我们又对高低频再进行分段。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

   以89C51机为控制器件的频率测量方法，并用C语言进行设计，采用单片机能控制，结合外围电子电路，得以高低频率的精度测量。

最终实现多功能数字频率计的设计方案，根据频率计的特点，可广泛应用于各种测试场所。

夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

   在基础理论和专业技术基础上，通过对数字频率计的设计，用十进制数字来显示被测信号频率的测量装置。

以精确迅速的特点测量信号频率，在本设计在实践理论上锻炼提高了自己的综合运用知识水平，为以后的开发及科研工作打下基础。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

第二章测量方法及设计方案

2.1频率测量方法

    直读法又称无源网络频率特性测量法。

比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较,通过观、听比较结果,获得被测信号的频率。

电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数,再用电磁式仪表测量充放电电流的大小,从而测出被测信号的频率值。

电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法,它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

    利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等一系列优点.首先，被测信号通过放大整形，形成幅度一致，形状一致是计数脉冲。

然后，N将它加到闸门的一个输入端，闸门由门控信号来控制其关闭时间。

计得的脉冲送至译码，再送显示器显示出来。

而由晶振产生的1MHz的振荡信号经放大整形，形成方波，经多个10分频10s，1s，0.1s，0.01s，1ms，那么有fx=N／T符合测频定义。

根据f=N／T。

不难看出，采用计数器测频的测量误差，一方面决定于闸门时间T准不准确，即由晶振提供的标准频率的准确度△T／T=-（△fo／fo）；另一方面緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

放大整形

闸门

技术显示器

   门控信号

Fx

分频

石英振荡器

控制电源

放大整形

               图一 电子技术测频原理方框图

决定于计数器计得的数准不准，即"±1误差"，△N／N=±1／N=±（1／○XTfx）。

所以，计数器直接测频的误差主要有两项，即±1误差和标准频率误差。

测低频时，由于±1误差产生的测频误差大得惊人，所以不宜采用直接测频方法。

由于fX较低时，利用计数器直接测频，由±1误差所引起的测频误差将会大到不可允许的程度。

所以，为了提高测量低频时的准确度，即减少±1误差的影响，可改成先测周期Tx，然后计算fx=1／Tx。

騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。

2.2设计方案

系统采用MCS——51单片机8032作为控制核心，门控信号由8032内部的计数定时器产生，单位为1µs。

由于单片机的计数频率上限较低（12MhZ晶振时约500khz），所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，8032则完成运算、控制及显示功能。

由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。

疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。

2.3频率测量模块

高精度恒误差测频法 通过对传统的测量方法的与研究，结合高精度恒误差测量原理，我们设计里一种测量精度与被测频率无关的硬件测频电路。

本方法立足于快速的宽位数高精度浮点数字运算。

3.3 频率测量模块镞锊过润启婭澗骆讕瀘。

对频率测量模块有以下四种实现方法：

（1）直接测频法 直接测频法是把被测频率信号经脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间T（以秒计）内，被计数的脉冲被送到十进制计数器进行计数。

设计数器的值为N，由频率定义式可以计算得到被测信号频率为                           f=N/T 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。

经分析，本测量在低频段的相对测量误差较大。

增大T可以提高测量精度，但在低频段仍不能满足该题发挥部分的要求。

邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。

（2）组合法 直接测量周期法在低频段精度高。

组合测频法是指在低频时采用直接测量周期法测信号周期，然后换算成频率。

这种方法可以在一定程度上弥补方法

（1）的不足，但是难以确定最佳分测点，且电路实现较复杂。

嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。

（3）倍频法 直接测频法在高频段有着很高的精度。

可以把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数将经整形的低频信号进行倍频后再进行测量，高频段则进行直接测量。

该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。

（4）高精度恒误差测频法 通过对传统的测量方法的与研究，结合高精度恒误差测量原理，我们设计里一种测量精度与被测频率无关的硬件测频电路。

本方法立足于快速的宽位数高精度浮点数字运算。

劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。

以上四种方法中，倍频法虽然在理论上可以达到很高的精度，但在低频段，就目前常规的锁相器件而言，锁相电路工作性能不理想，频率小于looHz时甚至不能工作.臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。

前三种方法本质上都是立足于频率基本定义，没有摆脱传统的测量方法的局限。

从下文的详细论述中可以看出，用方法（4）可以用单片机程序方便地完成宽位浮点数的数学运算，实现高精度测量。

鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。

基于上述论证及第二部分中详细的理论分析，我们拟选择方法（4）。

2.4周期测量模块

（1）直接周期测量法 用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于信号周期Tx,时标为Ts的脉冲在主门开放时间进入计数器。

设T为被测周期，Ts为时标，在Ts期间计数值为N，可以根据以下公式来算得被测信号周期：

穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。

                 Tx=NTs                       经误差分析表明，被测信号频率越高，测量误差越大。

隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。

  采用对多个周期进行计数取平均值的方法虽可提高精皮，但如果要达到赛题要求，测量频率为0．1Hz信号时，每测一次至少要等待1000s，显然是不可取的。

浹繢腻叢着駕骠構砀湊。

（2）高料度恒误差周期测量方法 本方法在测量电路和测量精度上与高精度恒误差频率测量完全相同，只是在进行计算时公式不同，用周期T代换高精度恒误差频率测量公式中的频率因数即可,计算公式为:

            Tx=（Ts·Ns）/Nx          式中，Tx为被测信号周期的测量值，Ns,Nx分别与（1—2）式中的Ns,Nx含义相同。

鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。

从降低电路的复杂度及提高招度上考虑、显然方法

（2）远好于方法

（1），方法

（2）的测量电路完全可以使用高精度恒误差频率测量电路o惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。

适应振荡器

 放大整形

 闸门

  技术译码器

   门控信号

 放大整形

  分频

TX

                  图二电子技术器测周期原理图

2.5脉冲信号占空比测量模块

 在进行脉冲宽度的测量时，首先经信号处理电路进行处理，限制只有信号的50％幅度及其以上部分才能输入数字测量部分。

脉冲边沿被处理得非常陡峭，然后送入测量计数器进行测量。

贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。

 测量电路在检测到脉冲的上升沿时打开计数器，在下降沿时关掉计数器。

由下式

              Twx=Nx/Fs              

可知计数值既为测得的脉冲宽度。

  测一个脉冲信号的脉宽，记其值为Twx1；信号反相后,再测一次脉宽并记录其值Twx2,通过以下公式汁算：

嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。

     占空比=[Twx1/（Twx1+Twx2）]×100%              

2.6标频发生电路和信号处理部分

本模块采用高频率稳定度和高精度的恒温可微调的晶体振荡器作标频发生电路

小信号处理部分受限于宽带放大器的性能，放大电路需要附有高速整形电路。

有以下几种方案。

（1）采用分立元件 使用场效应管做输入级，以提高输入阻抗。

用截止频率1000的三极管如9018做放大级。

由于电路复杂，要调节部分较多，且一致性差，故不采用。

薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。

（2）采用运算放大器 电路简洁，但因为与TTL电平接口而另需电平移位电路。

并且要用运放做一高速宽带放大器，市场上难以买到高速运放，应用受到了限制。

齡践砚语蜗铸转絹攤濼。

（3）立接采用比较器 采用比较器可以简单地完成设计。

采用高速比较器LM361可以处理高达10MHz的插入信号。

LM961有低输入失调电压和电压范围灵活等特点，响应时间最大仅20ns，输出电平可与TTL电平相匹配。

绅薮疮颧訝标販繯轅赛。

综合考虑，本部分电路采用方案（3）。

比较器输入易受干扰，因此电路上采用净化电源并合理安排地线。

经最后实测，输入灵敏度4mV左右，完全满足小信号测量的需要饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。

第三章硬件电路的设计

3.1电路设计方案

　　多周期同步测量法的基本思路是使被测信号与闸门之间实现同步化，从而从根本上消除了在闸门时间内对被测信号进行计数时的±1量化误差，使测量精度大大提高。

倒数计数器就是基于该方法而设计出来的一种具有创新思想的测频、测周期的仪器。

它采用多周期同步测量法，即测量输入多个（整数个）周期值，再进行倒数运算而求得频率。

其优点是：

可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。

烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。

LED

数码显示其

单 片 机

                           闸门A

 A通道

同部门及功能切换

逻   辑

事件计数器

时间计数器

LED发光管

                        fc 闸门B             fc

按键

                    图3.1系统电路原理框图

以单片机为核心按键和经过处理的A通道信号作为单片机的输入信号，运行程序执行相应的LED数码管显示和LED发光管发光最终实现系统功能鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。

　　1．输入通道的设计。

输入通道是由前置放大器和整形器组成的，所以要对前置放大器的增益和带宽指标进行估计。

为了能准确测量信号，将输入信号经过一个放大整形电路。

其具体实施方案为：

将输入信号经过LM358运放放大，再通过74LS132整形，此时的信号还不能直接送入单片机，这是因为在硬件上CPU对INT0和INT1引脚的信号不能控制，解决这个问题要通过硬件，再配合软件来解决。

撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。

　　2．预置闸门时间发生电路设计。

闸门时间的确定，可以先由一个555定时器产生一个脉冲信号，将555产生的脉冲信号送入到74LS90十进制计数器当中，由于74LS90具有二-五进制混合计数的功能，所以可以用它来实现五进制计数，将74LS90的输出接到3—8线译码器74LS138的输入端，再将译码器的输出端接上五个发光二极管，这样就可以实现硬件上的闸门时间控制。

但是考虑到硬件实现上的复杂性，可以通过软件上来实现，就是将五个发光二极管直接接到单片机的P1口由软件上来实现，通过按键来改变它的闸门时间。

踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。

　　3．数码显示电路的设计。

该部分电路是由单向八位移位寄存器74LS164和数码管组成的。

考虑到精度的问题，取五位计数值，采用五片74LS164级联，同时还要显示频率和周期的单位，所以还需再级联一块74LS164，在74LS164的输出端接六个单位指示灯，分别表示周期频率的三个不同的单位数量级，即周期单位s，ms，μs和频率单位Hz，KHz及MHz。

移位寄存器的时钟信号是由单片机的串行输出口TXD脚控制。

婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。

３.2电路各部分及其功能叙述

图3.2.1输入信号选择部分

图3.2.2晶振电路和复位电路

图3.2.3闸门

图3.2.4信号放大电路

图3.2.5整流电路

．

图3.2.6信号处理电路

图3.2.7以ＡＴ８９Ｃ５１单片机为核心的控制电路

第四章 理论误差分析与系统电路分析

4.1 高精度恒定误差频率和周期测量技术

频率测量误差分析及其公式推导如下。

（1）量化误差 设测得频率为Fx被测频率真实值为Fxe标准频率为Fs,在一次测量中预置门时间为Tpr，被测信号计数值为Nx，标推频率信号计数值为Ns.譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。

 Fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在Tpr时间内对Fx的计数Nx无误差；在此时间内Fs的计数从Ns最多相差一个脉冲，即俦聹执償閏号燴鈿膽賾。

         |Δet|≤1                                   而                Fx/Nx=Fs/Ns          缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。

               Fex/Nx=Fs/（Ns+Δet）     

由上式可得

            Fx=（Fs/Ns）·Nx                                 Fxe=[Fs/（Ns+Δet）]·Nx   根据相对误差公式有骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。

            |δ|=ΔFxe/Fxe=|Fxe-Fx|/Fxe       由上式得              ΔFxe/Fxe=|Δt|/Ns          因为                 |Δet|≤1           所以                 |Δet|/Ns≤1/Ns        即                   |δ|=ΔFxe/Fxe≤1/Ns                                         Ns=Tpr·F由上式可以得出以下结论癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。

①相对测量误差与频率无关。

②增大Tpr或提高Fs，可以增大Ns，减少测量误差，提高测量精度。

（2）标准频率误差 标准频率误差为ΔFs/Fs,因为晶体的稳定度很高，标准频率误差可以进行校准，相对于量化误差，校准后的标准频率误差可以忽略。

鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。

（3）分变率误差分析

　先由单片机给出闸门开启信号,此时计数器并不计数,而是等到被测信号的上升沿到来时,才开始计数。

然后,两组计数器分别对被测信号和时标脉冲计数，当单片机给出闸门关闭信号后,计数器并不立即停止计数,而是等到被测信号下降沿到来的时刻才结束计数,完成一次测量过程。

可以看出,实际闸门与设定的闸门并不严格相等,但最大差值不超过被测信号的一个周期。

榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。

 设被测信号的计数为NX,对时标的计数为N0,时标频率为f0,闸门时间为τ,则被测信号频率为:

                     FoNx/No逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。

 计数器的开闭与被测信号是完全同步的,即在实际闸门中包含整数个被测信号的周期,因而不存在对被测信号计数的±1个字误差,由式⑴微分可得:

幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。

FoNxdNo/

         dN0=±1                             τ=Nx/fx                                        相对误差为:

誦终决懷区馱倆侧澩赜。

    　e=ΔfX/fX=ΔNX/NX-ΔN0/N0+Δf0/f0                 式 Fxe=[Fs/（Ns+Δet）]·Nx中前两项分别表示计数器T0和计数器T1的误差,第三项为频率准确度。

由于计数是在相关同步门控时间τ内完成的,即由待测信号同步控制,因此同步门控τ与计数器T1的计数脉冲相关,且T/Tx的比值Nx为整数,故被测信号计数值不存在计数误差。

而计数器T0对时标的计数,由于门控τ的启闭时刻的随机性及T/T0之比值N0为非整数（T0为时标周期）,在门控τ的启闭时刻分别有时间零头ΔT1和ΔT2无法计入,故存在±1误差。

当忽略频率准确度误差时,多周期同步法测频的最大误差为:

医涤侣綃噲睞齒办銩凛。

 由式|δ|=ΔFxe/Fxe=|Fxe-Fx|/Fxe可以看出,测量分辨率与被测信号频率的大小无关,仅与闸门时间及时标频率有关,即实现了被测频带内的等精度测量,闸门时间越长,时标频率越高,分辨率越高。

舻当为遙头韪鳍哕晕糞。

4.2 预置门时间信号与闸门时间信号

预置门的概念与传统的闸门的概念是不同的。

预置门是指同时启动或停止标准频率信号计数器和被测信号计数器的门控信号。

硕置门的概念用于高精度恒定误差测频／测周期方法中，并称预置门的时间宽度为预置门时间。

鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。

高精度恒定误差测频方法测量精度与预置门时间和标准频率有关，与被测信号的频率无关。

在预置门时间和闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下，高精度恒误差额率测量法的测量精度不变，而直接测频法精度随着被测信号频率的增加而接近线性地增大。

高精度恒误差周期测量方法的分析思路和结果均与对高精度恒误差频率测量相似或相同。

筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。

4.3 脉冲宽度测量理论误差分析

 根据方案中的脉冲宽度测量方法，分析脉宽测量误差。

设被测信号脉宽为Twxe，标准频率信号频率为Fs，则脉冲宽度的测量值为韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。

         Twx=Nx/Fs           在一次测量中，对标准频率信号的计数值Nx可能产生±1个标准频率信号周期的计数误差，则脉宽测量相对误差为涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。

       |ΔTwx/Twx|=（1·Fs）/（Nx·Fs）=1/Nx            

其中Nx＝Twx·Fs.可以看出，在Fs一定时，脉宽越小，误差越大。

当Twx=100μs，Fs=60MHz时，Nx＝6000，则有

      |ΔTwx/Twx|=1/6000=0.17‰

4.4周期脉冲信号占空比测量误差分析

 使用第一部分中所述的占空比方法，根据误差合成原理，周期测量相对误差最大恒等于脉冲宽度测量相对误差。

 在标准频率为60MHz，被测频率1kHz（即周期为0.001s）时。

设其占空比为10％，如果要满足题日部分要求，由脉冲宽测量相对误羌公式计算出的相对误差应小于钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。

   1／（0.001×10%×60×106）＝1／6000＝0.17‰

实际精度完全可以超过这个要求。

4.5、系统设计与电路分析

（1）稳压电源设计

本项设计要求的电源：

±12V、-12v、+5v稳压电源。

在进行电源设计时，功率交流输入端加一级电源滤波器，以降低工频频率干扰。

戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。

（2）测量控制电路

单片机（AT89C51成整个测量电路的控制和数据处理．两片Dpl5H016完