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1、文档“简易数字频率计”是第三届(1997年)全国大学生电子设计竞赛试题之一。我院学生就该试题设计获得某某赛区一等奖。原设计有许多不完善之处,考虑到此题具有一定实用价值,特经完善后,整理成文。1 设计要求1.1 基本要求(1)频率测量:a.测量X围:信号:方波、正弦波幅度:0.5V～5V频率:1Hz～10MHzb.测试误差≤0.1%(2)周期测量:a.测量X围:信号:方波、正弦波幅度:0.5V～5V频率:1Hz～10MHzb.测试误差≤0.1%(3)脉冲宽度测量:a.测量X围:信号:脉冲波幅度:0.5V～5V频率:
2、1Hz～10MHzb.测试误差≤0.1%13/13文档(4)显示:十进制数字显示,显示刷新时间1～10秒连续可调,对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。(5)具有自校功能,时标信号频率为10MHz。(6)自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。1.2 发挥部分:(1)扩展频率测量X围为0.1Hz～10MHz(信号幅度0.5V～5V),测试误差降低为0.01%(最大闸门时间≤10s)。(2)测量并显示周期脉冲信号(幅度0.5V～5V、频率1Hz～1kHz)的占空比,占空比变化X围为10%～90%,测
3、试误差≤0.1%。(3)在1Hz～1MHzX围内及测试误差≤0.1%的条件下,进行小信号的频率测量,提出并实现抗干扰的措施。2 设计方案选择:方案一:选用频率计专用模块。该方案在技术上是可行的,但竞赛规则规定不能采用频率计专用模块。即使允许使用,对于设计要求中的某些指标,采用专用模块来完成也是困难的。13/13文档方案二:采用逻辑芯片和可编程器件实现。该方案也是可行的。该方案的优点是:仅使用硬件电路实现,调试工作量相对较小。缺点是,某些功能实现困难,不易修改。图1N周期测量原理方案三:用单片机实现。目前单片机种类
4、很多,单片机功能越来越强。根据设计要求,选用MCS-51系统单片机中的AT89C52,该芯片内含3个16位定时/计数器,能最大限度地简化频率计外围硬件。AT89C52还含一个全功能串行口、8K程序存储器等,因此该方案具有硬件构成简单,功能灵活,易于修改等优点。综合上述三种方案,本设计选用方案三。3 测量原理与分析计算3.1 频率、周期测量由于频率和周期之间存在倒数关系(f=1/T),所以只要测得两者中的一个,另一个可通过计算求得。3.1.1 测量方法本设计采用直接测周期法,而频率则通过计13/13文档算得出。但是
5、,单片机内部计数器一个计数值为1μs,在f很高时仅测量一个周期,无法保证测量精度。为此,本设计采用在闸门时间内,最大限度地测量多个信号的周期,从而保证信号频率、周期测量的精度。测量原理如图1所示。3.1.2 测量方法实现为实现上述测量方法,需要启动AT89C52中的3个定时/计数器。其中T0设置成16位定时方式,用于产生闸门时间;T2设置成16位定时方式,用于记录NTx值;T1设置成16位计数方式,用于记录闸门时间内波形个数N。为了提高精度,T0～T2通过软件中断方式分别扩展一字节内部RAM,与16位定时/计数器
6、一起构成24位定时/计数器。AT89C52单片机内部定时/计数器的响应频率低于10MHz,当信号输入为高频时,需先进行分频。根据实验,当AT89C52单片机晶振频率等于12MHz,输入信号频率≤500kHz时,内部定时/计数器能够进行可靠计数。当信号频率f为500kHz≤f≤10MHz时,需进行分频,兼顾500kHz与10MHz,取分频数为128。因此,当输入信号为低频(≤500kHz)时,不13/13文档进行分频;当输入信号为高频(≥500kHz)时,进行128分频。3.1.3 信号周期计算设T1计数值N为X1
7、,T2计数值NT为X2,则信号周期为:低频段(不分频)T=X2/X1μs(1)高频段(128分频)T=X2/(1283X1)μs(2)3.1.4 信号频率计算X1,X2含义同上,则信号周期f为低频段:f=(X1/X2)106Hz(3)高频段:f=(1283X1/X2)3106Hz(4)3.1.5 测量理论误差设闸门时间为1s,低频段、高频段分别取2个典型点进行分析。低频段(≤500kHz):(1)f=1.999Hz时,闸门时间内仅能测量1个波形的周期,若计数误差为1μs,即0.000001s,理论误差为:〔0.0
8、00001/(1/1.999)〕3100%=0.0002%(2)f=499.9999kHz时,闸门时间内能测量499999个波形的周期,若计数误差为1μs,则13/13文档理论误差为:〔(0.000001/(499999/499999.9)〕3100%=0.0001%高频段(≥500kHz):(1)128分频后f=3906.99Hz(分频前500094.72Hz),闸门时
