高精度频率计设计.doc

嵌入式微控制器结课论文学  院:核工程与地球物理学院班  级:1221201 学  号:201220120126姓  名:何鹏宇基于单片机的数字频率计设计摘要:本文设计了一种以单片机STC89C52为核心的数字频率计,介绍了单片机、放大整形模块、分频模块和LCD1602显示模块等各个模块的组成和工作原理。测量时,将被测输入信号送给单片机计数,通过程序控制计数,结果送LCD1602显示频率值。本次设计是以单片机STC89C52为控制核心,单片机系统通过定时器、计数器对正弦波,方波三角波信号进行脉冲计数,将得到的频率数据在液晶显示屏上进行显示,最后显示测量的频率值。本次设计所制作的频率计外围电路简单,大部分功能都通过软件编程实现,利用单片机控制继电器实现频率计的自动换挡功能;用单片机T0控制端口实现频率的测量功能;通过分频电路实现对频率档位的控制。本次设计的频率计具有测量准确度高,响应速度快,体积小等优点。实现了1Hz~1MHz范围的频率测量,而且可以实现量程自动切换。关键词:频率计;单片机;计数器;测量目录一、系统总体设计及方案分析  31、数字频率计的设计参数和功能指标  32、系统设计原理分析  33、系统总方案论证与设计  4三、系统软件流程设计  81、系统主程序流程框图  82、系统部分程序如下:  9四、系统调试结果  111、系统的软硬件调试结果  112、系统误差分析与改进方法  12五、系统硬件总电路图  12六、设计总结一、系统总体设计及方案分析1、数字频率计的设计参数和功能指标设计一个数字频率计,具体要求如下:(1)测量范围信号:方波、正弦波;幅度:1V-5V,直流偏置0V-1V;频率:1Hz-1MHz;(2)测量误差≤1%;(3)输入阻抗〉100K?;(4)LCD显示结果2、系统设计原理分析频率测量的原理总结成一句话,就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号,通过输入通道的放大器放大后,进入整形加以整形变为矩形波,并送到主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频,按十进制分频得出的分频脉冲,经过选通门去触发主控电路,再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令,用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波,至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N,则频率的表达式为式:(2-1)。,假设时基信号为1KHZ,则用此法测得的待测信号为1KHZ×5=5KHZ。但从图中可以看出,,≈%。这个误差是比较大的,实际上,测量的脉冲个数的误差会在±1之间。假设所测得的脉冲个数为N,则所测频率的误差最大为。显然,减小误差的方法,就是增大N。本频率计要求测频误差在1‰以下,则N应大于1000。通过计算,对1KHZ以下的信号用测频法,反应的时间长于或等于10s,。由此可以得出一个初步结论:测频法适合于测高频信号。。由于数字测量的离散性,被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的±1量化误差,在不计其他误差影响的情况下,测量精度将为:。应当指出,测量频率时所产生的误差是由N和T两个参数所决定的,一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时,精度越高,另一方面T越稳定时,精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数,一方面可在输入端将被测信号倍频,另一方面可增加T来满足,为了增加T的稳定度,只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。上述表明,在频率测量时,被测信号频率越高,测量精度越高。3、系统总方案论证与设计本设计的系统计划主要由信号输入与放大整形模块、分频与量程自动切换模块、微处理器模块、按键模式切换模块、电源输入模块等组成。其系统整体框图如图所示。系统总体结构框图(1)输入信号放大模块考虑到输入信号最高频率达到1MHz,同时输入信号幅度较小需进行放大,故信号放大部分运算放大器选用LLM318运算放大器是美国国家半导体公司生产的通用型运放系列中速度最快的器件。与其它种类的通用型运放相比具有电压转换速率高、频带宽、输出动态范围大、较完善的保护电路等突出优点。适合于在脉冲信号放大器、宽带放大器、中频放大器、宽频带信号发生器、快速A/D转换器、高速比较器等电路中应用。电路中采用±5V供电,也间接的限定信号的幅度。(2)整形电路以及参考电压电路设计采用电压比较器对放大后的信号进行整形,转换成标准的矩形脉冲。考虑到要能满足最大频率1MHz的信号,这里选用高速比较器TL714CP。TL714CP是TI公司生产的一款高速电压比较器,单电源供电,增益带宽积50MHz。这里采用同向比较,考虑到信号带有毛刺,高速电压比较器在参考