“簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)”是第三屆(1997 年) 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題之一。我院學(xué)生就該試題設(shè)計(jì)獲得山東賽區(qū)一等獎(jiǎng)。原設(shè)計(jì)有許多不完善之處,考慮到此題具有一定實(shí)用價(jià)值,特經(jīng)完善后,整理成文。1 設(shè)計(jì)要求1. 1 基本要求(1) 頻率測(cè)量:a. 測(cè)量范圍:信號(hào):方波、正弦波幅度:0. 5V5V頻率:1Hz10MHzb. 測(cè)試誤差0. 1 %(2) 周期測(cè)量:a. 測(cè)量范圍:信號(hào):方波、正弦波幅度:0. 5V5V頻率:1Hz10MHzb. 測(cè)試誤差0. 1 %(3) 脈沖寬度測(cè)量:a. 測(cè)量范圍:信號(hào):脈沖波幅度:0. 5V5V頻率:1Hz10MHzb. 測(cè)試誤差0. 1 %(4) 顯示:十進(jìn)制數(shù)字顯示,顯示刷新時(shí)間110 秒連續(xù)可調(diào),對(duì)上述三種測(cè)量功能分別用不同顏色的發(fā)光二極管指示。(5) 具有自校功能,時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率為10MHz。(6) 自行設(shè)計(jì)并制作滿足本設(shè)計(jì)任務(wù)要求的穩(wěn)壓電源。1. 2 發(fā)揮部分:(1) 擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍為0. 1Hz10MHz (信號(hào)幅度0. 5V5V) ,測(cè)試誤差降低為0. 01 %(最大閘門時(shí)間10s) 。(2) 測(cè)量并顯示周期脈沖信號(hào)(幅度0. 5V5V、頻率1Hz1kHz) 的占空比,占空比變化范圍為10 %90 % ,測(cè)試誤差0. 1 %。(3) 在1Hz1MHz 范圍內(nèi)及測(cè)試誤差0.1 %的條件下,進(jìn)行小信號(hào)的頻率測(cè)量,提出并實(shí)現(xiàn)抗干擾的措施。2 設(shè)計(jì)方案選擇:方案一:選用頻率計(jì)專用模塊。該方案在技術(shù)上是可行的,但競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定不能采用頻率計(jì)專用模塊。即使允許使用,對(duì)于設(shè)計(jì)要求中的某些指標(biāo),采用專用模塊來(lái)完成也是困難的。方案二: 采用邏輯芯片和可編程器件實(shí)現(xiàn)。該方案也是可行的。該方案的優(yōu)點(diǎn)是:僅使用硬件電路實(shí)現(xiàn),調(diào)試工作量相對(duì)較小。缺點(diǎn)是,某些功能實(shí)現(xiàn)困難,不易修改。圖1 N 周期測(cè)量原理方案三:用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。目前單片機(jī)種類很多,單片機(jī)功能越來(lái)越強(qiáng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選用MCS - 51 系統(tǒng)單片機(jī)中的AT89C52 ,該芯片內(nèi)含3 個(gè)16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器,能最大限度地簡(jiǎn)化頻率計(jì)外圍硬件。AT89C52 還含一個(gè)全功能串行口、8K 程序存儲(chǔ)器等,因此該方案具有硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單,功能靈活,易于修改等優(yōu)點(diǎn)。綜合上述三種方案,本設(shè)計(jì)選用方案三。3 測(cè)量原理與分析計(jì)算3. 1 頻率、周期測(cè)量由于頻率和周期之間存在倒數(shù)關(guān)系( f = 1/T) ,所以只要測(cè)得兩者中的一個(gè),另一個(gè)可通過(guò)計(jì)算求得。3. 1. 1 測(cè)量方法本設(shè)計(jì)采用直接測(cè)周期法,而頻率則通過(guò)計(jì)算得出。但是,單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器一個(gè)計(jì)數(shù)值為1s ,在f 很高時(shí)僅測(cè)量一個(gè)周期,無(wú)法保證測(cè)量精度。為此,本設(shè)計(jì)采用在閘門時(shí)間內(nèi),最大限度地測(cè)量多個(gè)信號(hào)的周期,從而保證信號(hào)頻率、周期測(cè)量的精度。測(cè)量原理如圖1 所示。3. 1. 2 測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量方法,需要啟動(dòng)AT89C52 中的3 個(gè)定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器。其中T0 設(shè)置成16 位定時(shí)方式,用于產(chǎn)生閘門時(shí)間; T2 設(shè)置成16 位定時(shí)方式,用于記錄NTx 值; T1 設(shè)置成16 位計(jì)數(shù)方式,用于記錄閘門時(shí)間內(nèi)波形個(gè)數(shù)N。為了提高精度,T0 T2 通過(guò)軟件中斷方式分別擴(kuò)展一字節(jié)內(nèi)部RAM ,與16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器一起構(gòu)成24 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器。AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的響應(yīng)頻率低于10MHz ,當(dāng)信號(hào)輸入為高頻時(shí),需先進(jìn)行分頻。根據(jù)實(shí)驗(yàn),當(dāng)AT89C52 單片機(jī)晶振頻率等于12MHz ,輸入信號(hào)頻率500kHz 時(shí),內(nèi)部定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器能夠進(jìn)行可靠計(jì)數(shù)。當(dāng)信號(hào)頻率f 為500kHz f 10MHz 時(shí), 需進(jìn)行分頻, 兼顧500kHz 與10MHz ,取分頻數(shù)為128 。因此,當(dāng)輸入信號(hào)為低頻( 500kHz) 時(shí),不進(jìn)行分頻;當(dāng)輸入信號(hào)為高頻( 500kHz) 時(shí),進(jìn)行128 分頻。3. 1. 3 信號(hào)周期計(jì)算設(shè)T1 計(jì)數(shù)值N 為X1 , T2 計(jì)數(shù)值N T 為X2 ,則信號(hào)周期為:低頻段(不分頻) T = X2/ X1 s (1)高頻段(128 分頻) T = X2/ (128 3 X1) s(2)3. 1. 4 信號(hào)頻率計(jì)算X1 , X2 含義同上,則信號(hào)周期f 為低頻段: f = ( X1/ X2) 106 Hz (3)高頻段: f = (128 3 X1/ X2) 3 106 Hz (4)3. 1. 5 測(cè)量理論誤差設(shè)閘門時(shí)間為1s ,低頻段、高頻段分別取2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行分析。低頻段( 500kHz) :(1) f = 1. 999Hz 時(shí),閘門時(shí)間內(nèi)僅能測(cè)量1個(gè)波形的周期,若計(jì)數(shù)誤差為1s ,即0. 000001s ,理論誤差為:0. 000001/ (1/ 1. 999) 3 100 % = 0. 0002 %(2) f = 499. 9999kHz 時(shí),閘門時(shí)間內(nèi)能測(cè)量499999 個(gè)波形的周期,若計(jì)數(shù)誤差為1s ,則理論誤差為:(0. 000001/ (499999/ 499999. 9) 3 100 %= 0. 0001 %高頻段( 500kHz) :( 1 ) 128 分頻后f = 3906. 99Hz ( 分頻前500094. 72Hz) ,閘門時(shí)間內(nèi)能測(cè)量3906 個(gè)波形的周期,若計(jì)數(shù)誤差1 ,即1s ,則理論誤差為:( 0. 000001/ ( 3906/ 3906. 99 ) ) 3 100 % =0. 0001 %( 2 ) 128 分頻后f = 7811. 99Hz ( 分頻前999934. 72Hz) ,閘門時(shí)間內(nèi)能測(cè)量7811 個(gè)波形的周期,若計(jì)數(shù)誤差1 ,即1s ,則理論誤差為:(0. 000001/ ( 78811/ 7811. 99 ) ) 3 100 % =0. 0001 %可見(jiàn)周期測(cè)量理論誤差最大為0. 0002 %。3. 1. 6 計(jì)算誤差當(dāng)采用三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算時(shí),有效數(shù)字為兩個(gè)字節(jié),計(jì)算誤差為:(1/ 65536) 3 100 % = 0. 0015 %除理論誤差、計(jì)算誤差外,還有基準(zhǔn)頻率誤差等。3. 2 脈沖寬度及占空比測(cè)量(低頻段)3. 2. 1 測(cè)量方法:T1 采用定時(shí)工作方式,當(dāng)信號(hào)正跳變時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T1 ,當(dāng)信號(hào)負(fù)跳變時(shí)存儲(chǔ)T1 計(jì)數(shù)值X3(高電平寬度) ,并清0 ,信號(hào)再次正跳變時(shí)存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值X4 (低電平寬度。)為了增加計(jì)算位數(shù)除定時(shí)器T1 自身16 位外,擴(kuò)展1 字節(jié)內(nèi)存與T1 共同形成一個(gè)24 位計(jì)數(shù)器(定時(shí)器) 。3. 2. 2 (高電平) 脈沖寬度計(jì)算W = X3 s (5)3. 2. 3 占空比計(jì)算P =X3/ ( X3 + X4) 3 100 % (6)4 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的硬件電路如圖1 所示,該電路可分為: (1) 前置整形電路, (2) 分頻電路, (3)基準(zhǔn)信號(hào)源, (4) 單片機(jī)電路: 單片機(jī)、數(shù)據(jù)選擇器、鍵盤、狀態(tài)指示, (5) 數(shù)字顯示電路, (6) 穩(wěn)壓直流電源等。4. 1 前置整形電路根據(jù)設(shè)計(jì)要求,信號(hào)頻率最大值為10MHz ,考慮到器件性能與價(jià)格等因素,選擇高速低功耗比較器MAX913 構(gòu)成整形電路,MAX913 的響應(yīng)時(shí)間為10ns ,最高時(shí)鐘頻率為70MHz ; 在DC 5V 供電時(shí),輸入電壓范圍為- 5. 2V + 3. 5V. 為克服振鈴現(xiàn)象,整形電路在MAX913 正向輸入端引入弱正反饋,使其產(chǎn)生一個(gè)遲滯回差。當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí),信號(hào)經(jīng)電阻衰減后再加到MAX913 。4. 2 分頻電路分頻電路由2 片74HC161 構(gòu)成。根據(jù)3. 1的分析,只要對(duì)高頻信號(hào)( > 500kHz) 進(jìn)行128 分頻,即可滿足精度要求,也能滿足AT89C52 計(jì)數(shù)器的要求。因此分頻信號(hào)由第二片74HC161 的Q2 輸出。分頻電路如圖1 (2) 所示。4. 3 基準(zhǔn)信號(hào)源根據(jù)設(shè)計(jì)要求,1MHz 信號(hào)基準(zhǔn)源由74HC04以及1MHz 晶振構(gòu)成。電路如圖1 (3) 。4. 4 單片機(jī)電路單片機(jī)選用AT89C52 ,其內(nèi)部含3 個(gè)16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器,8K程序存儲(chǔ)器,其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)與單片機(jī)8031 相同。為便于計(jì)算,選用12MHz 晶振,這時(shí)內(nèi)部定時(shí)器一個(gè)計(jì)數(shù)值為1s。信號(hào)在低頻段( 500kHz) 直接輸入,在高頻段( > 500kHz) 時(shí)經(jīng)128 分頻后輸入到單片機(jī),另外還要根據(jù)1MHz 時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校正。三路信號(hào)通過(guò)74HC151 進(jìn)行控制選擇?？刂菩盘?hào)為P1. 2 和P1. 3 。4 只L ED 發(fā)光二極管由P1. 3 P1. 6 控制,分別指示測(cè)頻率、測(cè)周期、測(cè)脈沖寬度和測(cè)占空比四個(gè)狀態(tài)。5 個(gè)按鍵由P3. 2 、P3. 3 、P3. 4 、P3. 6 、P3. 7 讀入,分別控制測(cè)頻率、測(cè)周期、測(cè)脈沖寬度、占空比和校正5 項(xiàng)功能。4. 5 數(shù)字顯示電路顯示共用8 只共陽(yáng)極L ED 數(shù)碼管顯示器,由AT89C52 串行口擴(kuò)展8 片74HC164 驅(qū)動(dòng)。電路如圖2 所示。4. 6 穩(wěn)壓直流電源穩(wěn)壓電源采用雙9V 變壓器分別經(jīng)整流濾波和穩(wěn)壓后產(chǎn)生+ 5V 直流電源。+ 5V 輸出要求500mA , - 5V 輸出要求達(dá)到500mA(電路略) 。5 軟件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件和測(cè)量方法,編寫并調(diào)試了全部軟件程序。限于篇幅,下面僅給出部分程序框圖。