电信专业李朝31083.docx

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电信专业李朝31083

基于单片机的等精度频率计

作者姓名：

李朝

专业名称：

电子信息科学与技术专业

指导老师：

李兰英讲师

摘要

 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。

频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。

Mcs-51单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。

利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。

本文采用单片机MCS-51作为系统控制单元,辅以适当的软、硬件资源完成以单片机为核心的等精度频率计设计.通过单片机对同步门的控制,使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量,为了提高精度,将传统的测频功能转为测周期,采用多用期同步测量技术,实现了等精度测量.等精度频率测量方法消除了量化误差,可以在整个测试频段内保持高精度不变,其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。

关键词：

频率计片机控制硬件结合

Abstract

FrequencymeasurementisthemostbasicmeasurementinElectronicfield.Asimplefrequencymetermainlybythesignalinputandamplifyingcircuit,microcontrollermodule,sub-frequencycircuitmoduleanddisplaymodule.MCS-51isthecontrolcorefrequencyofdollarstocompleteitscountofthesignalundertest,decoding,displayandcontrolofthefrequencydivisionratio.Usingitsinternaltimerorcountertocompletethesignaloftheundertestcycle/frequencyofmeasurement.

ThispaperadoptsthesinglechipMCS-51asthesystemcontrolunit,supplementedbyappropriatesoftware,hardwareresourcesinordertocompletesingle-chipmicrocomputerasthecoredesignofequalprecisionfrequencymeter.Bymeansofsinglechipcontrollingthesynchronousgate,sothatthemeasuredsignalandstandardsignalinthegatetimesynchronizationmeasurement,inordertoimprovetheaccuracy,thetraditionalfrequencymeasurementfunctionformeasuringcycle,usingmultipleperiodsynchronizationmeasurementtechnology,realizestheequalprecisionmeasurement.Theequalprecisionfrequencymeasuringthequantizationerrorcanbeeliminated,inthebetabandtomaintainthehighaccuracyconstant,itsprecisionisnotduetothefrequencyofmeasuredsignalandchange.

Keywords:

singlechipcontrol,thecombinationofhardwareandsoftware.

目录

摘要I

AbstractII

目录III

前言-1-

1系统设计总体方案-2-

1.1课题研究的背景-2-

1.2等精度频率计的测量原理-2-

1.3设计思路及技术指标-4-

2硬件设计-6-

2.1系统的整体框图-6-

2.2电源电路-7-

2.3单片机部分-8-

2.4计数电路-9-

2.5显示电路-10-

3软件设计-12-

3.1系统软件整体设计-12-

3.2测频及测周程序设计-12-

3.3初始化液晶-14-

3.4显示程序图-15-

3.5主循环-15-

4频率计的系统调试-17-

4.1硬件调试-17-

4.1.1电源模块调试-17-

4.1.2整形模块调试-17-

4.1.3分频模块调试-18-

4.2软件调试-19-

4.2.1Pouteus软件调试-19-

4.2.2功能调试-20-

4.3系统调试-21-

4.3.1系统软件调试-21-

4.3.2系统软硬件调试-22-

4.4误差分析-22-

结论-24-

致谢-25-

参考文献-26-

附录：

频率计程序-27-

前言

本文采用单片机MCS-51作为系统控制单元,辅以适当的软、硬件资源完成以单片机为核心的等精度频率计设计。

通过单片机对同步门的控制,使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量,为了提高精度,将传统的测频功能转为测周期,采用多用期同步测量技术,实现了等精度测量.等精度频率测量方法消除了量化误差,可以在整个测试频段内保持高精度不变,其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。

本文讲述了等精度频率计的工作原理以及其各个组成部分，记述了整个设计过程中对各个部分的设计思路、对各部分电路设计方案的选择、以及对它们的调试、对调试结果的分析，最终得到实验结果。

频率的测量方法有：

直接测量法,间接测量法,例如周期测频法、V-F转换法等。

基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而降低针对传统测频原理的频率计的测量精度随被测信号频率的下降而降低，在实用中有较大的局限性，在对等精度测量原理和测量误差进行详尽介绍和分析的基础上，介绍了基于单片机的等精度频率计的系统构成和工作原理，以及系统的硬、软件设计。

1系统设计总体方案

1.1课题研究的背景

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。

频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。

传统的频率计测量误差较大，等精度频率计以其测量准确、精度高、方便等优势将得到广泛的应用。

传统的测频方法有直接测频法和测周法[1]，在一定的闸门时间内计数，门控信号和被测信号不同步，计数值会产生一个脉冲的误差。

等精度测频法采用门控信号和被测信号同步，消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差。

等精度频率测量方法消除了量化误差，可以在整个测试频段内保持高精度不变，其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。

采用单片机作为控制核心的等精度频率计，可以充分利用单片机软件编程技术实现等精度测频。

通过单片机对同步门的控制，使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量，为了提高精度，将电子计数功能转为测周期，采用多周期同步测量技术，实现等精度测量。

1.2等精度频率计的测量原理

等精度频率计的测量原理如图1-1

图1.1等精度频率计测量原理图（图自己画）

基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而变化。

传统的直接测频法其测量精度将随被测信号频率的降低而降低，测周法的测量精度将随被测信号频率的升高而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。

等精度频率的测量原理图1.1所示。

频率为fx的被测信号经通道滤波、放大、整形后输入到同步门控制电路和主门1（闸门），晶体振荡器的输出信号作为标准信号（时基信号）输入到主门2。

被测信号在同步控制门的作用下，产生一个与被测信号同步的闸门信号，被测信号与标准信号（时基信号）在同步门控制信号的控制下。

在同步门打开时通过同步门分别输入到事件计数器和时间计数器的信号输入端，计数器开始计数。

同步门关闭时信号不能通过主门，计数器停止计数，单片机发出命令读入计数器的数值，并进行数据处理，将处理后的结果送显示。

等精度频率测量方法是采用多周期同步测量。

如图1.1的测量原理图所示由单片机发出预置门控信号GATE，GATE的时间宽度对测频精度影响较少，可以在较大的范围内选择，即在高频段时，闸门时间较短；低频时闸门时间较长。

实现了全范围等精度测量，减少了低频测量的误差。

在同步门的控制下，一方面保证了被测信号和时基信号的同步测量；另一方面在同步门打开后计数器并不是马上计数，而是在被测信号的下一个上升沿开始计数，同步门关闭后计数器也不是马上停止计数，而是在被测信号的下一个上升沿停止计数。

即在实际闸门时间计数，从而提高了测量精度。

由于采用D触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的Nx值已不存在误差的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N0的值仍存在±1误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。

所以在全频段的测量精度是均衡的,从而实现等精度频率测量。

1.3设计思路及技术指标

一设计方案

以MCS-51型单片机为核心，结合其它的一些芯片一起设计一个等精度频率计。

根据本设计的要求和方案的设想，总结一下本设计要做的具体的工作主要有以下几个方面:

第一，分析与论证本设计所采用的方案，包括主控系统、显示系统等的分析以及这些模块的功能等。

在对设计要求充分分析的基础上，划分功能模块，选择需要的硬件设备。

第二，收集大量等精度频率计方面的资料—包括文字资料和试验数据，总结规律。

可以有两种方法实现。

常用数字频率测量方法有H法，T法和M/T法。

M法是在给定的闸门时间内，测量被测信号的脉冲个数再进行换算得出被测信号的频率，其测量精度取决于闸门时间的准确度和被测信号频率。

当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。

T法是通过测量被测信号的周期，然后换算得出被测信号的频率。

其测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。

幼/T法具有以上2种方法的优点，当他通过测量被测信号数个周期的计数次数，然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。

但是，M法，T法和M/T法都存在士1计数误差问题。

M法在规定闸门时间内存在士1个被测信号的脉冲计数误差，T法或M/T法也存在士1个字的计时误差。

这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。

本设计在研究总结上述方法的基础上，得出了一种新的频率测量方法，该方法利用相位全同步方法消除限制测量精度提高的士1个数字误差问题，从而使频率测量的精度和性能大为改善。

然而一种新的方法的实际应用比提出来更难，要考虑各种可能的问题，首先就是由于采用的新的设计方法使得电路的复杂程度成倍增加，因此如果还采用传统数字电路来实现则将使PCB板面积变得异常庞大与复杂。

信号走线长，导致系统误差增大，难以提高系统的工作频率，此外，PCB板的集成度不高还将导致高频信号容易受到外界的干扰，反而可能降低测频精度。

2硬件设计

MCS-51系列单片机是由Intel公司于1980年推出的8位高档单片机系列，是在中低档系列的基础上发展而成的。

它采用HMOS工艺，提高了芯片的集成度，与此前的单片机相比，在性能上得到了很大提高，在结构上扩充了ROM和RAM的容量，增加了如乘、除和减等指令运算，以及串行通信口和中断源，其主要特点如下。

（1）扩大了内部程序存储器（ROM）和内部数据存储器（RAM）的容量。

（2）具有布尔代数运算能力。

（3）具有32个双向可被独立寻址的I/O口。

（4）具有5～6个中断源，可以分为两个中断优先级。

（5）具有丰富的指令系统。

（6）具有全双工传输信号UART的能力。

（7）片内具有时钟振荡电路。

控制器是控制整个单片机系统各种操作的部件，它包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器译码器、程序存储器和数据存储器的地址/数据传送控制等。

从编程的角度看，MCS-51CPU对用户开放的寄存器主要有以下几个：

累加器ACC、寄存器B、程序计数器PC、数据指针DPTR（由DPH和DPL两个8位寄存器组成），程序状态寄存器PSW、堆栈指针SP。

2.1系统的整体框图

采用等精度测频原理的频率计系统原理图（如图2-1），其中FPGA完成基本的测频、测周模块功能。

整形模块对输入波形进行整形。

按键来选择测频、测周及占空比。

通过对MCS-51软核进行编写程序对测频和测周模块的数据进行处理，并通过按键对测频、测周及占空比的选择。

图2-1系统原理图

2.2电源电路

此次设计的电源需求，共需要用到+5V，+15V，-15V三种电压，其中+15V，-15V直接由外部电源直接产生提供，而+5V电源自行设计，主要提供给AT89C52单片机使用，直接设计在电路当中，原理见图2-2:

图2.2+5V电源电路

在图3-1中，首先电源电压220V经过变压器变压产生一个18V左右的交流电压，再经过桥式整流电路和2200uF滤波电容C4的滤波产生一个20V左右的直流电压，再经7805三端稳压块产生一个+5V的电压，再次经过1000uF滤波电容C5再次滤波，+5V电压就很稳定。

2.3单片机部分

MCS-51单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0,P1,P2,P3,MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。

单片机的硬件连接图如图2-3所示。

一、主电源及地引脚

·VCC（40脚）：

电源，正常操作时接+5V电源。

·VSS（20脚）：

地线。

二、外接晶振引脚

·XTAL1（19脚）：

接外部晶振的一个引脚（内部反相放大器的输入端）。

·XTAL2（18脚）：

接外部晶振的一个引脚（内部反相放大器的输出端）。

三、并行输入/输出引脚

·P0.0～P0.7（39～32脚）：

8位漏极开路的三态双向输入/输出口。

·P1.0～P1.7（1～8脚）：

8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。

·P2.0～P2.7（21～28脚）：

8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。

·P3.0～P3.7（10～17脚）：

8位带有内部上拉电阻的准双向输入/输出口。

四、控制类的引脚

·RST/VPD（RESET，9脚）：

复位信号输入引脚，高电平有效。

在该引脚上输入持续2个机器周期以上的高电平时，单片机系统复位。

图2.3单片机硬件链接图

2.4计数电路

单片机选用MCS-51，其中P1.0用于控制同步门D触发器74LS74产生同步的闸门信号，P1.2用于对74LS393组成的计数器清零，一次计数完成后单片机通过控制两片74LS244读取被测信号与标准信号的低8位计数值，高位计数值在单片机的T0、T1中。

然后单片机对计数值进行运算处理，并送出显示。

计数器包括事件计数器和时间计数器两部分，它们是两组完全相同的计数电路。

分别由前后两级组成。

前级由双4位异步计数器74LS393级联构成八位二进制计数器；后级由MCS-51单片机内的定时/计数器构成十六位二进制计数器。

标准信号部分采用10MHz石英晶体振荡器来提供测量所需要的标准脉冲信号。

由于采用D触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的Nx值已不存在误差的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N0的值仍存在±1误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。

所以在全频段的测量精度是均衡的,从而实现等精度频率测量。

MCS—51系列单片机的芯片一般都采用40个引脚的双列直插式封装（DIP）方式。

其中有些CHMOS制造工艺的单片机芯片还采用44个引脚的方形封装（LCC或QFP）方式，44个引脚中标识有NC的4个引脚为空引脚。

2.5显示电路

显示是常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。

由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用，本次方案采用了数码管显示。

数码管硬件连接图如下图2-5:

图2.5显示电路图

3软件设计

系统软件的设计主要是和硬件电路相结合，正确地实现等精度测量。

整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块，由系统的程序统一管理执行。

它主要完成各种功能，如测量、数据运算、显示等。

如图4所示为频率测量主程序流程图，在计数前对计数器清零。

然后，发出命令打开闸门进入闸门时间，计数器在闸门时间内计数。

延时子程序结束后，发出命令关闭闸门使计数器停止计数；单片机再依照程序读取计数器的值，并与单片机内部计数器所计的值合并在一起。

由公式

（1），即被测频率fx=f0×Nx/N0来进行运算，由于精度要求，Nx和N0都由24位二进制数来计数。

因此，要在单片机内部进行多字节无符号二进制数的乘法和除法运算，并将运算结果转换成BCD码，显示运算结果。

3.1系统软件整体设计

本系统采用MCS-51单片机软核对测频和测周模块进行控制整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块，由系统的程序统一管理执行。

它主要完成各种功能，如测量、数据运算、显示等通过按键来控制测频、测周及占空比的选择。

3.2测频及测周程序设计

通过对等精度频率计测频时序图（图3.1）和等精度频率计测周时序图（图3.2）。

图3.1测频子程序

图3.2测周子程序

3.3初始化液晶

图3.3液晶初始化流程图

3.4显示程序图

图3.4液晶显示控制流程图

3.5主循环

主循环中，先对标准信号计数，判断flag是否满20，如果满20则代表计数满1s，此时计算计数器T0中数值，然后再加上P1口的数据，则为此次计数值。

下次计数为对待测信号的计数，与标准信号计数原理相同。

最后将两次信号比较，得到待测信号的频率值。

如图3.6：

图3.5主循环流程图

4频率计的系统调试

频率计的系统调试包括系统软、硬件联合调试。

硬件调试包括电源模块、整形模块、分频模块等模块，软件调试就是通过修改程序，使频率计功能完善，提高频率计的测量精度。

使用软件仿真，调试仿真结果，同时使用数字万用表和示波器测试输出电压值和输出波形，调试出正确的软硬件电路。

4.1硬件调试

4.1.1电源模块调试

电源电路包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等模块组成，使用LED进行电源工作状态指示。

搭建好硬件电路，检查线路连接正确，通电，LED灯亮，LM7805芯片不发烫，并用数字万用表测得电压为5.01V，证明电路基本正常工作。

4.1.2整形模块调试

整形电路采用与非门74LS00构成施密特触发器，它对正弦波、三角波等各种波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲。

整形电路在Multisim10中进行电路的仿真与调试，在Multisim10绘制的整形电路如图4.1所示。

选择虚拟函数发生器输入不同的信号，同时使用数字示波器测的输出波形，经测试施密特触发器可以把10Hz-2MHz的正弦波等波形整形为方波信号，仿真结果如图4.2所示。

图4.1整形电路仿真

图4.2整形电路输出波形仿真

4.1.3分频模块调试

为了达到10Hz-2MHz的频率范围，使用外部分频，搭建分频电路，测试电路基本正确，选择函数发生器输入2MHz以下不同频率的的方波信号，同时使用数字示波器测的输出波形，经观察分频电路可以把2MHz以下不同频率的方波波形进行十分频，示波器测得输入输出波形如图5.3所示。

图4.3分频电路实际输出波形

4.2软件调试

4.2.1Pouteus软件调试

根据系统设计要求，进行Keil和Proteus系统仿真，不断调试程序，直到符合功能要求。

Proteus总体仿真图5.4所示。

图4.4频率计整体仿真图

4.2.2功能调试

当测量频率值小于1KHz以下时，数码管显示频率值，并红色LED灯亮，作为Hz档单位指示。

例如输入信号123Hz，仿真显示如图4.5所示。

图4.5HZ档频率仿真

当测量频率值大于且等于1KHz并小于1MHz时，数码管显示频率值，并黄色LED灯亮，作为KHz档单位指示。

例如输入信号456KHz，仿真显示如图4.6所示。

图4.6KHZ档频率仿真

当测量频率值大于1MHz时，数码管显示频率值，并绿色LED灯亮，作为MHz档单位指示。

例如输入信号1.89MHz，仿真显示如图4.7所示。

图4.7MHZ档频率仿真

经上述测试，基本功能都以实现，可以测出波形频率值，并可以自动切换量程单位，符合要求。

4.3系统调试

4.3.1系统软件调试

经软件的调试—修改—再调试，如此反复，排除各种故障最终基本完成了设计所要求的任务。

由单片机内部定时器／计数器构成基本测量电路，外加整形和分频电路，由系统软件设计可以测出1HZ-5MHZ的量程范围，可以实现量程档的自动转换，使用的动态显示测量时会出现闪烁现象，但显示数值准确，稳定时显示不闪烁。

4.3.2系统软硬件调试

软件系统测试只能测试方波信号，外加硬件整形电路，可以测试正弦波、三角波等各种波形的频率值，把各模块组合在一起，做成完整的频率计。

4.4误差分析

从记录的数据可以看出，系统软件仿真误差很小，在10Hz-2MHz范围内测量出来的频率基本上就是输入信号的频率，在超出这个范围后，才出现很小的误差。

但是在硬件调试中，可能是由于标准元器件本身误差，如随着时间的延长，其值相比出厂时产生误差；造成测量结果没有软件仿真精确。

同时手工焊接单片机最小系统、分频整形电路等也会带来一定的干扰，造成信号的失真，从而导致测量精度下降，测量范围有所缩小，但是可以看出，误差在允许范围内，所设计的电路基本符合要求。

由原理可知，公式fx=f0×Nx/N0成立。

设所测频率的准确值为fx0。

在一次测量中，由于fx计数的起停时间是由该信号的上升沿控制的，因此，在T时间内对fx的计数NX无误差。

在此时间内f0的计数N0最多相差一个脉冲，即△N0≤±l，则下式成立：

fx/Nx=f0/N0

（1）

fx0/NX=f0/（N0+△N0）

（2）

由此可分别推得：

fx=（f0/N0）×Nx（3）

fx0=[f0/（N0+△N0）]×Nx（4）

根据相对误差公式有：

△fx0/fx0=︱fx0-fx︱/fx0（5）

将式（3）和式（4）代人式（5）整理后可得：

△fx0/fx0=︱△N0