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数字频率计设计报告

数字频次计设计报告

电子信息学院

王家华20

邹仁亭20

肖伟20

摘要

在电子技术中，频次是最基本的参数之一，而且与很多电参量的丈量方案，丈量结果都有十分亲密的关系，所以频次的丈量显得更为重要。

频次丈量的方式往常是对方波信号进行沿判断或电平判断，再对相应的方波脉冲入行计数进而实现频次丈量，所以频次丈量的精度比一般其余物理量的精度要高好多。

数字频次计是近代电子技术领域的重要工具之一，同时也是其余很多领域宽泛应用的丈量仪器（丈量系统经过变换电路将所需丈量的量变换为频次）进而经过测频次来提升精度的。

本设计的数字频次计是鉴于超低功耗MSP430单片机来丈量信号的频次，经过计数器计数，并用十进制数显示出来，它拥有精度高，丈量速度快，读数直观等长处。

重点词：

频次丈量;数字频次计;单片机;计数器;显示；

设计要求及功能设计方案

1,设计任务要求及有关指标

2,功能设计

频次丈量方案的比较选择与理论剖析

1，频次丈量方法

2，方案的比较选择与理论剖析

3，方案的选择确立

系统总设计方案及整体框图

单元模块电路与程序设计

稳压源模块

放大整形模块

数据丈量计数模块

4，程序设计模块

测试结果剖析

1，稳压模块测试

2，放大整形电路测试

3，频次精度测试

实验过程碰到的问题及解决方法

1，电压不般配

2，161计数器计数不正确

3，自动换挡模块成效不够理想

4，不可以知足小信号输入时的要求

一，设计要求及功能设计方案

1,设计要求

基本要求

（1）频次丈量

丈量范围信号：

方波，正弦波；幅度：

~5V；

频次：

1Hz~1MHz；丈量偏差差≤10-3;

（2）周期丈量

丈量范围信号：

方波，正弦波；幅度：

~5V；

频次：

1Hz~1MHz；丈量偏差差≤10-3；

（3）十进制数字显示丈量结果。

发挥部分

（1）频次丈量

丈量范围信号：

方波，正弦波；幅度：

~5V；

频次：

1Hz~1MHz；丈量偏差差≤10-5

（2）周期丈量

丈量范围信号：

方波，正弦波；幅度：

~5V；

频次：

1Hz~1MHz；丈量偏差≤10-5；

（3）自行设计并制作知足本设计任务要求的稳压电源。

2，功能设计方案

能够丈量正常的方波频次，偏差≤10-5；

能够将正弦波放大整形为合适丈量的方波并正确丈量；

能正确的以十进制数显示出丈量频次；

能够实现多次丈量；

可实现高低频次的自动切换丈量;

频次丈量方案的比较选择与理论剖析

1，频次丈量方法

直接测频法

依据频次丈量的定义，在确立的闸门时间T内，利用计数器记录待测信号的周期数N，进而计算出待测信号的频次fx=N/T，原理如图2-1所示。

此方案对低频信号的丈量精度很低，较合适高频信号的丈量。

，测周法

以待测信号为门限，用计数器记录在此门限内的高频标准时钟脉冲数M，用计数器记录在此门限内的脉冲数N，由式fx=M/N确立待测信号的频次（原理以下图）。

入选定高频时钟脉冲而被测信号频次较低时，能够

获取很高的精度，而当被测信号频次过高时，因为丈量时间不足会有精度不够的问题，所以此方案合用于低频信号的丈量。

测周法原理图

，等精度测频法

此方案和测周法很相像，但其丈量时间其实不是被测信号的一个周期，而

是人为设定的一段时间。

以下图，闸门的开启和闭合由被测信号的上涨沿来控制，丈量精度与

被测信号频次没关，因此能够保证在整个丈量频段内的丈量精度保持不

变。

有关计数法同时使用两个计数器分别对待测信号频次fx和标频信号fm

在设定的精确门内进行计数，fx的上涨沿触发精确门。

若两个计数器在

精确门内对fx和fm的计数值分别为M和N，待测信号的频次为：

fx=Mfx/N。

等精度丈量原理图

此方法和直接丈量法不一样的是，计数器真实开始计数的时辰不是预置闸

门的开始时辰。

这样计数器1对待测信号计数，计数由待测信号的上涨

沿控制，计数值M为整数，不存在偏差。

计数器2对标频信号计数，这

样计数值N为非整数，故会存在±1的偏差。

此外，标频信号由晶振提

供，故不存在偏差。

详细实现方法

闸门脉冲

CLK

与

Fx计数器

门

运

算

单

元

与

Fm计数器

门

fm时钟发生器

2，方案的比较选择与理论剖析

方案比较与理论剖析

直接测频法：

此方案电路简单，软件简单实现，为知足实验要求精度，

较合适高频信号的丈量，对低频信号丈量精度很低。

理论剖析：

设开启其闸门时间为1S，计数值为N，则fx=N。

但对其计数

时会出现±1的偏差，故要达到10-5精度要求，一定使频次≥10k。

可是，

当给入方波经过软件试验后所测得的大批数据未能达到要求的精度，此

外低频段要用测周法丈量，直接测频法会给其频次的上限太高因此没法

实现（测周法剖析将会详尽介绍）。

故不可以采纳直接测频法。

测周法：

此方案是用于丈量频次较低的信号，频次高时，因为丈量时间

不够，致使精度较低。

理论剖析：

运用此方案时，以待测信号为门限，由430给出12MHz的高

频脉冲为标频，记录此门限内的脉冲数N，则fx=12*106/N;可是因为待

测信号的闸门开启闭合时间对标频信号是随机的，故对N会存在±1的

偏差。

所得fx*=12*106/（N±1）；

相对偏差△=（fx-fx*）/fx≤10-5，此时，计算可得fx应知足fx≤120Hz。

等精度测频法：

因为计数值M为正确值无偏差，计数值N仅

有±1的偏差，所以，理论上等精度法高低频测得的值都比较正确。

理论剖析

此时标频信号依旧用

430供给的

fm=12MHz

的高频脉冲，因为

对脉冲信号计数是由待测信号的上涨沿控制，故计数

值M无偏差，

出现±1

偏差,则

fx*=M*fm/（N

±1）。

△=（fx-fx*）/fx=1/（N±1）。

由此可知，

理论上等精度法测得的值偏差均可达到要求。

可是因为预置门和精确门

开启时间有限，本设计为1s左右，理论上能测低频为1Hz信号。

别的，

经过等精度法侧低频获取以下数据:

150

140

130

120

110

100

fx*

单位:

Hzfx:

输入信号频次fx*:

测得信号

由以上实验数据能够看出，等精度测频法在100Hz以上都能够达到五位

数字有效，fx≤100Hz后精度达不到。

3，方案的选择确立

鉴于三种方案的能知足设计要求精度的频次限制比较,直接测频法

偏差太大,不予以考虑。

而测周法仅合用于低频信号的丈量，等精度法对

低频信号有必定限制。

故本设计采纳测周法和等精度法相联合的方法测

量，即低频信号（fx≤100Hz）由测周法丈量，高频信号由等精度法丈量。

详细实现方法：

闸门脉冲

CLK

与

Fx计数

滞

门

器

回

高频段

比

低频段

较

与

Fm计

fm时钟发生器

门

数器

作为闸门

数

据

选

择

运

器

算

单

数

元

据

选

择

器

计数

三，系统总设计方案及整体框图

由上述所介绍各样频次丈量方案的比较选择选定频次丈量方案后，可确

定最后总系统统方案：

把输入的待测信号经过整形放大，获取可进行沿

判断或电平判断的方波信号，再对此信号进行判断。

假如所设置的低频

信号（fx≤100Hz），则采纳测周法用MSP430软件实现；若为所设置的

高频信号，则采纳等精度法，即把所设置的预置门信号和此待测信号分

别作为D触发器的D和CLK输入，由触发器触发精确门信号，把此信号

分别和待测信号、MSP430供给的12M高频脉冲送入与门，而后分别用

74HC161计数器1和计数器2经过与门后的信号进行计数，最后送入运

算单元运算后算出所测频次和周期，并经过液晶频显示出来。

系统整体框：

等精

度法

滞

待测信号

放大

MSP430

显示

回

整形

比

较

测

周

法

初始化

系统总电路图（见附录）

单元模块电路与程序功能设计

稳压源模块

本实验设计稳压电源模块方便对电路供电，稳压电源要务实现由220v交

流市电转变为稳固输出的±15v,±12v,±5v直流电压。

本设计采纳前级

220v转±15v变压器变压后，经过KBP206桥式整流器进行整流后获取±

18v左右的直流电压，将其接入此前设计的稳压模块输入端即可输出±

15v,±12v,±5v直流电压。

电路图以下：

T12

220Vrms

117

50Hz

4mF

0°

31B4B42

0.068

C18

4mF

1N4148

1kΩ

4.7kΩ

LM7815CT

LM7812CT

LM7805CT

LINE

VREG

LINE

VREG

LINE

VREG11

LED2

LED1

VOLTAGE

10uF

100nF

COMMON

10uF

COMMON

100nF

10uF

100nF

10uF

100nF

C14

C15

C16

C17

C12

C13

1kΩ

C10

C11

10uF

100nF

10uF

100nF

10uF

100nF

LED3

COMMON

VOLTAGE

LINE

VREG

LINE

VREG

LINE

VREG

LM7915CT

LM7912CT

LM7905CT

1N4148

2，放大整形模块

信号放大电路

本设计的信号放大电路采纳的是OPA604运放，它是FET输入型运放，

摆率为25V/us,增益带宽积为20MHz。

此时我们采纳两级OPA604，每级

放大10倍左右，使之达到饱和放大以便过

LM311

进行电压比较，电路

以下图。

整形电路

本设计的整形电路采纳的是LM311比较器进行比较使之获取稳固输出的

方波信号，为尽量防止信号噪声的扰乱，在其输出端接入200欧电阻到+5v设计成为滞回比较器，输出端与+5v端接入与门输出以便让信号上涨

降落更为峻峭，方便计数。

3，数据丈量计数模块

计数器单元

本实验采纳74HC161计数器用来记录所要获取的数据，74HC161

是四位二进制可预置的同步加法计数器,并拥有数据输出保持功能，

要知足试验精度要求，仅记四位是远远不够的。

为保证明验计数及精度的正确性，本设计采纳六个计数器级联的方式分别对待测信号

和标频信号在精确门内进行计数，此时可记24位。

电路如图：

读取数据单元

因为计数器位数太多，需要大批数据口对其进行读数，所以本设计采纳74HC151数据选择器来对74HC161所记的数一一选择出来，今后在

对其复原即可，这样便节俭大批数据口，防止浪费。

电路图以下：

4，程序设计模块

系统程序流图以下：

开始

初始化

MCU

f<100

测周法等精度法

LCD显示

测试结果剖析

稳压模块测试

经测试，稳压模块正常工作，所得电压稳固输出所需电压，测试结果如

下：

理想电压+15v+12v+5v-5v-12v-15v

测得电压+++

放大整形电路测试

关于前级放大整形模块进行测试：

方波和正弦波的互相切换能输出稳固

的方波信号，而且调频1Hz~1MHz，调电压幅度50mv~5v均能正常稳固

输出待测信号频次的方波以便后级计数模块对其进行计数。

3，频次精度测试

100

500

10k

fx*

50k

100k

300k

500k

800k

fx*

1000011500006

单位:

fx:

输入信号频次

fx*:

测得信号

测试结果显示，频次计丈量精度达到10-5知足实验要求。

六，实验过程碰到的问题及解决方法

电压不般配

实验过程时发现待测信号经过整形放大后再和相应的精确门共同经过与

门后，输出的信号频次远远偏离理想值。

但是对整形后待测信号和精确

门信号进行测试，均为理想值。

故可判定为与门出现问题。

解决方法：

实验时与门的使用往常采纳+5V供电，查问74HC08pdf可知

此时对与门来说高电平应为3V以上。

而本实验采纳低功耗单片机

MSP430实现，其所能供给的最大电压为。

进而发现电压不般配问题，本

实验采纳给与门供电减小为MSP430所供给的电压，使实验现象达到相

应要求。

161计数器计数不正确

在连结好实验电路后对高频信号检测的过程中发现，实验所测得

的频次与给出信号的频次相差甚远。

此时，先检查数据选择器借口全部

数据能否正确，经查验得其选择数据环节没有偏差。

又经过对74HC161的各个输出进行检测，结果发现其输出口分频结果完整正确，而且记到的数字与程序所及数据恰巧符合（但与正确频次有很大偏离），此时确

定为计数器74HC161使用的问题。

经过查阅74HC161芯片手册发现此芯片分频和计数功能不尽同样，查察其时序图可知，其开始计数是被测信号的上浮沿触发，进位是前一位的下跳沿触发。

故在级联时会出现提早计数的问题，致使数据杂乱。

经过认真，研究发现每一片的第四位老是在理想数据下提早其clk信号的1/16,而且是理想计数信号的取反。

解决方法：

由上述可知，改良方法有两种：

一，依据实质信号与理想信号差值关系和记录的实验数据把记录的错误数值进行写算法对其改正。

二，对每一芯片的最后一位输出端加一非门，使之正确的充任下一片的

clk，进而正确计数。

因为电路板已经布线焊接完成，在每个

161第四位

加一非门可能损坏电路的性能雅观等且不易焊接。

故本实验采纳第一种方案对其进行改正。

自动换挡模块成效不够理想

本设计采纳的是测周法和等精度法相联合的频次丈量方法,可是在实验过程中发此刻测周法和等精度法交接点邻近的频次丈量不够正确。

经

检查发现是此处对高低频次的判断出现问题，因为比较时的频次是初测值不够稳固，故其进入高低频丈量法不确立。

解决方法：

为解决此问题，我们采纳了滞回比较的方法对其进行判断，这样使不够特别稳固的频次锁定为某种丈量法丈量，获取稳固精确的频次值。

不可以知足小信号输入时的要求

对达成的设计进行检测时发现，在关于小信号的输入时频次丈量值特别不稳固，而且丈量精度很差。

在查找剖析软件硬件能否存在问题后，发现输入信号信噪比很差，电源供电电压噪声和信号源噪声比较大。

解决方法：

关于电源噪声，我们采纳对市电输出处增添一电源滤波器对其进行滤波。

关于小信号质量差，采纳使用衰减网络对大信号进行衰减获取比较稳固的高质量小信号。

经过这两部改良，小信号指标也能知足规定要求。

附录

系统电路图：

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