数控频率计设计报告.docx

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数控频率计设计报告

数字频率计

内容摘要：

频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。

传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。

测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。

本文阐述了用ATmega16单片机与相关硬件和软件设计了一个简单的数字频率计的过程。

引言

频率测量方法的优化越来越受到重视.频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。

通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。

闸门时间也可以大于或小于一秒。

闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。

闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。

本文。

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。

如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。

因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器

本设计基本要求是:

（1）可以选择不同的频率范围.

（2）测量波形为三角波或矩形波.

（3）测量波形频率范围为0~100HZ,幅值为TTL电平.

（4）使用数码管显示出实时频率值.

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发挥部分：

（1）测量范围可扩展到4MHZ，或者更高.

（2）测量波形可为任意波形.

（3）测量波形的幅值为1~5V峰峰值.

（4）自动切换档位.

方案设计与论证

数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。

随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，用C语言编程到ATmega16，将使整个系统大大简化。

提高整体的性能和可靠性。

ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

1方案设计与初步论证：

（1）频率测量方法概述 

                       频率测量方法

模拟法

 数字法

直读法

比较法

电容充放电式

电子计数式

电桥法

谐振法

差频法

示波法

拍频法

李沙育图形法

测周期法

表1 频率测量方法

直读法又称无源网络频率特性测量法;比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较,通过观、听比较结果,获得被测信号的频率;电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数,再用电磁式仪表测量充放电电流的大小,从而测出被测信号的频率值;电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法,它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。

    利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等一系列优点,所以下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种方法。

（1）脉冲数定时测频法（M法）:

此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx,则待测频率为:

　Fx=Mx/Tc                                                            

    显然,时间Tc为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx的误差。

其特点在于:

测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关,当待测信号频率较低时,误差较大。

    ⑵脉冲周期测频法（T法）:

此法是在待测信号的一个周期Tx内,记录标准频率信号变化次数Mo。

这种方法测出的频率是:

     　               Fx=Mo/Tx                                    

    此法的特点是低频检测时精度高,但当高频检测时误差较大。

    ⑶脉冲数倍频测频法（AM法）:

此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。

通过A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。

其待测频率为:

     　              Fx=Mx/ATo                                      

    其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低;精度比M法高A倍,但控制电路较复杂。

     ⑷脉冲数分频测频法（AT法）:

此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。

由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测频率为:

     　                 Fx=AMo/Tx                                 

其特点是高频测量精度比T法高A倍;但控制电路也较复杂。

     ⑸脉冲平均周期测频法（M/T法）:

此法是在闸门时间Tc内,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数

Mx和标准信号的脉冲数Mo。

若标准信号的频率为Fo,则待测信号频率为:

     　                Fx=FoMx/Mo                                

M/T法在测高频时精度较高;但在测低频时精度较低。

    ⑹多周期同步测频法:

是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法,待测信号频率与M/T法相同。

此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的±1个字误差,

测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。

3确定实验方案

3．1可用实验方案介绍

3.1.1方案1

   采用频率计模块（如ICM7216）构成。

特点是结构简单,量程可以自动切换。

     ICM7216内部带有放大整形电路,可以直接输入模拟信号。

外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。

用转换开关选择10ms,0.1s,1s,10s四种闸门时间,同时量程自动切换。

缓冲电路是为了让频率计采用记忆方式,即计数过程中不显示数据,待计数过程结束后,显示测频结束,并将此显示结果保持到下一次计数结果,显示时间不小于1s,小数点位置随量程自动移动。

芯片驱动电路输出15mA—35mA的峰值电流,所以在5V电源下可直接点亮LED。

3.1.2方案2：

系统采用可编程逻辑器件（PLD，如ATV2500）作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。

该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。

方案3:

系统采用ATmega16单片机，门控信号由T0内部的计数定时器产生，单位为1µs。

由于单片机的计数频率上限较低，所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，最后使整个电路完成运算、控制及显示功能。

由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。

3.2方案比较及确定

以上方案均需使用小信号放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。

方案比较及选用依据：

显然方案二要比方案一简洁、新颖，但从系统设计的指标要求上看，要实现频率的测量范围0．1Hz-10MHz。

以频率下限0.1Hz比来说，要达到误差〈0．01％的目的，必须显示5位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到达个测量精度，需要主门连续开启1000S，由此可见，直接测频方法对低频测量是不现实的，而采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题，实现课题要求。

也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。

另外由于使用了功能较强的ATmega16芯片，使本系统可以通过对软件改进而扩展功能，提高测量精度。

因此我们选择采用方案三作为具体实施的方案

方框图:

 各部分功能说明

ATmega16是一个基于增强地AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，所以ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

ATmega16有如下特点:

16K字节的系统内可编程的Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。

片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。

引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。

在更新应用Flash存储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现了RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：

C语言编译器、宏汇编、程序调试。

ATmega16的引脚

VCC数字电路的电源

GND地

端口A（PA7..PA0）

端口A做为A/D转换器的模拟输入端。

端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。

端口B（PB7..PB0）

端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。

端口C（PC7..PC0）

端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。

如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。

端口D（PD7..PD0）

端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。

RESET复位输入引脚。

持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。

XTAL1向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。

XTAL2反向振荡放大器的输出端。

AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。

不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。

使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。

AREFA/D的模拟基准输入引脚。

数码管显示

这个设计用了四个共阳的七段发光二极管实现显示电路.

（a）共阴连接（“1”电平驱动）（b）共阳连接（“0”电平驱动）

图3LED数码管

a、七段发光二极管（LED）数码管

LED数码管是目前最常用的数字显示器，图3.5.5为共阴管和共阳管的电路和两种不同出线形式的引出脚功能图。

一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。

小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为2～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5～10mA。

LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。

波形转换电路

主要用施密特触发器来实现.施密特触发器在电子电路中常用来完成波形变换,幅度鉴别等工作.它具有的特点是:

第一,电路的触发方式是电平触发,对于缓慢变化的信号也适用,当输入电压达到某一定值时,输出电压会发生跳变.第二,在输入信号增加和减少的时候,施密特触发器有不同的阀值电压,施密特触发器有同相输出和反相输出两种电路形式.在施密特触发器的输入端加入正弦波,它可以将正弦波转换为同频率的矩形波,改变施密特触发器的VT+和VT-就可以调节V0的脉宽.

电子

设计在大学学习的时间里我们由于追求过多的理论学习，而对实际动手的机会却是寥寥无几，相对大量的理论学习，实际操作更能激发出我们学习的热情。

“坐而言不如立而行”，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

院举办的“求是杯”大学生电子设计竞赛让以前我们学习的《数字电子技术基础》和《模拟电子技术基础》两门课程就是通向实践的基石，在那些课程里，我们充实了数字电路和模拟电路的知识，利用电子元件的性能，熟悉了它们的在实际生活中的作用我们组同学们去焊接一个个的焊点，将一个个原本互不相干的元器件通过电路的组合，组成一个实际能够现功能的电路，心中的成就感就肯定是不言自明。

电子竞赛设计的最重要的一个性质就是他的创造性，竞赛的整个设计任务主要由每个组独立完成，这就须充分调动我们的积极性，发挥我们的主观能动性，激发我们的热情。

每组同学独立进行查阅资料、设计方案与组织实验等工作，并写出报告。

使我们将学过的理论知识再创造后用于工程实际，从而培养我们善于调查研究，勤于创造思维，勇于大胆开拓的学习作风。

使我们对于未来成为一个具备电子与信息技术高级技术专门人才所需的基本理论知识、基本技能

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这次竞赛中我们组能用ProtelDXP等软件绘制PCB图，掌握电子电路调试的方法，能正确使用电子仪器对电子电路进行调试，能独立解决设计与调试中出现的一般问题，能正确选用元器件与材料，能对所设计电路的指标和性能进行测试并提出改进意见，能查阅各种有关手册，能正确编写设计报告。

电子竞赛它只是电子电路设计的一次演习，它重在基础训练，是电子产品研制的原理电路设计阶段，与研制电子产品的实际情况存在相当大的差距。

它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神。

使我对电子元件及焊接调试有一定的感性和理性认识，打好了日后学习电子技术课的入门基础。

同时实习使我获得了培养我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，最主要的是培养了我们一个组上午同学之间的团队合作、共同探讨、共同前进的精神。

作为信息时代的大学生，作为国家重点培育的高技能人才，仅会操作鼠标是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。

对自己的动手能力是个很大的锻炼。

实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。

没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。

参考文献

[1]、张军编著：

《AVR单片机》

中国电力出版社，2005

[2]、求是科技编著:

《单片机典型模块设计实例导航》

人民邮电出版社,2004

[3]、周慈航编：

《单片机应用程序设计技术》

北京航天航空大学出版社，1991。

[4]、李广第编著：

《单片机基础》

北京航天航空大学出版社，1993。

[5]康华光主编：

《电子技术基础（模拟部分）》

高等教育出版社，1998。

[6]、康华光主编：

《电子技术基础（数字部分）》

高等教育出版社，1998。