数字频率计设计(PCB图+电路图+源程序) 第4页
第2章 方案提出与论证
2.1 频率测量原理
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，但闸门时间越长则每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。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。
2.2 频率测量方法概述
表2-1 频率测量方法
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
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 内待测信号的脉冲个数 ，则待测频率为：
（2-1）
显然，时间 为准确值，测量的精度主要取决于计数 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。
（2）脉冲周期测频法(T法)： 此法是在待测信号的一个周期 内，记录标准频率信号变化次数 。这种方法测出的频率是：
（2-2）
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。
（3）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；
（2-3）
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。
（4）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：
（2-4）
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。
（5）脉冲平均周期测频法(M/ T法)：此法是在闸门时间 内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数 和标准信号的脉冲数 。若标准信号的频率为 ，则待测信号频率为：
（2-5）
M/ T 法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。
（6）多周期同步测频法：是由闸门时间 与同步门控时间 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。
2.3 可用方案介绍
数字频率计是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。传统的数字频率计大多采用74LS系列数字集成电路直接测频，在使用过程中存在电路结构复杂，测量精度低、故障率高、维护不易等问题。于是，随着芯片技术的发展，很多芯片被应用到频率计的设计当中，因此频率计的设计又大致出现了两种方案。
一种是专用芯片，如利用MAXIM 公司的ICM7240制作的频率计。其特点是简单易行,但由于这种芯片的最高计数频率仅有15MHz，远不能达到在一些场合需要测量很高频率的要求,而且测量精度也受到芯片本身的限制。
另一种方案是以单片机为主再附加一些外围电路来设计数字频率计，采用这种方案有一个很大的优点，那就是可通过单片机的软件设计，采用适当的算法，取代很多以前用硬件实现的电路，这不仅能弥补以往频率计测量精度低、故障率高、维护不易等不足，而且性能也得到了很大的提高。
2.4 确定方案
从方案介绍里可以得知两种方案都比较简洁。但是前一种方案是采用的专用集成芯片，用这种芯片来做数字频率计达不到培养学生能力的目的，而且该种方案设计的频率计的精度不够高。后一种方案由于使用了功能较强的单片机，使系统可以用软件设计来代替原来的部分硬件设计以实现原有功能。采用软件设计，不仅可以通过对软件的调整来提高频率计的测量精度，而且制作出现故障时修改比较容易。
单片机是一种发展极快，应用方式极其灵活的芯片。它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到了广泛的应用，同样单片机也应用到了频率计的制作当中。本设计是对被测信号进行分频后送入单片机，由单片机对其测量，将测量的结果，经过运算后通过显示器显示出来。
单片机中一般都设有定时计数器,如MCS-51 系列的单片机片内有两个独立的16 位定时计数器,再利用外扩展计数器的方法就可以构成24 位、32 位等量程的计数器,从而可以使其计数模值提高到16M、4G左右,若再采用单片机的定时计数器溢出中断的办法,计数模值可以更高；从理论上讲,采用这种扩展的办法构成的计数器其模值可以是任意大。若这种计数器输入的计数脉冲是周期性的、连续的脉冲信号，就可以构成频率计。显然，从理论上看这种频率计的测量模值也可以做到任意大。但在实际应用中，由于电子器件的开关速度都不可能做到任意大，从而大大地限制了其工作频率。因此提高频率计的工作频率只能在硬件选材上下工夫。
第3章 系统硬件设计
3.1 系统硬件总述
本课题所设计的频率计由单片机AT89C51 、计数器74HC393 、分频器MB501以及时钟晶振等构成。利用外扩的计数器74HC393和单片机AT89C51 内含的16 位计数器来构成多位计数器对待测信号计数。采用的双四位二进制计数器74HC393最高计数频率可达39MHz。若先对外部信号进行分频计数，再利用AT89C51对所测信号进行相对应的扩频，这样可使频率计的最高测量频率达GHz 数量级范围，由此达到频率计测量的宽范围的要求。该频率计测量范围为10Hz～2.0GHz ,分2 个频段实现。(1) 1Hz～60MHz (2) 50MHz～2.0GHz。如图3-1所示，为频率计的原理方框图。
图3-1 频率计原理方框图
下面对频率计的每一组成部分做一下简单的相应介绍，后面的章节将对每一部分做简单介绍。
1. 信号输入电路：此部分包括两个小部分，第一部分是信号保护电路，是有两个反向并联的二极管组成。第二部分是由三极管、电容、电阻、电感组成的放大电路，用来提高输入阻抗和放大前级提供的微弱信号。
2. 分频电路：这一部分只用于信号>50MHz的电路，实现对高频信号的分频。
3. 闸门选择电路：由于该频率计有两个信号输入端口，因此频率计工作时，要先根据被测频率的大概大小来判断闸门电路应该接通与哪个端口相连的电路，这样测出的频率才会比较精确。
4. 计数器：由四块双四位二进制计数器74HC393、单片机AT89C51内部计数器T0共同构成，其中AT98C51内的计数器被设置成16位计数器。
5. 时钟提供：制作单片机频率计的关键点在于时基信号的准确性和稳定性，它决定频率计的技术精度。
6. 显示：当待测信号的频率被测量出大小后需要由显示电路显示出来，这里的显示模块是1602LCD，选用1602LCD是因为其占用单片机资源极少，并且还可以显示一些辅助信息。
该频率计的输入电路分成两个端口，对应两个频段，输入电路主要完成对被测量信号的限幅、放大和整形。通道1输入信号频率为1Hz~60MHz，通道2为50MHz~2.0GHz，自校信号取自单片机的时钟电路，频率为11.0592MHz。电路的核心是计数及控制逻辑电路，通道2实现高速频率计数，计数最高频率可达2.0GHz。单片机完成整个系统的控制功能，包括信号的处理、计数过程控制及频率测量结果的处理和显示等。计数器在单片机的控制下主要完成计数功能，并锁存闸门时间内的计数值。电源部分采用220V交流电经变压、滤波、稳定后得到5V电压供整个系统使用。最后频率计测量的结果由液晶显示器1602LCD显示出来。如果不用该显示器而用数码管来显示，则要采用数码管专用驱动芯片来做一个显示模块。频率计的整机电路图见附录1。PCB板图见附录2。
3.2 信号输入电路
本频率计的输入电路分两个量程，分别对应两个频段。图3-2为信号输入1通道的电路图，其测量范围是1Hz～60MHz，图3-3为信号输入2通道的电路图，其测量范围是50MHz~2.0GHz。输入电路主要完成对被测信号的限幅、放大、整形与转换作用。
图3-2 信号输入1通道的电路图
图3-3 信号输入2通道的电路图3.2.1 信号输入1通道电路
信号输入1通道电路中，首先采用两个二极管对幅度较大的输入信号进行限幅。输入端采用RC高通电路，下限频率可达1Hz。在这里C10，R12，Q2，R13组成放大电路的射极输出器，用来提高输入阻抗。那么为什么要用射极输出器来提高输入阻抗呢？射极输出器在电子技术中的应用十分广泛，对交流信号而言，射极输出器的三极管的集电极是输入与输出回路的公
上一页 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] ... 下一页 >>