正弦波三角波方波等多用输入频率检测仪设计

精品文档---下载后可任意编辑 设计内容为设计一台能够输入正弦波、三角波、方波等信号的多用输入频率检测仪表。要求能对10Hz~1MHz信号检测及显示，相对测量精度优于0.01%。 相对测量精度定义： [（实际测量值-理论值）/测量值]*100% 要求在测量范围内的任何一个测量点保证万分之一精度！频率跨度大，要求比较高。 题目分析（关键方案论证） 一、频率测量及频率计组成原理： 常用数字频率测量方法：M法，T法和M/T法。 M法（测周法）通过测量被测信号一个周期时间计时信号的脉冲个数，然后换算出被测信号的频率。适合于高频信号的测量。 T法（测频法）是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。适合于低频信号的测量。 M/T法则结合了上面两种的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率可兼顾低频与高频信号的频率测量。 目前还有其他测量方法，如等精度测量，双等精度测量等，但其核心思想都是上述三种方法。 直接测频法是通过测量标准闸门时间内待测信号的脉冲数而计算出待测信号频率的，由于闸门时间通常不是待测信号周期的整数倍，因此存在最大±1的待测信号脉冲误差，只能在信号频率较高时采纳；测周法是通过测量待测信号的周期并求其倒数而求得其频率的，在待测信号的一个周期内也存在最大±1的标准信号脉冲误差，只能在信号频率较低时采纳。这两种频率测量方法都存在局限性，并难以实现宽频带、高精度的频率测量。 目前高精度的测频均采纳所谓等精度测量方法。等精度测频的方法是：采纳频率准确的高频信号作为标准频率信号，保证测量的闸门时间为被测信号的整数倍，并在闸门时间内对标准信号脉冲和被测信号脉冲同时进行计数，实现整个频率测量范围内的测量精度相等，当标准信号频率很高，闸门时间足够长时，可实现高精度的频率测量。 等精度测频原理示意图如图6-1所示。测量精度与闸门时间的关系分析如下：闸门控制信号（CL）给出高电平，此时并未开始进行测频计数，而要等到被测信号的上升沿到来时才开始对标准时钟信号和被测信号同时进行测频计数。当闸门控制信号经过Tc时间高电平结束时，也要等到被测信号的上升沿到来时才同时停止对标准信号和被测信号的计数，并读取此时的计数值。测频计数的闸门时间为Td，标准时钟信号频率为fs，被测信号频率为fx，在Td时间内对标准时钟信号和被测信号的脉冲计数值分别为Ns和Nx，则被测信号的频率可由fx=fs×Nx/Ns求得。 对标准信号所产生的计时误差Δt=Td-Ns×Ts，由于Δt最大为一个标准信号的周期，即Δt≤Ts，则： fx=Nx/(Ns.Ts)=Nx/(Td-Δt) 而待测信号频率的准确值fx0=Nx/Td, 则频率测量的相对误差为： δ=(fx-fx0)/fx0=Δt /（Td-Δt ） 当Td远远大于Δt时，频率测量的最大误差为δm=Ts/(Td-Ts)≈Ts/Td，由标准时钟信号的周期Ts和频率计数的闸门时间Td决定，Ts越小、Td越大，测量误差越小，即测量精度越高。在整个频率测量范围内，精度恒定，实现了等精度测量。当标准信号选取准确的1MHz信号源，Ts＝1us，选取Td≥100ms，就可使测量的最大相对误差≤10－5，即达到万分之一的测量精度。测频闸门时间Td的选取，还应保证大于一个被测信号周期Tx。 目前采纳FPGA设计的等精度频率计方案较多，但成本较高。等精度测量原理框图，如图6-2所示。预置门的打开和关闭由被测信号和预置的测量时间控制，计数器Nx在预置门的控制下对被测信号频率计数，控制门根据预置门产生一个与被测信号同步的同步门；计数器No在同步门的控制下对时标计数，得到精确的闸门时间Tg。设时标周期为To，则被测频率Fx=Nx/NoTo。 图6-2 等精度测量原理框图 二、本设计方案 本设计以51单片机为控制核心，全部系统均采纳常规数字与模拟芯片。首先对输入的频率信号进行放大整形，使之转换成标准的TTL电平；然后根据频率大小自动选择不同的分频通道，再送入单片机进行计算处理，最后将处理结果显示出来。该系统具有电路简单、精度高、测量范围宽等特点。因此, 本设计的系统的具有良好的有用价值。 本设计的系统计划主要由信号放大整形模块、分频与量程自动切换模块、微处理器模块、人机界面模块、电源输入模块等组成。其系统整体框图如图6-3所示。 信号放大整形模块 分频和量程自动切换模块 微处理器模块 人机界面模块 电源输入模块 图6-3 系统整机结构框图 1、测量方法选择 方案一：采纳计数法测频法，方法简单，易实现，但低频精度不高，不适合宽范围测量。 方案二：采纳测周法，低频精度高，但不适合高频范围。 方案三：采纳等精度法，相对复杂，但精度高，适合范围大。 这是本设计的关键，也是系统设计核心思想。根据设计要求和设计者自身能力考虑，本设计选择方案三。 在具体的设计中，计划使用外部中断捕捉外部信号下降沿，用定时器累积外部信号多个周期的总时间（计划以500ms同步，实际计量均大于等于500ms ）。因单片机工作速度有限，为提高MCU工作效率，避开高频被测信号过度频繁触发中断，计划使用多级10分频器，配合数据选择器，将高频降到低频范围后测量。 2、微处理器选择 方案一：采纳Philips系列的低功耗单片机，如LPC922，3V供电，20脚DIP封装，特点功耗低。 方案二：普通51系列单片机，如AT89C52，5V供电，40脚DIP封装，8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，三个16 位定时器/计数器。单片机编程实现简单，能满足软硬件功能要求。 本系统中，要求被测量的信号的频率、幅度范围较宽。若采纳3V供电系统则对外围芯片要求高，实验室较难实现。且普通51系列单片机足以满足需要，普通的仿真器即可支持系统开发。故决定本设计采纳方案二。 注意：实际上，假如作为商品设计，仍建议采纳LPC922之类的新型51兼容单片机，因为他们还能够高速工作，有利于提高最终测量精度！ 3、分频和量程切换部分 分频部分采纳集成计数器电路CD4518完成，量程切换主要有以下两种方案可选择。 方案一：采纳量程手动切换，如采纳手持式万用表的旋钮开关。该方法简单，易于实现。 方案二：量程自动切换，采纳数据选择器芯片，如74HC151，利用单片机的I/O口对74HC151的通道选择端进行控制，选择当前信号的输入通道，从而实现量程的自动切换。 自动切换量程是当前仪器仪表的进展主流，体现智能化，同时避开人为操作误差。经考虑，本设计采纳方案二。具体使用了两个100分频和一个信号（低频时）直接输入，MCU需要控制三个选择，有软件进行自适应档位切换！ 4、人机界面 方案一：采纳普通的数码管显示，亮度高，醒目，价格便宜；但比较耗电，电路连接复杂，占用资源较多且显示单调。 方案二：采纳LCD液晶显示屏，不仅可以显示数字，还可以显示汉字、字符与图片。功耗低，电路连接简单，系统