毕业设计(论文）：频率计的设计.doc

1引言 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在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。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。相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。常应用在科学领域，如数学、物理学、电学等。交流电的大小和方向是随时间变化的两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。 图2.1 方案一方框图 2.1.2方案二： 方案二的结构框图如下图2.2所示。 图2.2 方案二方框图 2.2方案论证 本设计要完成信号频率的测量和相位差的测量。设计中有两路输入信号，也是被测量信号，它们是两个频率相同的正弦信号，频率范围为20Hz到20KHz，幅度为1到5V（可以扩展到（0.3到5V），但两者幅度不一定相等。 令正弦信号为，式中：称为幅值（最大值），且=,称为有效值；称为相位，称为初相位，称为角频率。、、称为正弦量的三要素。 方案一和方案二的比较见表2.1。 表2.1方案一和方案二的比较 方案 项目 方案一 方案二 芯片部分 741 741 整形部分 LM324 LM339 信号转换部分 74HC08 FPGA适配板 单片机部分 STC12C5A3252 AT89C51 显示部分 LED LED 只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正弦信号为 则相位差，由此可看出，相位差在数值上等于初相位之差，是一个角度。 不妨令,式中是相位差对应的时间差，且令为周期信号，则有比例关系:360°=:,可以推导得到 =360° 此式说明，相位差与 一一对应，可以通过测量时间差及周期信号的测量，也就是时间的测量，而时间的测量则要用到电子计数器。 信号频率的测量可以采用直接测频率的方法和周期测频率的方法。一般信号频率较高时，采用直接测频率法，而信号频率较低时，采用测周期的方法。用直接测频率的方法获得信号频率即是让定时器/计数器T1对外部事件计数，而让定时器/计数器T1定时1s，只有在这1s内T1启动对外部事件（即信号I）计数，则T1的计数值就是待测信号的频率。用测周期的方法获得信号频率即是对I进行2分频后的波形中，高电平的宽度正好对应I的周期，我们将此高电平信号作为单片机内部定时器的硬件启动/停止信号，便可测得周期T,由公式,得频率。 方案一工作原理：两路待测信号经整形后变成了矩形波信号1和2，1和2是同频率，不同相位的矩形波。 （） 图2.3输入信号图 （2） 图2.4相位比较图 方案一工作原理：让FPGA实现数据的采集，即待测信号的频率f、两路输入信号的相位差所对应的时间差t分别转换为二进制数据，供STC单片机读取使用。STC从FPGA获取数据并经过CPU计算、转换等有关处理后，得到信号的频率和相位差并送LED数码管显示。 待测信号1、待测信号2经整形电路处理后，变为矩形波，不妨令其为A、B，可以认为A、B为两个同频率的有相位差的矩形波。FPGA通过对整形后的信号A、B的处理，要获得二进制数形式表示的信号频率以及相位差对应的时间差。 （1）频率的测量。对频率的测量采用测周期的方法，即在信号周期T时间内，对时标信号进行计数。设时标信号的频率为f，时标信号周期为T，对信号A二分频都得信号高平宽度就是信号周期T，此高电平宽度作为闸门的控制信号，控制计数器在T时间内对f进行计数，则有N/F=T，被测信号的频率为: f=1/T=f/N 上式中N计数器的计数值，当f一定时，它的大小表示信号频率的大小。 （2）相位差对应的时间差T的测量。对相位差的测量跟频率测量的方法类似，不过闸门控制信号为AB的高电平宽度，则有: N/f=T （3）f的确定及其FPGA的二进制数据位数的确定。因为相位差测量的绝对误差 ，而FPGA在测量T时有一个字的误差，对待测信号频率f=20kHz而言，下式成立： ：=：50us 则有