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频率测量设计

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简介:

频率仪器是数字电路中一个典型应用,实际的硬件设计用到的器件较多,联机比

较复杂,而且会产生比较大的延迟。随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用,将使

整个系统大大简化。提高整体性能,它是直接用十进制数字来显示被测信号频率

的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波,方波,三角波,尖脉冲信号和其他具

有周期的信号的频率,而且还可以测量他们的周期。经过改装,可以测量脉冲宽

度,做成数字式脉宽测量仪:可以测量电容做成数字电容测量仪;在电路中增加

传感器,还可以做成数字脉搏仪,计价器等。因此数字频率仪在测量物理量方面

有广泛应用,数字式频率计是测量频率最常用的仪器之一,其基本设计原理是首

先把待测信号通过放大整形,变成一个脉冲信号,然后通过控制电路控制计数器

计数,最后送到译码显示电路里进行显示。

1频率计的设计原理

交变信号或脉冲信号的频率是指在单位时间内,由信号所产生的交变次数或

脉冲个数,即fx=N/t.可以看出测量fx,必须将N或t两个量之一作为闸门或

基准,对另一个量进行测量。在一般数学电路中,对fx的测量是由电路提供标

准闸门信号即t=Tz,Tz通常为1s或它的十倍百倍等,然后对Tz内的被测信

号变化的次数进行计数,得到Nx,即可得到fx=Nx/Tz.对于低频信号,数字电

路中采用的是测周期法,即Tx=1/fx=t/N,由电路提供标准时基信号Ts,将被测

信号的周期作为闸门,将测量转化为对标准时基信号进行计数Tx=nx*Ts。

频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。这种方法免去了实测

以前的预测,同时节省了划分频率的时间,克服了原来高频率采用测频模式而低

频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。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

1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

的时间隔就越长。闸门时间越短,测得频率值刷新据越快,但测得的频率精度就

受影响。本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。主要介绍了整

形电路、控制电路和显示电路的构成原理,以及其测频的基本方法。进行了相应

的硬软件设计。

2.频率计总体方案设计

单片机是数字信号处理工具。输入单片机的信号必需是离散的数字信号或者是脉

冲信号。因此检测来的正弦信号必需经过预处理变为单片机能接受的,且是采集

简便,计算工作量较少的信号。首先将信号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移

信号,同时也进行线性放大,使之变为一波形正规幅值适当的正弦信号,然后经

过零比较器变为方波信号进入

整体实验原理框图

系统通过MCS-51的单片机对分频系数的控制来实现不同的时基,确保计数器能

够接近满计数值,提高了测量控制系统的精度。

3.系统硬件设计

3.1基准时基产生电路

此电路简单的电容电阻以及反相器的组合确保晶振振荡精确,保证时基的准

确性,采用32.768KHZ的石英晶体振荡器,通过如下电路的连接,实现对信号的

整形,使其输出较为完整的波形。

3.2可控分频电路

本电路同通过一个4位2进制计数器,以及异或门和或门的组合形成了一个

分频系数可控的时基电路,通过单片机的4个引脚控制分频系数可在1~15之间。

采用4个电路级联,形成2^16以内的任意频

3.3时基选择电路

本电路通过两个数据选择器,通过对控制两路信号的控制可以来选择频率低作

为开关门信号,另个信号则作为计数信号,被选择通过,从而实现

高低频率的测量。

Fc为经过分频后的标准时基信号Fx为被测信号,F0为门控信号,当测量频率

的比时基信号的频率较高时,选择Fc为门控信号,基将P1.4置0,反之,则将

P1.4置为1,这样就可实现低频信号的测量。

3.4频率控制电路

此电路采用两个D触发器,分别实现信号的的控制与反馈,反馈信号与单片机

控制信号的异或实现对频率的控制

3.5.计

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