数字频率计设计方案报告.doc

数字频率计设计报告

电子信息学院
王家华
邹仁亭
肖 伟

摘 要
在电子技术中，频率是最基本参数之一，并且与许多电参量测量方案，测量成果均有十分密切关系，因而频率测量显得更为重要。频率测量方式普通是对方波信号进行沿判断或电平判断，再对相应方波脉冲进行计数从而实现频率测量，因而频率测量精度比普通其她物理量精度要高诸多。
数字频率计是近代电子技术领域重要工具之一，同步也是其她许多领域广泛应用测量仪器（测量系统通过转换电路将所需测量量转换为频率）从而通过测频率来提高精度。本设计数字频率计是基于超低功耗MSP430单片机来测量信号频率，通过计数器计数，并用十进制数显示出来，它具备精度高，测量速度快，读数直观等长处。

核心词：频率测量 ;数字频率计；单片机；计数器;显示；

目 录
一， 设计规定及功能设计方案
1,设计任务规定及有关指标
2,功能设计
二， 频率测量方案比较选取与理论分析
1，频率测量办法
2，方案比较选取与理论分析
3，方案选取拟定
三， 系统总设计方案及总体框图
四， 单元模块电路与程序设计
1， 稳压源模块
2， 放大整形模块
3， 数据测量计数模块
4，程序设计模块
五， 测试成果分析
1，稳压模块测试
2，放大整形电路测试
3，频率精度测试
六， 实验过程遇到问题及解决办法
1，电压不匹配
2，161计数器计数不精确
3，自动换挡模块效果不够抱负
4，不能满足小信号输入时规定

一，设计规定及功能设计方案
1,设计规定
1.1基本规定
（1）频率测量
测量范畴信号：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；
频率：1Hz~1MHz；测量误差差≤10-3;
（2）周期测量
测量范畴信号：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；
频率：1Hz~1MHz；测量误差差≤10-3；
（3）十进制数字显示测量成果。
1.2 发挥某些
（1）频率测量
测量范畴信号：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；
频率：1Hz~1MHz；测量误差差≤10-5
（2）周期测量
测量范畴信号：方波，正弦波；幅度：0.5~5V；
频率：1Hz~1MHz；测量误差≤10-5；
（3）自行设计并制作满足本设计任务规定稳压电源。
2，功能设计方案
（1） 可以测量正常方波频率，误差≤10-5；
（2） 可以将正弦波放大整形为适合测量方波并精确测量；
（3） 能对的以十进制数显示出测量频率；
（4） 可以实现多次测量；
（5） 可实现高低频率自动切换测量；
二， 频率测量方案比较选取与理论分析
1，频率测量办法
1.1,直接测频法
依照频率测量定义，在拟定闸门时间T内，运用计数器记录待测信号周期数N，从而计算出待测信号频率fx=N/T，原理如图2-1所示。此方案对低频信号测量精度很低，较适合高频信号测量。

1.2，测周法
以待测信号为门限，用计数器记录在此门限内高频原则时钟脉冲数M，用计数器记录在此门限内脉冲数N，由式fx=M/N拟定待测信号频率（原理如图所示）。当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时，可以获得很高精度，而当被测信号频率过高时，由于测量时间局限性会有精度不够问题，因此此方案合用于低频信号测量。

测周法原理图
1.3，等精度测频法
此方案和测周法很相似，但其测量时间并不是被测信号一种周期，而是人为设定一段时间。
如图所示，闸门启动和闭合由被测信号上升沿来控制，测量精度与被测信号频率无关，因而可以保证在整个测量频段内测量精度保持不变。
有关计数法同步使用两个计数器分别对待测信号频率fx和标频信号fm在设定精准门内进行计数，fx上升沿触发精准门。若两个计数器在精准门内对fx和fm计数值分别为M和N，待测信号频率为：fx=Mfx/N。

等精度测量原理图
此办法和直接测量法不同是，计数器真正开始计数时刻不是预置闸门开始时刻。这样计数器1对待测信号计数，计数由待测信号上升沿控制，计数值M为整数，不存在误差。计数器2对标频信号计数，这样计数值N为非整数，故会存在±1误差。此外，标频信号由晶振提供，故不存在误差。
详细实现办法
D Q

CLK

闸门脉冲
Fx计数器
与门

运算单元
M
fx
Fm计数器
与门

fm时钟发生器
N

2，方案比较选取与理论分析
2.1 方案比较与理论分析
直接测频法：此方案电路简朴，软件容易实现，为满足实验规定精度，较适合高频信号测量，对低频信号测量精度很低。
理论分析：设启动其闸门时间为1S，计数值为N，则fx=N。但对其计数时会浮现±1误差，故要达到10-5精度规定，必要使频率≥10k。但是，当给入方波通过软件实验后所测得大量数据未能达到规定精度，此外低频段要用测周法测量，直接测频法会给其频率上限太高因而无法实现（测周法分析将会详细简介）。故不能选用直接测频法。
测周法：此方案是用于测量频率较低信号，频率高时，由于测量时间不够，导致精度较低。
理论分析：运用此方案时，以待测信号为门限，由430给出12MHz高频脉冲为标频，记录此门限内脉冲数N，则fx=12*106/N;但是由于待测信号闸门启动闭合时间对标频信号是随机，故对N会存在±1误差。所得fx*=12*106/（N±1）；
相对误差△=（fx-fx*）/fx≤10-5，此时，计算可得fx应满足fx≤120Hz。
等精度测频法：由于计数值M为精确值无误差，计数值N仅有±1误差，因此，理论上等精度法高低频测得值都比较精确。
理论分析:此时标频信号依然用430提供fm=12MHz高频脉冲，由于对脉冲信号计数是由待测信号上升沿控制，故计数 值M无误差，N浮现±1误差,则fx*=M*fm/(N±1)。△=（fx-fx*）/fx=1/(N±1)。由此可知，理论上等精度法测得值误差均可达到规定。但是由于预置门和精准门启动时间有限，本设计为1s左右，理论上能测低频为1Hz信号。此外，通过等精度法侧低频得到如下数据:
fx
150
140
130
120
110
100
90
fx*
150.001
140.002
130.002
120.003
110.004
099.998
089.998
单位:Hz fx:输入信号频率 fx*:测得信号
由以上实验数据可以看出，等精度测频法在100Hz以上都可以达到五位数字有效，fx≤100Hz后精度达不到。
3，方案选取拟定
鉴于三种方案能满足设计规定精度频率限制比较,直接测频法误差太大,不予以考虑。而测周法仅合用于低频信号测量，等精度法对低频信号有一定限制。故本设计采用测周法和等精度法相结合办法测量，即低频信号（fx≤100Hz）由测周法测量，高频信号由等精度法测量。
详细实现办法：

D Q

CLK

数据选取器
Fx计数器
闸门脉冲
与门

运算单元
滞回比较
M
fx 高频段
数据选取器
Fm计数器
与门
低频段
fm时钟发生器
作为闸门

fm
计数
N

三，系统总设计方案及总体框图
由上述所简介各种频率测量方案比较选取选定频率测量方案后，可拟定最后总体系统方案：把输入待测信号通过整形放大，得到可进行沿判断或电平判断方波信号，再对此信号进行判断。若是所设立低频信号（fx≤100Hz），则采用测周法用MSP430软件实现；若为所设立高频信号，则采用等精度法，即把所设立预置门信号和此待测信号分别作为D触发器D和CLK输入，由触发器触发精准门信号，把此信号分别和待测信号、MSP430提供12M高频脉冲送入与门，然后分别用74HC161计数器1和计数器2通过与门后信号进行计数，最后送入运算单元运算后算出所测频率和周期，并通过液晶频显示出来。
系统总体框：

MSP430
等精度法

放大整形
滞回比较

显示
待测信号
测周法

初始化
系统总电路图（见附录）

四， 单元模块电路与程序功能设计
1， 稳压源模块
本实验设计稳压电源模块以便对电路供电，稳压电源规定实现由220v交流市电转化为稳定输出±15v,±12v,±5v直流电压。本设计采用前级220v转±15v变压器变压后，通过KBP206桥式整流器进行整流后得到±18v左右直流电压，将其接入此前设计稳压模块输入端即可输出±15v,±12v,±5v直流电压。电路图如下：

2，放大整形模块
2.1 信号放大电路

本设计信号放大电路选用是OPA604运放，它是FET输入型运放，摆率为25V/us,增益带宽积为20MHz。此时咱们采用两级OPA604，每级放大10倍左右，使之达到饱和放大以便过LM311进行电压比较，电路如图所示。
2.2 整形电路

本设计整形电路选用是LM311比较器进行比较使之得到稳定输出方波信号，为尽量避免信号噪声干扰，在其输出端接入200欧电阻到+5v设计成为滞回比较器，输出端与+5v端接入与门输出以便让信号上升下降更加陡峭，以便计数。

3，数据测量计数模块
3.1 计数器单元
本实验选用74HC161计数器用来记录所要获得数据，74HC161是四位二进制可预置同步加法计数器,并具备数据输出保持功能，要满足实验精度规定，仅记四位是远远不够。为保证明验计数及精度精确性，本设计采用六个计数器级联方式分别对待测信号和标频信号在精准门内进行计数，此时可记24位。电路如图：

3.2 读取数据单元
由于计数器位数太多，需要大量数据口对其进行读数，因此本设计采用74HC151数据选取器来对74HC161所记数一一选取出来，此后在对其还原即可，如此便节约大量数据口，避免挥霍。电路图如下：

4，程序设计模块
系统程序流图如下：

五， 测试成果分析
1， 稳压模块测试
经测试，稳压模块正常工作，所得电压稳定输出所需电压，测试成果如下：
抱负电压
+15v
+12v
+5v
-5v
-12v
-15v
测得电压
+15.5v
+11.7v
+4.9v
-4.8v
-11.8v
-15.4v

2， 放大整形电路测试
对于前级放大整形模块进行测试：方波和正弦波互相切换能输出稳定方波信号，并且调频1Hz~1MHz，调电压幅度50mv~5v均能正常稳定输出待测信号频率方波以便后级计数模块对其进行计数。
3，频率精度测试
fx
1
10
50
100
500
1k
10k
fx*
1.00002
9.99998
49.9997
100.001
499.998
1000.01
10000.3

fx
50k
100k
300k
500k
800k
1M
1.5M
fx*
49999.2
10000.1
29999.7
49999.8
80000.3
100001
1500006
单位:Hz fx:输入信号频率 fx*:测得信号
测试成果显示，频率计测量精度达到10-5满足实验规定。
六，实验过程遇到问题及解决办法
1， 电压不匹配
实验过程时发现待测信号通过整形放大后再和相应精准门共同通过与门后，输出信号频率远远偏离抱负值。然而对整形后待测信号和精准门信号进行测试，均为抱负值。故可断定为与门浮现问题。
解决办法：实验时与门使用普通采用+5V供电，查询74HC08pdf可知此时对与门来说高电平应为3 V以上。而本实验采用低功耗单片机MSP430实现，其所能提供最大电压为3.3v。从而发现电压不匹配问题，本实验采用给与门供电减小为MSP430所提供电压，使实验现象达到相应规定。
2， 161计数器计数不精确
在连接好实验电路后对高频信号检测过程中发现，实验所测得频率与给出信号频率相差甚远。此时，先检查数据选取器借口所有数据与否对的，经检查得其选取数据环节没有偏差。又通过对74HC161各个输出进行检测，成果发现其输出口分频成果完全对的，并且记到数字与程序所及数据正好吻合（但与精确频率有很大偏离），此时拟定为计数器74HC161使用问题。通过查阅74HC161芯片手册发现此芯片分频和计数功能不尽相似，查看其时序图可知，其开始计数是被测信号上调沿触发，进位是前一位下跳沿触发。故在级联时会浮现提前计数问题，导致数据紊乱。通过仔细，研究发现每一片第四位总是在抱负数据下提前其clk信号1/16,并且是抱负计数信号取反。

解决办法：由上述可知，改进办法有两种：一，依照实际信号与抱负信号差值关系和记录实验数据把记录错误数值进行写算法对其矫正。二，对每一芯片最后一位输出端加一非门，使之对的充当下一片clk，从而对的计数。由于电路板已经布线焊接完毕，在每个161第四位加一非门也许破坏电路性能美观等且不易焊接。故本实验采用第一种方案对其进行矫正。
3， 自动换挡模块效果不够抱负
本设计采用是测周法和等精度法相结合频率测量办法,但是在实验过程中发当前测周法和等精度法交接点附近频率测量不够精确。经检查发现是此处对高低频率判断浮现问题，由于比较时频率是初测值不够稳定，故其进入高低频测量法不拟定。
解决办法：为解决此问题，咱们采用了滞回比较办法对其进行判断，这样使不够非常稳定频率锁定为某种测量法测量，得到稳定精准频率值。
4， 不能满足小信号输入时规定
对完毕设计进行检测时发现，在对于小信号输入时频率测量值非常不稳定，并且测量精度很差。在查找分析软件硬件与否存在问题后，发现输入信号信噪比很差，电源供电电压噪声和信号源噪声比较大。
解决办法：对于电源噪声，咱们采用对市电输出处添加一电源滤波器对其进行滤波。对于小信号质量差，采用使用衰减网络对大信号进行衰减得到比较稳定高质量小信号。通过这两部改进，小信号指标也能满足规定规定。

附录
系统电路图：