基于at89c51單片機的簡易數字頻率計設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 則下式成立： fx / Nx = fs / Ns (式 ) 由此可推得 fx = fs Nx / Ns (式 ) 相對誤差公式 δ = 177。 ( 2 / N s + ?fs / fs ) (式 ) 從誤差分析中可以看出來 , 它的測量精度與 Ns 和標準頻率精確度有關 , 而與被測頻率無關 . 顯然 , Ns 決定于預置門時間和標準頻率信號的頻率 , 其關系式如下 : Ns = Tpr fs (式 ) 如果采用頻率為 50MHz 的晶體震蕩器 , 則有 : |δ| ≤ 1 / Ns (式 ) 如果預置門時間 Tpr = , 則 : Ns = 60000000 = 6000000, |δ| ≤ 106 以上四種方法中 , 倍頻法雖然在理論上可以達到很高的精度 , 但是在低頻段 , 就目前常規的鎖相器件而言 , 鎖相電路工作性能不理想 , 頻率小于 100Hz 時甚至不能工作 . 前三種方法本質上都是立足于頻率基本定義 , 沒有擺脫傳統的測量方法的局限 , 從下文的詳細論述中可以看出 , 用方法 (4)可以用單片 機程序方便地完成寬位浮點數的數學運算 , 實現高精度測量 . 基于上述論證以及第二部分中詳細的理論分析 , 我們準備選擇方法 (4). 周期測量模塊 直接周期測量法 用被測信號經過放大整形后形成的方波信號直接控制計數門控電路 , 使主門開放時間等于信號周期 Tx, 時標為 Ts的脈沖在主門開放時間進入計數器 . 設在 Tx期間計數值為 N, 可以根據以下公式來算得被測信號周期 : Tx = NTs (式 ) 6 經過誤差分析 , 可以得出結論 : 用該測量法測量的時候 , 被測信號的頻率越高 , 測量誤差越大 . 等精度周期測量法 該方法在測量電路和測量精度上與等精度頻率測量完全相同 , 只是在進行計算時所用的公式不同 , 用周期 1/T 代換頻率 f就可以了 , 它的計算公式是 : Tx = TsNs / Nx (式 ) 從降低電路的復雜度以及提高精度 (特別是高頻 )上考慮 , 本設計將要采用方法 (2)測量被測信號的周期 . 脈沖寬度測量模塊 在進行脈沖寬度的測量時 , 首先經過信號處理電路進行處理 , 限制只有信號的 50%幅度以及其以上部分才能輸入數字測量部分 . 脈沖邊沿被處理得非常陡峭 , 然后送入測量計數器進行測量 . 測量電路在檢測到脈沖信號的上升沿的時候打開計數器 , 并且在檢測到下降沿的時候關閉計數器 , 設脈沖寬度為 Twx, 計算公式為 : Twx = Nx / fs (式 ) 占空比測量模塊 測量一次脈沖信號的脈沖寬度 , 記錄下它的值為 Twx1, 然后將信號反相 , 再測量一次脈沖寬 度并且記錄下它的值為 Twx2, 通過下面的公式計算占空比 : 占空比 = Twx1100% / (Twx1 + Twx2) (式 ) 標準頻率發生電路 本模塊采用高頻率穩定度和高精度的可微調晶體振蕩器作為標準頻率發生器 . 小信號處理部分 小信號處理部分受限于寬帶放大器的性能 , 放大器電路需要附有高速整形電路 . 有以下幾種方案 : 7 采用分立元件 使用場效應管做輸入極 , 以提高輸入阻抗 . 用截止頻率 1 000MHz 的三極管9018 做放大極 . 由于電路復雜 , 需要調節的部分較多 , 而且一致性差 , 所以不予采用 . 采用運算放大器 電路簡潔 , 但是因為與 TTL 電平接口而另外需要電平移位電路 . 并且需要使用運算放大器做一高速寬帶放大器 , 市場上難以買到高速運算放大器 , 其應用因此受到限制 . 直接采用比較器 采用比較器可以簡單的完成設計 . 采用高速比較器 LM361可以處理高達 10MHz的輸入信號 . LM361 有低輸入失調電壓和電壓范圍靈活等特點 , 響應時間最大僅20ns, 輸出電平可與 TTL 電平相匹配 . 綜合考慮 , 本部分電路采用方案 (3). 比較器輸入容易受到干擾 , 因此電路上采用凈化電源并且需要合理安排地線 . 經過最后的實際測量 , 輸入靈敏度 4mV左右 , 完全滿足小信號測量的需要 . 第 二 章 基本測量原理與理論誤差分析 等精度頻率 /周期測量技術 量化誤差 若所測頻率值為 fx, 被測頻率的真實值為 fxe, 標準頻率為 fs, 在一次測量中 , 預置門時間為 Tpr, 被測信號技數值為 Nx, 標準頻率信號計數值為 Nx. 由于 fx計數的起停時間都是由該信號的上升沿觸發的 , 因此在 Tpr時間內對 fx的計數 Nx無誤差 , 在此時間內的計數 Ns最多相差一個脈沖 , 即 ?et ≤ 1, 則下式成立 : fx / Nx = fs / Ns (式 ) fxe / Nx = fs / ( Ns + ?et ) (式 ) 可以分別推得 fx = fs Nx / Ns (式 ) 8 fxe = fs Nx / ( Ns + ?et ) (式 ) 根據相對誤差公式有 |δ| = ?fxe / fxe = ( fxe fx ) / fxe (式 ) 經過整理可以得到 ?fxe / fxe = ?et / Ns (式 ) 因為 ?et ≤ 1, 故 ?et / Ns ≤ 1 / N s, 即 ?et / Ns ≤ 1 / N s Ns = Tpr fs (式 ) 根據以上分析 , 可以知道等精度測頻法具有三個特點 : ① 相對測量誤差與被測頻率的高低無關 。 ② 增大 Tpr或 fs可以增大 Ns, 減少測量誤差 , 提高測量精度 。 ③ 測量精度與預置門寬度和標準頻率有關 , 與被測信號的頻率無關 , 在預置門和常規測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下 , 等精度測量法的測量精度不變 . 標準頻率誤差 標準頻率誤差為 ?fs / fs, 因為晶體的穩定度很高 , 標準頻率誤差可以進行校準 , 相對于量化誤 差 , 校準后的標準頻率誤差可以忽略。 預置門時間信號與閘門時間信號 預置門的概念與傳統的閘門的概念是不同的 . 預置門是指同時啟動或同時停止標準頻率信號計數器和被測信號計數器的門控信號 . 預置門的概念用于高精度恒定誤差測頻 /周期方法中 , 并且稱預置門的時間寬度為預置門時間 . 高精度恒定誤差測頻方法測量精度與預置門時間和標準頻率有關 , 與被測信號的頻率無關 . 在預置門時間和閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下 , 高精度恒定誤差頻率測量法的測量精度不變 , 而直接測頻法的精度隨著被測信號的增加而接近線性的增大 . 高精度恒誤差周期測量方法 分析思路和結果均對高精度恒誤差頻率測量相似或相同 . 9 脈沖寬度測量理論誤差分析 根據方案中的脈沖寬度測量方法 , 分析脈沖寬度測量誤差 . 設被測信號的脈沖寬度為 Twxe, 標準頻率信號頻率為 fs, 則脈沖寬度的測量值為 : Twx = Nx / fs (式 ) 在一次測量中 , 對標準頻率信號的計數值 Nx 可能產生 177。1 個標準頻率信號周期 的計數誤差 , 則脈沖寬度測量相對誤差為 : |?Twx / Twx| = ( 1 ? fs ) / ( Nx ? fs ) = 1 / Nx (式) 其中 Nx = Twx ? fs. 可以看出 , 在 fs一定的時候 , 脈沖寬度越小 , 誤差越大 . 當 Twx = 100μs, f s = 60MHz 時 , Nx = 6 000, 則有 : |?Twx / Twx| = 1 / 6 000 = % 周期脈沖信號 占空比測量誤差分析 使用第一部分中所述的占空比方法 , 根據誤差合成原理 , 周期測量相對誤差最大值等于脈沖寬度測量相對誤差 . 在標準頻率為 60MHz, 被測頻率 1kHz(即周期為 )的時候 , 設其占空比為 10%, 則由脈沖寬度測量相對誤差公式計算出的相對誤差應該小于 % 第 三 章 方案的實現 穩壓電源設計 本項設計要求的電源有 : +12V, 12V, +5V的穩壓電源 . 在進行電源設計時 , 功率交流輸入端加一級電源濾波器 , 以降低工頻頻率干擾 . 測量控制電路 本電路采用單片機和 CPLD/FPGA的結合來實現 . 單片機 (AT89C51)完成整個測量電路的控制 , 數據處理和顯示輸出 , CPLD/FPGA完成計數器的功能 . 鍵盤信號由AT89C51 單片機進行處理 . AT89C51 從 CPLD/FPGA 讀回計數數據并進行高精度浮點 10 運算 , 并且向顯示電路輸出測量結果 . 電路系統原理框圖如圖 : 圖 等精度數