06電子資訊工程b班 0615212044 曾榮溪 2009-6-30
一． 摘要：
本系統以微控制器89s52晶元為核心, 設計了能夠對方波，三角波，正弦波整形，從而測量其頻率、週期、具有自校功能的簡易數字頻率計。
二． 關鍵詞：微控制器，頻率測量，週期測量，自校。
三． 設計任務及目標要求：
設計並製作一台數字顯示的簡易數字頻率計。該數字頻率計應滿足以下指標：
1、頻率測量：
a．測量訊號：方波、正弦波，三角波；幅度：1v～5v；頻率：10hz～ 1mhz
b．測量誤差≤0.1%
2、週期測量
a．測量訊號：方波、正弦波，三角波；幅度：1v～5v；頻率：1hz～1mhz
b．測量誤差≤0.1%
3、具有自校功能
4、數字顯示測量結果
四．方案比較：
1.模擬電路部分：
方案一：時基訊號採用555產生週期為2秒的方波進行計數。
方案二：用微控制器自帶定時器t0通過中斷的方法產生時基訊號。
，但用多用一片555會增加電路設計的成本，同時增加佈線的繁冗。所以本課程設計採用方案二。用微控制器自帶定時器t0通過中斷的方法產生時基訊號。
2顯示電路部分：
方案一：採用led數碼管進行顯示。
方案二：採用lcd液晶顯示
方案一的優點是工作電壓低，能與cmos,ttl電路相容，發光亮度高，響應快，壽命長。缺點是工作電流大。
方案二的優點是工作電壓低，功耗小，體積小且薄，特別適合用於小型數字儀表中。但它是利用外界光源的被動式顯示器件，故不能於暗處使用。且**相對於led高。
由於lcd顯示電路比方案一簡單，大大簡化了電路設計，且本次實驗時間較緊，故而採用方案二，用lcd顯示。
3.測量方案
各種數位化測頻、測周法的±1誤差進行比較:
方案一直接測量法
被測的 fx 越低,測頻±1誤差越大;
被測的 fx 越高,測周±1誤差越大;
方案二直接與間接測量相結合的方法
中界頻率: fm = 根號k/tsto
當 fx≥ fm時, 直接測頻, 間接測周;
當 fx≤ fm時, 直接測周, 間接測頻.
方案三多週期同步測量法( 倒數計數器法 )
從根本上消除了±1誤差,實現了等精度測量
本次實驗才用方案三。測週時，先測出其頻率，在進行倒數求出其週期。
五．系統設計：
5.1硬體系統組成與方框圖。
頻率計由微控制器89s52 、訊號予處理電路、測量資料顯示電路和系統軟體所組成,其中訊號予處理電路包含待測訊號放大、波形變換、波形整形。系統硬體框圖如圖1 所示。波形變換和波形整形電路實現把正弦波樣的正負交替的訊號波形變換成可被微控制器接受的ttl/ cmos 相容訊號;二分頻電路用於測量波形週期。
圖一系統硬體設計框圖
5.2 測量原理
本頻率計的設計以at89s52 微控制器為核心,利用它內部的定時/ 計數器完成待測訊號週期/ 頻率的測量。微控制器at89s52 內部具有2 個16 位定時/計數器,定時/ 計數器的工作可以由程式設計來實現定時、計數和產生計數溢位中斷要求的功能。在構成為定時器時,每個機器週期加1 (使用12mhz 時鐘時,每1us 加1) ,這樣以機器週期為基準可以用來測量時間間隔。
在構成為計數器時,在相應的外部引腳發生從1 到0 的跳變時計數器加1 ,這樣在計數閘門的控制下可以用來測量待測訊號的頻率。外部輸入每個機器週期被取樣一次,這樣檢測一次從1 到0 的跳變至少需要2 個機器週期(24 個振盪週期) ,所以最大計數速率為時鐘頻率的1/ 24 (使用12mhz 時鐘時,最大計數速率為500 khz) 。定時/計數器的工作由相應的執行控制位tr 控制,當tr置1 ,定時/ 計數器開始計數;當tr 清0 ,停止計數。
設計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應時間的要求。
例如當要求頻率測量結果為3 位有效數字,這時如果待測訊號的頻率為1hz ,則計數閘門寬度必須大於1000s。為了兼顧頻率測量精度和測量反應時間的要求,把測量工作分為兩種方法。當待測訊號的頻率大於100hz 時,定時/ 計數器構成為計數器,以機器週期為基準,由軟體產生計數閘門,這時要滿足頻率測量結果為3 位有效數字,則計數閘門寬度大於1s 即可。
當待測訊號的頻率小於100hz 時,定時/ 計數器構成為定時器,由頻率計的予處理電路把待測訊號變成方波,方波寬度等於待測訊號的週期。用方波作計數閘門,當待測訊號的頻率等於100hz ,使用12mhz 時鐘時的最小計數值為10000 ,完全滿足測量精度的要求。
5.3系統原理圖：
圖二系統電路圖
5.3.1 訊號予處理電路
頻率計訊號予處理電路如圖2 所示,它由四級電路構成。第一級過零比較器,當輸入訊號為零或者為負電壓時,輸出低電平;當輸入訊號為正電壓時,輸出高電平。零偏置放大器把如正弦波樣的正負交替波形變換成單向脈衝,這使得頻率計既可以測量任意方波訊號的頻率,也可以測量正弦波訊號的頻率。
第二級採用反相器，它用於把比較器生成的單向脈衝變換成與ttl/ cmos 電平相相容的方波。第**採用d觸發器7474 ,它用於把原訊號進行二分頻從而實現週期測量。第四級為cpu：
89s52 對輸入訊號進行處理計算出頻率和週期並進行顯示。
5.3.2 微控制器晶元
頻率測量電路選用89s52 作為頻率計的訊號處理核心。89s52 包含2 個16 位定時/ 計數器、1個具有同步移位暫存器方式的序列輸入/ 輸出口和8 k×8 位片內flash 程式儲存器。16 位定時/ 計數器用於實現待測訊號的頻率測量或者待測訊號的週期測量。
8 k ×8 位片內flash 程式儲存器用於放置系統軟體。
5.3.3資料顯示電路
顯示電路採用液晶lcd1602顯示方式。1602液晶每次可以顯示2行16個字元，總共32個字元，而且是所有ascii可顯示字元，包括標點，數字，英文大小寫了。足以表示1hz～1mhz的頻率範圍。
5.3.4 自校功能
由89s52內部產生2khz的訊號輸入到外部計數器引腳，進行計算並顯示頻率大小。
5.4 系統軟體設計
系統軟體設計採用模組化設計方法。整個系統由初始化模組、顯示模組和訊號頻率測量模組等各種功能模組組成(見圖三) 。上電後,進入系統初始化模組,系統軟體開始執行。
在執行過程中,根據執行流程分別呼叫各個功能模組完成頻率測量、週期測量和測量結果顯示。
六．測試方法與儀器：
1.測試儀器：
函式訊號發生器電壓源
2測量方法：
接入正負5v的工作電壓，改變函式訊號發生器的輸入頻率，週期，觀察lcd上測得的頻率與週期是否與函式訊號發生器一致。
七．測試資料、測試結果分析與改進構思：
7.1 測試結果：
本系統可測量方波，三角波，正弦波頻率與週期，且其自校功能基本符合設計要求。所測頻率範圍為1hz—300khz，測量的準確度較高，滿足測量誤差≤0.1%。
但測量頻率上限與設計目標有較大差距。週期的測量也不夠準確，特別是頻率較高時，誤差較大，不滿足測量誤差≤0.1%。
7.2 結果分析：
頻率的測量上限未達到設計要求，考慮的改進方法是加入分頻器，以期提高其測量頻率上限。
週期測量的誤差大，考慮改變測量方案或是加入倍頻器，以提高測量精度。
八．總結
本次實驗基於電子計數器測周，測頻的基本原理，結合微控制器晶元，設計了本簡易數字頻率計。設計的結果雖然與設計目標有較大的差距，但我從中體會到從理論構思到付諸實踐之間的差距。同時也進一步加深了對課本知識的理解。
由於時間較為倉促，與期末考試有所衝突，故而對於本次的系統設計也是較為匆忙，未能一一具體構思完備，再此，本人建議，以後類似的課程設計是否能盡量安排與期末考試時間錯開。
1.《電子測量儀器原理及應用（i）通用儀器》 王松武蔣志堅編哈爾濱工程大學出版社。
2.《微控制器原理及應用》 張毅剛主編高等教育出版社。
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