电子数字频率计测量方法毕业论文

电子数字频率计测量方法毕业论文

1绪论

1.1研究背景及主要研究意义

频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不开频率，一旦离开频率，电子技术的发展是不可想象的，为了得到性能更好的电子系统，科研人员在不断的研究频率，CPU就是用频率的高低来评价性能的好坏，可见，频率在电子系统中的重要性。

频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，其最基本的工作原理为：当被测信号在特定的时间段T的周期个数N时，则被测信号的频率f=N／T.电子计数器是一种基础测量仪器，到目前为止已有三十多年的发展历史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算机的技术水平，决定电子技术器价格高低的主要依据。目前这些技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的频率扩展到微波频段。

1.2数字频率计的发展现状

随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对中高档产品，则要求有较高的分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正地实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率围不断扩大，功能不断增加。在测试通讯、微波器件或产品时，通常都市较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的含有未知频率分量的、频率固定的变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确的测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波技术器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成技术任务的，但各自厂家都有各自的一套复

杂计数器的设计、使得不同型号的技术其性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似与频率分析仪的屏幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需要正确的选择以达到最经济和最佳的应用效果。

电子计数器是其它数字化仪器的基础，在他的输入通道接入各种模-数变换器，再利用相应的换能器便制成各种数字化仪器。电子计数器的优点是测量精度高，量程宽、功能多、操作简单、测量速度快，直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛的应用。

频率计的主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点，其中锁相式更是以其容易实现相位同步的的自动控制且低功耗的特点成为各种众多业人士的首选，应用最为广泛。

1.3本课题主要研究容

在本次设计中我们要以单片机8051为控制核心，设计出有数字显示的简易频率计，同时要求检测的电路，测量信号类型为方波、正弦波，测量围为0.5-5V，测量频率为1HZ-1MHZ，测量误差≤0.1﹪，且有一个六位系统显示电路，能循环显示测量值。

2方案论证

2.1数字频率计测量方法的论证及选择

1. 直接测量法

直接测量法：无需利用被测量与其他实测量之间的函数关系进行额外计算，就

可直接得到被测量的值的测量方法。

依据基本原理所实现的频率、周期以及脉冲宽度的数字化测量是一种直接测量

法，由于该方案比较简单，若能够满足本题任务的要求则应作为首选方案。通过对测频、测周期以及测脉冲宽度的数字化测量方法的基本原理及其测量误差的分析，得知在被测信号的整个频率围，无论采用直接测频或直接测周期的方法均不能全面满足测试误差≤0.1%的要求。

2.间接测量法：

间接测量法：通过对与被测量有已知关系的其他量进行直接测量，来确定被测

量的值的测量方法。在实际应运中采用直接和间接测量相结合的测量方法

中界频率: f m = = 当 f x ≥ f m 时, 直接测频, 间接测周;

当 f x ≤ f m 时, 直接测周, 间接测频

能使任务书提出的误差要求得到满足。

（3）多周期同步测量法

多周期同步测频法，此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被

测信号计数产生的±1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。

根据任务书要求，因此采用上述（2）、（3）方案都能实现频率的测量。但是

本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计，采用（2）方案，()0T T k S ()1

01=k S T T

操作麻烦，控制电路较复杂；采用（3）方案多周期同步测频法，闸门时间与被测

信号同步，消除了对被测信号计数产生的±1误差，测量精度大大提高，且测量

精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。因此，本次设

计采用多周期同步测量法。

在采用多周期同步等精度测量法的情况下，按照自顶向下的设计方法，可画

出该频率计的系统框图。如图2-1所示。

图2-1 频率计的系统级框图

本设计任务书要求主要以单片机8051为核心，被测信号先进入信号放大电路

进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以

使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。

2.2方案论证与选择

方案一主要由四个部分组成：信号整形部分、单片机控制部分、时基电路部

分、数据锁存部分、和数据显示部分。整体框图如图2-2所示。

单片机部

信号整形部分 时基电路部数据锁存部分 显示部

图2-2 方案一系统结构框图

方案一基本流程：待测信号进入系统，信号整形部分会将其整形成脉冲，另一方面，时基电路提供标准的时基脉冲，在其上升沿达到1s时结束计数。而在这1秒测得的整形后的脉冲频率就是待测信号的频率。之后单片机送数据锁存，并等待命令，若继续测量则返回测量，此时仍可将数据送显示，若无继续测量命令则，直接送数据显示。

方案一优缺点：这个方案的设计关键是555定时器构成的多谐振荡器是否能够提供标准的脉冲。实际上，在现实中是很难做到精确1s的。因此，如果这点把握不好将直接影响最后的精度。较为合理的解决办法是，做实物时可以选择其电容电阻的参数设定，用示波器先进行测量，直到取得较为满意的结果。还有一个问题就是在测量某一段频率时很有可能会出现偏差，如果它在某一段都出现相同差值的偏差，我们可以进行人为的补偿，这样可以最大限度提高精确度。

方案二：

方案二由五个部分组成：信号整形部分、分频处理部分、数据选择部分、单片机部分和数据显示部分。整体框图如图2-3所示。

图2-3 方案二结构框图

方案二工作流程：待测信号进入系统，信号整形部分会将其整形成脉冲，经过分频器。分频器出来得到两个信号，一个给选择器，一个给单片机，数据选择器处理过后也将信号给单片机经过处理、运算，最后将数据送给显示部分，以用户需要的形式显示出来。

方案二优缺点：是利用了分频器应对大量程的测量，相比于方案一它的优势是，如果待测频率不大的话，是不用进行分频的，即直接测量。这样就不存在方

案一当中遇到的问题。但是方案二也有它的缺点，就是当待测频率较大时要进行分频，这样做是对原频率的破坏，很可能会出现较大的偏差。

方案比较：这两种方案各有其优缺点，虽然在理想状态下两种方案都是可行的，但是，在本次设计中考虑到在目前的实验条件下难以使用555定时器做到较为精准的1s计时，而且在测量小频率时，方案二可以避免破坏原频率而得到较准确的数据，本设计初衷也是通用型的，简单实用符合要求就好，不必要的尽量省去，通过慎重考虑最终还是采用了方案二。

通过方案二与多周期同步测量方法相结合可画出该频率计的子系统级总体框图如图2-4所示。该框图可分为三个子系统：

（1）输入通道（最左边），该子系统主要由模拟电路组成；

（2）多周期同步等精度频率、周期、时间等的测量控制及功能切换逻辑（中间部分），该子系统基本上由数字硬件电路组成：

（3）单片机及其外围部件（最右边）。

图2-4 频率计的子系统级总体框图