电子工艺设计报告-3

第页摘要本设计系统采用MCS251系列单片机89C52作为控制核心,分测量输入信号的频率、幅度、极性三大模块设计电路，测量时，将被测输入信号经过相应处理后送给单片机，通过程序控制计数等，驱动LED数码管显示频率值、显示输入信号幅值及极性。该频率计采用测周期和测频组合法实现对输入信号的频率测量提高了测量精度，用相应比较器、芯片及分频器辅助单片机系统完成所要求的功能。通过测量结果对比，分析了测量误差的来源，提出了减小误差应采取的措施。频率计具有电路结构简单、成本低、测量方便、精度较高等特点，适合测量低频信号。关键词：单片机；数字频率计；测频、测幅、测极性FrequencycounteranalysisAbstractThedesignofthesystembyMCS251SeriesMCU89C52asthecontrol,themeasuringoftheinputsignalfrequency,amplitude,polarityofthethreemoduledesigncircuits,measurements,themeasuredinputsignalaftertheappropriatetreatmentgivenmicrocontroller,programmedtocounting,drivingLEDdigitaldisplayfrequencyvalues,showstheinputsignalamplitudeandpolarity.Theuseoftestcycleandfrequencymetermeasuringfrequencycombinationmethodtoachievetheinputsignalfrequencymeasurementimprovesmeasurementaccuracycomparedwiththecorrespondingdevice,chipanddividertocompletetherequiredsupportingsinglechipsystemfeatures.Bymeasuringtheresultsofcomparativeanalysisofthesourcesofmeasurementerror,proposedmeasurestobetakentoreducetheerrors.FrequencyMeterfeaturessimplestructure,lowcost,measurement,higheraccuracy,etc.,suitableformeasuringlowfrequencysignals.

Keywords:microcontroller;digitalfrequencymeter;measurementfrequency,；measuredamplitude；polaritytest

一、设计要求本设计为一自适应数字频率计，可以自动判别输入周期频率信号（5Hz-10k）的特性（单极性或双极性信号、信号的频率、信号幅度）。输入信号：正弦波、方波（单极性或双极性），三角波、锯齿波、正向输入峰值（0.5-5v）。要求：频率测量误差小于1%（频率测量低频采用计时，高频采用计数），用4位数码显示，自动切换显示小数点及显示单位；幅度测量误差小于10%.自动切换显示小数点及显示单位。分析题目可见，本设计主要解决对输入信号频率、幅度和极性测量三个主要问题。二、系统整体方案设计2.1主要单元方案2.1.1．测频电路的方案选择系统采用MCS251系列单片机89C52作为控制核心,用比较器结合分频送入单片机测量。（见图2.1.1）电压跟电压跟随器电压跟随器分频处理选择开关CD4051单片机STC89C52LED显示 图2.1.1测频原理框图由于单片机的计数频率上限较低(12MHz晶振时约500kHz),所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理,89C52则完成运算、控制及显示功能。由于使用了单片机,使整个系统具有极为灵活的可编程性,能方便地对系统进行功能扩展与改进。以上方案均需使用小信号放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。比较以上三种方案，显然方案二要比方案一简洁、新颖,但从系统设计的指标要求上看,要实现频率的测量范围5Hz～10KHz。要达到误差1%的目的,而使用直接测频的方法,要达到这个测量精度,需要主门连续开启1000s,由此可见,直接测频方法对低频测量是不现实的,而采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题,实现课题要求。故选用方案三,也就是采用74LS393将信号进行分频处理后，再用CD4051将输入信号送入单片机89C52完成运算、控制及显示功能。2.1.2.测幅部分方案利用检波电路检测到输入信号的幅值，在后级电路接ADC0804进行转换，送入单片机处理测量输入信号幅值。（具体原理示意图见图2.1.2）输入级输入级容放电开关换单片机图2.1.2幅值测量原理示意图2.1.3.极性测量方案利用电压比较器送入单片机进行处理，测量输入信号极性。（见图2.1.3）输入信号输入信号电压跟随器单片机STC89C52显示极性(only或double) 图2.1.3方案二测极原理示意图2.1.4.测量结果显示方案LED数码管结合二极管显示输出结果。(具体显示方案见图2.1.4)各部分各部分处理结果LED、二极管显示频率显示幅值显示极性显示赫兹显示：HK赫兹显示：H+D3亮伏显示：U豪伏显示：U+D3亮双极性：DUOBLE单极性：ONIY 图2.1.4LED显示方案设计2.2.总体方案设计根据设计的要求，进过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了整体的设计方案：系统采用MCS251系列单片机89C52作为控制核心,分测量输入信号的频率、幅度、极性三大模块设计电路，测量时，将被测输入信号经过相应处理后送给单片机，通过程序控制计数等，驱动LED数码管显示频率值、显示输入信号幅值及极性。该频率计采用测周期和测频组合法实现对输入信号的频率测量提高了测量精度，用相应比较器、芯片及分频器辅助单片机系统完成所要求的功能。系统原理框图如图2.2.1所示。输入信号输入信号单片机频率测量电路幅值测量电路极性测量按键控制LED显示图2.2.1系统原理框图三、主要单元模块设计及分析3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1.测频部分的原理设计本设计要求自动判别输入周期频率为5HZ-10K信号,扩展要求输入信号频率范围上限达到20KHz。由于单片机的计数频率上限较低(12MHz晶振时，约500kHz),所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理,采用74LS393进行分频处理后，再用CD4051将输入信号送入核心控制器件单片机STC89C52完成运算、控制及显示功能。为了提高频率的测量精度，所以在信号输入后首先设置电压跟随器以增大输入阻抗，其后接电容进行对信号的滤波处理。将滤波后的信号接入电压比较器，使输入信号转换为方波信号，从而方便对信号频率的测量。电路原理图如图3.1.1所示。图3.1.1测频原理图3.1.2.测幅部分的原理设计设计题目要求测量输入信号：正弦波、方波（单极性或双极性）、三角波、锯齿波、正向输入峰值（0.5-5v）的幅值。首先以运放LM324构成的电压跟随器作为输入级，此处的电压跟随器即做缓冲隔离级，同时提高输入阻抗为应用高品质的电容提供保证。将信号经过电容做滤波处理后，送由二极管、电阻电容构成的检波电路进行幅值的初步测量；为有效减小信号在前级检波电路输出电阻的损耗，于是又在其后设定电压跟随器作为缓冲隔离级。被处理信号经ADC0804转换后，送入单片机P1.0口处理、测量输入信号的准确幅值并显示。具体实现原理图如图3.1.2所示。图3.1.2测幅电路原理图3.1.3.极性测量设计题目要求频率计可以自动判别输入周期频率信号的极性：单极性或双极性信号。经过仔细分析和方案论证，在本设计中极性测量部分以电压跟随器作为输入级，以运放LM339构成的电压比较器作为极性信息采集的核心器件送入单片机P3.0口测量并显示。设计原理图如图3.1.3所示。图3.1.3测极电路原理图3.1.4单片机系统及显示部分此部分主要由单片机控制LED数码管显示输入信号特性的相应单位，并设置二极管进一步进行实现辅助显示功能。具体原理图见图3.1.4： 图3.1.4单片机系统及显示模块3.1.5电源供电模块电路设计如图3.1.5所示图3.1.5电源供电模块图3.2电路参数的计算及元器件的选择3.2.1测幅电路参数设计对于测幅电路，由于要求的频率f很低，所以充电电容应尽量大，但另一方面充电电容大了根据公式充电的速度会降低。同时，为了尽量减小滤波电容的压降，根据公式所以应滤波电容的电容C1与充电电容的电容C2的比值应尽量大。故综上考虑。选取C1=2200UF,C2=22UF。检波电路公式分别见公式1、2、3.， 公式1, 公式2； 公式3直流负载电阻低频交流负载高频交流负载3.2.2发光二级管电路设计由于发光二级管的工作电流I为5—20mA，工作时的电压U1为1.7v左右，而供电电压U2为5v,所以电阻R上的电压 ，所以根据公式得R的取值范围为165—626。但由于实际情况下发光二级管的电压会比1.7V低。而工作电流也不需要达到5mA。所以选用1k的电阻，主要是1k的电阻很常用而且与626相差不大。3.2.3电压跟随器电压跟随器的输入阻抗；因为很大，所以一般情况下Ri很大。所以利用电压跟随器可以提高输入阻抗，从而减小其它电路对其够成的影响。达到相互隔离的效果。电压跟随器采用最常用的LM324。该芯片能满足一般的要求，而且价格便宜，供电范围也很宽，加之电路没有很特殊的要求。3.2.4过零比较器采用LM339，因为LM339为专业比较器且一个芯片里集成了四个，而且很常用。3.2.5分频电路分频电路选用74LS393和CD4051组合。74LS393内部集成了两个4位计数器，通过自身的级联便可以变成8位计数器。即可提供8路不同分频的频率。而CD4051刚好是8选一数据选择器。四、软件设计与分析4.1.总体流程图软件的总体流程如图4.1所示。它主要由频率计测频、测幅、测极性级、按键控制和结果显示五大模变量的申明及初始化变量的申明及初始化测频测幅测级按键显示开始图4.1总体流程图4.2频率计测频部分4.2.1软件程序是在Multisim8仿真配合下完成的。4.2.2频率计测频部分程序流程图如图4.2所示。开始开始计时测频F计时计时测频F计时Yes：F计数>10k？Yes：分频Yes：M=2F计数>1k？No：M=M*2No：F=F(计数)*MNo：F=F（计时）M=0？图4.2测频部分程序流程图4.3频率计的测幅部分频率计测幅部分流程图如图4.3所示。关闭AD读取AD打开AD开始关闭AD读取AD打开AD开始图4.3测幅部分流程图4.4频率计的极性测量部分（如图4.4）开始开始b=0?P3_0下降沿？No：单极性（only）Yes：b=1双极性(double)图4.4极性测量软件流程图4.5频率计的按键控制部分按键?按键?Yes：Key++Key=3？No：保持显示Yes：Key=0No：显示更新开始图4.5按键控制软件流程图五、测试仪器与系统测试结果分析5.1.测试仪器直流稳压电源、DDS函数信号发生器、数字示波器、多功能万用板。5.2.测试方法5.2.1分部与联调先对设计的硬件进行调试，达到预期硬件效果；软件模块行进仿真测试，使其达到预期效果；然后将软件载入硬件之中进行设计的联调。5.2.2功能测试在5V电源供电情况下，用DDS输入信号，示波器监测显示输出波形，在波形不失真前提下，依次对输入信号的频率、幅值、极性进行验证。5.2.3性能测试在功能测试的基础上，对频率计的性能进行测试，以提高其测量精度。5.3.系统测试结果与分析5.3.1测频部分数据记录（见表5.1）频率波形7.5hz55hz505hz1k5k10k15k正弦波7.5654.85031k5.02k10k15.2k方波7.4654.95071k5.02k10k15.1k三角波7.6455.15071k5.02k10k15.2k锯齿波7.7054.75071k5.01k10k15.2k平均误差/(%)0.0120.0020.0020.0000.0030.0010.0015.3.2测幅部分数据记录=1\*GB3①频率为15khz时（表5.2.1所示）： 表5.2.1测幅部分数据记录表=1\*ROMANI幅值波形1v（vpp）2.5v（vpp）4v（vpp）6v（vpp）7.5v（vpp）正弦波（峰值）481mv1.24v1.99v2.67v2.75v方波（峰值）520mv1.28v2.08v2.85v2.97v三角波（峰值）481mv1.20v1.99v2.57v3.97v锯齿波（峰值）461mv1.16v1.71v2.23v3.97v平均误差/(%)14.08.9=2\*GB3②频率为5khz时（表4.2.2所示）：表5.2.2测幅部分数据记录表=2\*ROMANII幅值波形1v（vpp）2.5v（vpp）4v（vpp）6v（vpp）7.5v（vpp）正弦波（峰值）481mv1.22v1.93v2.95v3.79v方波（峰值）540mv1.28v2.01v3.03v3.79v三角波（峰值）481mv1.20v1.93v2.89v3.69v锯齿波（峰值）461mv1.16v1.81v2.81v3.46v平均误差/(%)2.70.6=3\*GB3③频率为500hz时表5.2.3测幅部分数据记录表=3\*ROMANIII幅值波形1v（vpp）2.5v（vpp）4v（vpp）6v（vpp）7.5v（vpp）正弦波（峰值）481mv1.22v1.97v2.95v3.59v方波（峰值）540mv1.28v2.03v3.03v3.37v三角波（峰值）461mv1.18v1.93v2.91v3.63v锯齿波（峰值）461mv1.18v1.93v2.89v3.63v平均误差/(%).3极性测量记录表5.2.4极性测量记录表结果极性理论结果测试结果单极性OnlyOnly双极性DoubleDouble5.4误差分析（1）软件误差分析:频率计算公式：f=n/t;其中f代表频率，其中n代表下降沿个数，t代表时间。低频采用计时（即固定n，采集时间t）；高频采用计数（即固定时间t，采集n）。在低频时由于t并不是连续的——即由于我们采用的最小10ms计时，所以出来的时间都只是10ms的整数倍。而在高频时采用的中断计数，由于频率f很高。中断次数很频繁，从而导致在一个执行周期内有多次中断，从而使n大于真正的值。这也是导致频率超过16khz开始闪的主要原因。（2）硬件误差分析：由于LM324供电不足（+—5V供电）且LM324并非理想器件导致峰值大于3.7V左右就开始明显失真（截顶失真），从而导致幅值大于3.7V以后都明显不准。同时LM324还受频率的影响，尤其是高频，同时高频时电路的干扰增大，从而导致在高频时能准确测量的幅值更低，范围跟窄。过零比较器LM339并非理想器件加之干扰，使得过零比较变成非过零比较，从而使得占空比不是50%而且随着频率的增高占空比会更加的改变，同时比较器和电路的不稳定使得过零比较后电压被一定的抬高（尤其是高频）。这使得频率测量和极性测量出现误差。同时电源的滤波设计的不是很好。六、设计总结及体会从指标来看，本设计的指标都基本达到或超过了比赛要求指标。对频率测量部分，本设计的频率测量范围是：10HZ~17KHz（由于74LS393芯片受损，因时间原因未能更换，否则将达预期效果，频率范围应在10H~500KHz）;幅值测量范围为（峰值）：200mV~3.7V;极性测量也比较理想。但由于时间有限，硬件电路设计考虑欠佳、实验条件和器件的程度有限，因此本设计不可避免的存在一些问题。本设计在测幅部分数据采集速度缓慢，自动放电