電子信息工程專業(yè) 基于單片機(jī)的高精度測(cè)頻儀

《電子信息工程專業(yè) 基于單片機(jī)的高精度測(cè)頻儀》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電子信息工程專業(yè) 基于單片機(jī)的高精度測(cè)頻儀（9頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 基于單片機(jī)的高精度測(cè)頻儀 姓名：XX 專業(yè)：電子信息工程 學(xué)號(hào)：1111111 摘要：本論文采用MCS—51單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)頻儀，采用單片機(jī)與頻率測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，利用多周期同步測(cè)量法測(cè)量信號(hào)的頻率，多周期同步測(cè)量頻率方法具有精確度高、 測(cè)量迅速，容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)，而單片機(jī)內(nèi)部具有定時(shí)/計(jì)數(shù)器和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源等硬件資源以及靈活的軟件運(yùn)算和控制功能,能十分方便地對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),并且可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制及數(shù)據(jù)運(yùn)算?？朔送ㄓ妙l率計(jì)由于 ±1MSB 誤差在高低頻段測(cè)量精度不等的缺陷 ,實(shí)現(xiàn)了高低頻率的等精度測(cè)量。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)

2、 頻率 多周期同步法 測(cè)頻法 引言 隨著科技的高速發(fā)展，人們將許多參數(shù)的測(cè)量都轉(zhuǎn)化為頻率來測(cè)量和處理，在電子測(cè)量中，頻率的測(cè)量精確度是最高的，利用單片機(jī)測(cè)量頻率具有精確度高、測(cè)量迅速、使用方便、容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，已成為目前頻率測(cè)量的主要方法。由于單片機(jī)內(nèi)部含有穩(wěn)定度較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率源、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等硬件，能非常方便的對(duì)外部信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的邏輯控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)運(yùn)算等。 多周期同步測(cè)量頻率方法具有精度高、測(cè)量迅速、容易實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為目前頻率測(cè)量的重要方法。而單片機(jī)內(nèi)部具有定時(shí)/計(jì)數(shù)器和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源等硬件資源

3、以及靈活的軟件運(yùn)算和控制功能,能十分方便地對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),并且可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制及數(shù)據(jù)運(yùn)算?？朔送ㄓ妙l率計(jì)由于 ±1MSB 誤差在高低頻段測(cè)量精度不等的缺陷 ,實(shí)現(xiàn)了高低頻率的等精度測(cè)量。 頻率的測(cè)量有多種方法，周期法適用于低頻信號(hào)，測(cè)頻法適用于高頻信號(hào)，多周期同步測(cè)量法適用于中頻信號(hào)，不同的方法需要設(shè)計(jì)出不同的測(cè)量系統(tǒng)，由于我們不知道一個(gè)頻率的范圍到底是多少，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)會(huì)很麻煩，不能直接測(cè)量，鑒于傳統(tǒng)的測(cè)頻法都存在著不少如測(cè)量誤差大、量程不寬、使用不便等問題，我研制了一種高精度測(cè)頻儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多周期同步法與測(cè)頻法相結(jié)合的測(cè)頻方法，此方法能迅速測(cè)量出各種頻率、精確度高、誤差小、

4、量程寬、直接測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的測(cè)頻儀就是基于上述的設(shè)計(jì)思路。 設(shè)計(jì)原理 基于單片機(jī)的頻率測(cè)量?jī)x,通常是通過判斷周期基于單片機(jī)的頻率測(cè)量?jī)x,通常是通過判斷周期統(tǒng)主要由 3 大部分組成:波形轉(zhuǎn)換電路、 單片機(jī)電路、LCD1602 顯示電路,如圖1 所示 頻率測(cè)量?jī)x要實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波形信號(hào)如正弦信號(hào)、尖脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量 ,必須要將輸入信號(hào)變換成周期性的矩形脈沖信號(hào) ,可以采用如 555 電路等來實(shí)現(xiàn). 轉(zhuǎn)換后的矩形脈沖送給單片機(jī) ,單片機(jī)在程序代碼的驅(qū)動(dòng)下 ,通過定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣 ,提取頻率的相關(guān)信息 ,經(jīng)運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)變?yōu)樵盘?hào)的二進(jìn)制頻率數(shù)值.由于直接顯示二進(jìn)制數(shù)并不直觀

5、,為了方便讀取 ,還需要將二進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十進(jìn)制壓縮BCD 碼 ,再輸出給字符型液晶顯示器LCD1602 顯示出來。 測(cè)量原理和方法 信號(hào)預(yù)處理 單片機(jī)是數(shù)字信號(hào)處理工具。輸入單片機(jī)的信號(hào)必需是離散的數(shù)字信號(hào)或者是脈沖信號(hào)。因此檢測(cè)來的正弦信號(hào)必需經(jīng)過預(yù)處理變?yōu)閱纹瑱C(jī)能接受的,且是采集簡(jiǎn)便,計(jì)算工作量較少的信號(hào)。首先將信號(hào)通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號(hào), 同時(shí)也進(jìn)行線性放大,使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?hào),然后經(jīng)過零比較器變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)進(jìn)入單片機(jī)。 原理 交變信號(hào)或脈沖信號(hào)的頻率是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號(hào)所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即fx=n/t ?？梢钥闯?測(cè)量fx 必

6、將N 或t 兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn) ,對(duì)另一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量。在一般的數(shù)字電路 中,對(duì)fx 的測(cè)量是由電路提供標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)即t=Tc , Tc通常為 1s或它的十倍百倍等,然后對(duì)Tc 內(nèi)的被測(cè)信號(hào)變化的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),得到Nx ,即可得到fx=Nx/Tc 。對(duì)于低頻信號(hào) ,數(shù)字電路中采用的是測(cè)周法 ,即Tx=1/fx=t/N ,由電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)Tc,將被測(cè)信號(hào)的周期作為閘門時(shí)間,將測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)Tx=nx/Tc 。在數(shù)字電路中,標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)由專門的電路提供。利用MCS-51系列單片機(jī) 運(yùn)用上述測(cè)量原理,標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)可由單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器提

7、供 ,只需采用簡(jiǎn)單的程序控制就可以測(cè)得信號(hào)的頻率fx或周期Tx。 頻率測(cè)量方法 頻率測(cè)量方法適用于高頻信號(hào)。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。一個(gè)作為定時(shí)器 ,給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào)Tc； 另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器 ,對(duì)fx的變化次數(shù)直接進(jìn)行計(jì)得Nx,則fx=Nx/Tc。 測(cè)量時(shí)將MCS-51單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器分別定義：T0為計(jì)數(shù)器，T1為定時(shí)器，均采用方式控制TMOD為51H。如果單片機(jī)晶振采用1.2MHz,則其機(jī)器周期為16位定時(shí)器的最長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間只可為655.36ms，先將定時(shí)器初值設(shè)為#3CB0H。計(jì)數(shù)器T0對(duì)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)，其初始值清為#0000H。 當(dāng)定時(shí)器T1開始定時(shí)計(jì)數(shù)器的

8、同時(shí)，打開計(jì)數(shù)器T0對(duì)外部脈沖計(jì)數(shù)；當(dāng)T1=500ms發(fā)生溢出時(shí)，響應(yīng)中斷，關(guān)計(jì)數(shù)器T0。T0內(nèi)的計(jì)數(shù)值Nx即對(duì)應(yīng)于被測(cè)信號(hào)的頻率fx=2Nx,系數(shù)2是由于定時(shí)500ms的緣故。頻率法測(cè)量圖如下： 頻率測(cè)量控制程序如下： MAIN: MOV TMOD, #15H SETB TR1 MOV TL0， #00H …… …… MOV TH0, #00H WAIT: SJMP WAIT MOV TL1，

9、#0B0H IT1: CLR TR0 MOV TH1， #3CH CLR TR1 MOV IE, #88H MOV 40H, TL0 SETB TR0 MOV 41H, TH0 RET1 多周期同步測(cè)量方法： T0為16位計(jì)數(shù)器,T1 為16 位定時(shí)器,對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)。T0、 T1分別受INT0及

10、INT1(即 D觸發(fā)器的Q端)控制, 即方式控制字為# 09D H。待測(cè)信號(hào)分別輸入至T0 及 D觸發(fā)器的 CLK 端。開始測(cè)量時(shí),將單片機(jī)P10口(即D觸發(fā)器的D端)置0, 即參考閘門信號(hào)。一般來說, P1 10口狀態(tài)改變時(shí), f x 正處于某一周期的高電平或低電平處, 觸發(fā)器Q端的狀態(tài)并不會(huì)立即改變(即實(shí)際閘門信號(hào)) , 而是在下一個(gè)fx 脈沖的上升沿到來時(shí)變?yōu)楦唠娖? T0 與T1 才開始啟動(dòng), 實(shí)現(xiàn)了二者的同步。在定時(shí)時(shí)刻到來后,將P110清零,但觸發(fā)器的Q端仍將維持高電平狀態(tài),直至下一個(gè) fx 的脈沖上升沿到達(dá)。對(duì)于112MHz晶振, Ts= 10 L s,將T1 定時(shí)設(shè)為500m

11、s, 則其 初值為#03CB0H。電路接口如圖所示: 多周期同步法電路接口圖 多周期同步法程序如下： MAIN:MOV TMOD, #09DH MOV TL0， #00H MOV TH0， #00H MOV TL1， #0B0H MOV TH1， #3CH MOV IE, #88H SETB TR0 SETB TR1 …… …… WAIT:SJMP WAIT IT1：CLR TR0 CLR

12、 TR1 CLR 40H, TL0 MOV 41H, TH0 RET1 頻率測(cè)量與多周期測(cè)量自動(dòng)轉(zhuǎn)化 對(duì)于高頻信號(hào)采取直接測(cè)頻的方法 ,對(duì)于低頻信號(hào)采取先測(cè)周期,再轉(zhuǎn)換為頻率的方法，可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。所謂高頻 、低頻 ,是以 “中界頻率”來劃分的。中界頻率的定義為對(duì)某信號(hào)采用測(cè)頻法或多周期法測(cè)量頻率,兩者引起的誤差相等,測(cè)該信號(hào)的頻率定義為中界頻率。 測(cè)頻法最大相對(duì)誤差：△fx/fx=±(1/fxT+∣△fc/fc∣) 多周期最大相對(duì)誤差：△Tx/Tx=±(∣△fc/fc∣+Tc/Tx) 根據(jù)中界頻率的定義有：（1

13、/nfxT+∣△fc/fx∣）=(∣△fc/fc∣+Tc/kTx),將公式中被測(cè)信號(hào)頻率fx換為中界頻率f0,可得到中界頻率表達(dá)式為 f0=√kfc/nT 測(cè)量未知信號(hào)的頻率時(shí)，以中界頻率劃分為中頻和低頻，從而采用測(cè)量方法，可以提高測(cè)頻的精確度。 AT89S51單片機(jī)可用軟件控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量和多周期測(cè)量的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化。因而在量程寬、高速度的頻率測(cè)量中可采用軟件切換的方法來提高測(cè)量的精確度和測(cè)量的速度。 測(cè)量時(shí)，以中界頻率f0為界限，人為設(shè)定一個(gè)測(cè)量周期的上限頻率f0H和一個(gè)測(cè)量頻率的下限頻率f0L,使foL

14、回差，不丟失本次測(cè)量結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)測(cè)頻方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。流程圖如下： 測(cè)量方法 啟動(dòng) 頻率測(cè)量 多周期測(cè)量 溢出 溢出 下限頻率 上限頻率 越下限頻率f0L 越上限頻率f0H 置多周期方式 置測(cè)頻方式 返回 結(jié)束語 本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，我設(shè)計(jì)出一種高精度測(cè)頻儀，能快速高精度的測(cè)量出信號(hào)的頻率，誤差小。對(duì)與高頻信號(hào)直接測(cè)量，對(duì)與低頻中頻信號(hào)采用多周期同步測(cè)頻法，提高了頻率測(cè)量的精度。 參考文獻(xiàn) 【1】 汪道輝.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].電子工業(yè)出版社，2006年5月，第一版：P10-34 【2】 胡學(xué)海.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京電子工業(yè)出版

15、社，2005年6月,第一版:P234-237 【3】 謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2008年8月，第一版：P237-238 【4】 高精度測(cè)頻方案設(shè)計(jì)論文。2002年6月 【5】 單片機(jī)提高頻率測(cè)量的新方法論文。2004年7月 【6】 陳曉榮 ,蔡萍.基于單片機(jī)的頻率測(cè)量的幾種實(shí)用方法[J ] .工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置 ,2003年1月:P40-42. 【7】 張水瑞 電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ) 西安電子科技大學(xué)出版社，2002年2月，P102-110 【8】 史延齡 單片機(jī)測(cè)頻研究 【 儀表技術(shù)】，1998年3月，P45-65