频
率
计
设
计
报
告
指导老师：陆继庆
所属学院：电子工程学院制作日期：2010-5-14
频率计分析报告
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
Frequency counter analysis
Abstract
The design of the system by MCS251 Series MCU 89C52 as the control, the measuring of the input signal frequency, amplitude, polarity of the three module design circuits, measurements, the measured input signal after the appropriate treatment given microcontroller, programmed to counting, driving LED digital display frequency values, shows the input signal amplitude and polarity. The use of test cycle and frequency meter measuring frequency combination method to achieve the input signal frequency measurement improves measurement accuracy compared with the corresponding device, chip and divider to complete the required supporting single chip system features. By measuring the results of comparative analysis of the sources of measurement error, proposed measures to be taken to reduce the errors. Frequency Meter features simple structure, low cost, measurement, higher accuracy, etc., suitable for measuring low frequency signals.
Keywords: microcontroller; digital frequency meter; measurement frequency,；measured amplitude；polarity test
目录
一、系统整体方案设计 (4)
1.主要单元方案论证与比较 (4)
(5)
2. 总体方案设计 (7)
二、主要单元模块设计及分析 (7)
1．各单元模块功能介绍及电路设计 (7)
2. 电路参数的计算及元器件的选择： (10)
3. 特殊器件的介绍: (10)
4. 各单元模块的联接 (12)
三、软件设计与分析 (12)
1.总体流程图 (12)
2.频率计测频部分 (13)
3、频率计的测幅部分 (14)
4频率计的极性测量部分 (15)
5.频率计的按键控制部分 (16)
四、测试仪器与系统测试结果分析 (16)
1.测试仪器 (16)
2.测试方法 (16)
3.系统测试结果与分析 (17)
4. 误差分析： (18)
5.系统功能及指标数分析 (18)
五、设计总结及体会 (19)
六、参考文献 (19)
一、系统整体方案设计
1.主要单元方案论证与比较
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。以下的方案论证也据此展开。 （1）．测频电路的方案选择
方案一：采用频率计模块(如ICM 7216) 构成, 特点是结构简单, 量程可以自动切换。(如图1.1.1所示)
图1.1.1采用频率计模块构成原理框图
ICM 7216 内部带有放大整形电路, 可以直接输入模拟信号。外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz 并联振荡电路。用转换开关选择10m s, 011s, 1s, 10s 四种闸门时间, 同时量程自动切换, 直接点亮LED 。
方案二：直接测频法。系统采用可编程逻辑器件(PLD, 如A TV2500) 作为信号处理及系统控制核心, 完成包括计数、门控、显示等一系列工作。
该方案利用了PLD 的可编程和大规模集成的特点, 使电路大为简化, 但此题使用PLD 则不能充分发挥其特点及优势, 并且测量精度不够高, 导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。
方案三：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1.1.2） 图1.1.2 测频原理框图（方案三）
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1 000s, 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）.测幅部分方案
方案一：利用高速AD 采集峰值，进行幅值测量。（见图1.1.3）
图1.1.3高速AD 采集峰值测幅原理示意图
将输入信号进行A/D 采样，送FPGA 或单片机分析和处理，得到输入信号的信号的峰值，该方案准确度高，但是加大了软件部分的工程量。
方案二：
用由二极管和电阻电容构成的普通峰值检波电路来检波测量输入信号的幅值。频幅度测量最基本的形式, 就是将连续变化的交流信号转换成与交流信号的某些参数(如峰值、平均值或者均方根值) 成比例的直流电压来进行测量（如图1.1.4）
图1.1.4峰值检波电路
方案三：利用压频转换芯片，将电压转化为频率送入单片机测量。
方案四：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1.1.5）
图1.1.5幅值测量原理示意图
综以上方案：方案一虽准确度高，但是加大了软件部分的工程量，而且成本较高，更适用于精密仪器的制作；若直接采用检波电路来检波，效果将很差；而方案三和方案四比较，方案四不仅器件成本低，节约元件，而且精度高、电路灵活，故在本设计中采用第四种方案。
（3）.极性测量方案
方案一：设计CPLD单双极性码转换电路测量输入信号极性，该极性转换电路的设计主要包含分频模块、信号波形模块和状态形成模块3部分。
方案二：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1.1.6）
图1.1.6方案二测极原理示意图
比较以上两种方案，方案一精度虽极高，但设计复杂、器件成本高，主要用于高精度测量仪器的制作，故选择方案二用电压比较器进行测量。
（4）.测量结果显示方案
方案一：液晶显示。
方案二：LED数码管结合二极管显示输出结果。(具体显示方案见图1.1.7)
图1.1.7 LED显示方案设计
以上两个方案中，液晶显示虽界面友好，但增加了编程难度且液晶调试也具有一定难度。
方案二中虽元件普通，但也能实现所要求的显示，而且设计简单、器件成本低，故采用方案二LED显示。
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1.2.1所示。
图1.2.1系统原理框图
二、主要单元模块设计及分析
1．各单元模块功能介绍及电路设计
（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2.1.1所示。
图2.1.5电源供电模块图
2. 电路参数的计算及元器件的选择：
（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RC 1=
τ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RC
R π21=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.
a
a m m RC wc max 2
110
5Ω-≤≤→， 公式1
L cm
R a cm R R R
U u m U +=≥-)1(,
公式2
C
L C R C
R max max 1
,1Ω<<
Ω>>
；
公式3
直流负载电阻;)0(R Z =低频交流负载;)(L
L
R R RR R Z +=
=ΩΩ高频交流负载;0)(≈c w Z
（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V U U U 3.37.1512=-=-= ，所以根据公式I
U
R =
得R 的取值范围为165Ω—626Ω。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626Ω相差不大。
（3）电压跟随器
电压跟随器的输入阻抗Re )1(β+++=rbe Rb Ri ；因为β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。
（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。 （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。
3. 特殊器件的介绍:
74LS393介绍（在本设计中用于在高频段分频）
（1）74LS393 简要说明: 393为两个 4 位二进制计数器，共有 54/74393 和
54/74LS393 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如表2.3.1所示(不同厂家具体值有差别):
图2.3.2 74LS393真值表图2.3.3 74LS393外接管腿图
4. 各单元模块的联接（见图2.3.4所示）。
图2.3.4各单元模块的联接图
三、软件设计与分析
1.总体流程图
软件的总体流程如图3.1.1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块组成。
图3.1.1总体流程图
2.频率计测频部分
（1）软件程序是在Multisim 8
仿真配合下完成的，如图
3.2.1是1k 的仿真：（d1亮说明单位是khz ）（比较准确）
图3.2.1 频率部分的仿真测试图
（2）频率计测频部分程序流程图如图3.1.3所示。
图3.2.2测频部分程序流程图3、频率计的测幅部分
（1）频率计测幅部分流程图如图3.3.1所示。
（2）如图3.3.2所示是在峰值为0.41v时的仿真。
图3.3.1测幅部分流程图
图3.3.2测幅部分的软件仿真图
4频率计的极性测量部分（如图3.3.3）
图3.3.3极性测量软件流程图
5.频率计的按键控制部分
图3.3.4按键控制软件流程图
四、测试仪器与系统测试结果分析
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。
2.测试方法
（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。
（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。
（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。
3.系统测试结果与分析
②频率为5khz时（表4.2所示）：
③频率为500hz 时（表4.3所示）
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。
5.系统功能及指标数分析（见表4.6所示）
部
分
分
五、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，自动放电也较为缓慢；整体电路中滤波电路处理不当、LM324供电电压过低，导致幅值测量峰值受限、测量精度受限，但基本可以达到比赛所要求精度。
在本次设计与制作的过程中，所运用的知识囊括了大一、大二两年的专业内容，可以说这次的比赛题目设计不仅是对旧知识的全面复习，更是对我们这两年所学知识的系统测试与考察。虽然在其间曾遇到很多困难，但本组队员斗志昂扬，在我们的团结协作、共同奋斗下基本将问题一一克服。这次比赛使我们受益颇多，不仅让我们深刻体会到了理论与实践相结合的重要性，同时团队协作的意识是一个项目设计制作中非常重要的条件，只有在本组成员之间的相互支持、鼓励以及合理的分工协作，才能达到事倍功半的效果。而且我们更加期待此类型电子设计大赛的开展，我们一定还会积极参与，全力以赴的在实践中提高自己的实践能力，在不断探索和尝试中学习成长。
对于本设计硬件和软件，如果在时间允许范围内，可以将精度进一步提高，主要思路是在测幅部分采用两个AD快速采集；测极分别采用两个0.1、-0.1电压比较器；电源采用12V供电，经稳压后送入电压跟随器供电以提高幅值和频率测量范围。
六、参考文献
1.各期刊文献
[1] 谢嘉奎等编，<<电子线路（非线性部分）>>，北京：高等教育出版社，2002
年第四版
[2] 毛敏，王淑仙，刘锦高，<<新型直接数字合成式扫频仪的原理和研制>>，仪器仪表学报，2004年25卷第4期
[3] 郭勇肖明清谭靖王学奇，<
【4】李祥臣. 模拟电子基础教程[M ]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
【5】张毅刚. MCS251 单片机应用设计[M ]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1997.
2.百度、谷歌网络查询（相关网址如下）
[1]https://www.doczj.com/doc/075013603.html,/search_ic_new.php
[2] https://www.doczj.com/doc/075013603.html,/
附件：
1.使用说明书（见作品盒封装内）
2.设计原理图（见设计图1、图2）