测频原理
所谓“频率”,就是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照的定义进行测频,其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图1 所示。从图中可以看出测量过程:输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲,时基信号发生器产生计数闸门信号,待测信号通过闸门进入计数器计数,即可得到其频率。若闸门开启时间为、待测信号频率为,在闸门时间T内计数器计数值为N,则待测频率为
若假设闸门时间为1s,计数器的值为1000,则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz,此时,测频分辨力为1Hz。
图1 测频原理框图和时间波形
二、系统设计
(一)设计框图
主要原理:该频率计数器主要是由信号处理电路部分、单片机AT89C51控制部分、8位LED数码管显示器部分等组成。该系统的功能是将信号输入P3.4口,通过单片机程序控制,对LED数码管显示器进行段控和位控,这些就是为了实现动态显示。
1、单片机的时钟电路
图2 晶振电路
晶振是一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定、精确的单频振荡。在通常情况下,晶振的精确度达到百万之五十。我们需要晶振提供时钟周期然后使得单片机能够执行代码。晶振X1、电容C2/C4及片内与非门(作为反馈、放大元件)构成了电容三点式振荡器,振荡信号频率与晶振频率及电容C4、C2的容量有关,但主要由电路中晶振频率决定.。
我选用2.4MHz频率的晶体,电路允许输入的脉冲频率为10kHz。电容的大小范围为一般为20pF~40pF,本次设计我们居中选用33pF电容。电容的作用还在于能够容易起震并减少频率的温漂。
单片机的复位一般情况下都是靠外部电路链接来实现的,在时钟电路工作之后,仅仅需要在单片机的RST引脚上出现高于24个时钟振荡脉冲(相当于2个机器周期)以上的高电平,这样的单片机便能够实现初始化状态复位。为了能够保证应用系统能够可靠正常的复位,在设计复位电路的时候,通常使RST引脚保持10ms以上的高电平的水平。只要保持高电平的状态,那么单片机就能够实现循环复位;当RST从高电平顺利地转变为低电平以后,AT89C51单片机从0000H地址开始执行程序。
图3复位电路
它的工作原理在于当电源接通,上电瞬间,电源对C1进行充电,此时复位引脚9即RST高电平有效,随着时间推移,RST电平下降,此时转为单片机正常工作。一般情况下复位时间为3~5个的RC时间。
按键开关的使用是为了避免死机状态下能够正常复位。而设置并联电容C3(这里也可以选择串联一个远小于R1的电阻可以达到一样的效果)是为了限制按下瞬间电容C1的电流,避免产生火花,以达到保护按键开关的目的。RC复位电路的复位电路增加了二极管,在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电,一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。
3、信号输入
图4 信号输入
如图4所示,信号从单片机P3.4/T0口输入。
采用7SEG-MPX8-CC-BLUE,里面有八个数码管的显示电路,这里只用到6个。
图5 显示电路
我们知道共阴和共阳结构的LED显示器各笔划的段名和安排的位置是相同的。当其中的二极管导通时,相应的笔划部分会发亮,由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
图6 数码管显示电路
其中的8个笔划段a、b、c、d、e、f、g、dP对应于一个字节(8位)的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7。如下表1.1,用LED显示器显示十进制转换成十六进制数的字形代码如下所示:
图7 整体电路
(一)性能指标
频率范围:0~1MHz; 频率分辨率1.010x10^-6,输出范围:0~990KHz
分析:当输入达990KHz以上,LED显示值存在特别大误差,故输入值不可过高。
(二)典型值及误差分析
分析:由表格明显看出,
1、随着输入频率值变大,测量绝对误差就越大;输入值越小,绝对误差越小。
2、当输入值从0至100KHz变化时,测量相对误差逐渐变大;输入值从100KHz至700KHz变化时,测量相对误差逐渐变小,随后又逐渐变大因而输入值在700KHz附近存在最佳测量点。
图8 误差曲线
分析:当输入值从0至100KHz变化时,测量相对误差很快变大;输入值从100KHz至700KHz变化时,测量相对误差逐渐变小,随后又逐渐变大。因而输入值在700KHz附近存在最佳测量点。
(四)仿真结果截图
图9 输入值为500000Hz时的测量值
分析:此时测量相对误差为0.139%
图10 输入值为5000Hz时的测量值
分析:此时测量相对误差为0.22%
图11 输入值为500Hz时的测量值
分析:此时测量相对误差为0
图12 输入值为5Hz时的测量值
分析:此时测量相对误差为0.
本次实验使用的仿真软件是Keil和Proteus结合,测量结果分析采用的是matlab。
遇到的问题有:
1、Proteus的安装问题
- Proteus 的基本操作如找元件并放置在图板里
- Keil和Proteus的联调问题
解决:1、安装问题通过询问学长获知正确破解方法
- 基本操作问题通过自行网上搜索得知
- 联调问题是自己从各方面寻求解决办法得以解决
通过本次实验达到了实验目的
1、理解电子计数器的工作原理。
2、掌握电子计数器各个组成部分的实现方法。
明白平时要注重理论学习与实践的结合,才能学得很深刻,更到位。