单片机数字频率计

                             图 7.1    测量控制电路

 

7.3   输入信号处理部分

为测量小侍号，需要在输入端加前置信号处理电路，将小信号放大后送入整形电路 .

7.4   小信号处理部分

    电路如图 7.2 所示，在调试中发现 LM361 的输出在零瞬间有些毛刺，在输出与地间并联一只 100Hz 瓷片电容消除了毛刺，且处理后的波形仍较陡峭，本部分电路抗干扰能力也很强。

        

                      图 7.2    LM361 信号电路

7.5   标准频率方波发生电路

    本设计采用 60Hz 的晶体振荡器产生标准频率方波信号 ( 频标 ) 供数字测量电路使用。晶体振荡器采用恒温晶振，稳定度为： 2.0 × 10⁷ ／ 24 小时。

7.6   显示器电路

  显示器电路采用 7SEG LED 显示器。

  因为本设计用高精度恒误差的频率和周期测试方法，预置门时间为 1 ． 5s ，在标准频率信号为 60MHz 的情况下，根据上文讨论的高精度恒误差的频率和周期测试方法相对误差计算公式可以算出测量精度为

    1 ／ (1.5 × 60 × 10⁶)=1.1 × 10 ^{－ 8}

即能够显示接近 8 位有效数字，所以，电路中采用了 8 位 LED 显示器 .

7.7   实际数字测量部分

  本题目要求测量功能模块较多，题目中要求的被测信号以及标准频率信号为 1MHz ，发挥部分要求为 10MHz ，高频信号之间的信号干扰非常强。在方案实现过程中要求处处考虑到干扰问题，减少布线的复杂度。

    本设计拟定计数器所采用电路中的两个计数器应不低于 60MHz 。

    我们选用 LATTICE 公司高速 ispLSI 器件（在系统可编程大规模集成电路）。在一片 ispLSI 器件中可以完成一个或多个模块的设计，大大降低了电路复杂度，减少引线信号间的干扰，提高电路的可靠性、稳定性。鉴于本题目要求测量功能模块较多、我们采用两片工作频率为 60MHz 的 ispLSI1016-60 器件。

    采用在系统可编程逻辑器件来设计测量功能模块电路。

    在具体实现过程中我们将以下模块做在两片 ispLSI1016 器件中：

a 频率测量模块

b 周期测量模块；

c 脉冲宽度测量模块；

d 脉冲占空比测量模块；

e 自校电路。

                      

                     图 7.3     ispLSI 电路原理图

各模块电路详细设计如下：

    (1) 频率测量与周期测量电路   因为本设计采用高精度恒误差频率测量法与高精度恒误差周期测量法，这两种方法使用的电路完全相同，所以在方案实现中，频率测量与周期测量用同一电路，只是 单片机 运算部分算法不同。

    频率测量与周期测量电路由前图中的控制信号及以下三个子模块所构成：

    a. CONTRL—— 本模块的控制部分，主要接收 单片机 的指令．控制计数器 CONT1 、 CONT2 。

    b. CONTl—— 对由被测信号整形后形成的脉冲进行计数。

    c. CONT2 —— 对标准频率信号进行计数。

    根据高精度恒误差频率和周期测量原理，本模块电路按以下方式进行工作：经整形后被测信号脉冲从 CONTRL 的 FIN 端输人，标准频率信号从 CONTRL 的 FSD 端输入， CONTRL 的 CLK 输入端是本模块电路的工作初始化信号输入端。在进行频率或周期测量时，进行以下几步：

    a. 在 CONTRL 的 CLR 端加一正脉冲信号以完成测试电路状态的初始化；

    b. 由预置门控信号将 CONTRL 的 START 端置高电平，预置门开始定时。同时出被测信号的上升沿打开计数器 CONT1 ，并使标准频率信号进入计数器 CONT2 ；

    c. 须置门定时结束信号把 CONTRL 的 START 端置为低电平。这位在被测信号的下一个脉冲的上升沿到来时， CONTl 停止计数，同时输入 CONT2 的标准频率信号被关断。

    d. 控制部分 CONTRL 的 EEND 端输出低电乎来指示测量计数结束。 单片机 读回 CONTl 和 CONT2 的计数值，根据高精度恒误差测量公式进行浮点运算，计算出被测信号的频率或周期值。

    (2) 控制部分设计   控制部分原理图如图 7.4 所示：

                      

                       图 7.4      控制设计电路图

     当 D 触发器的输入端 START 为高电平时，在 FIN 端来一个上升沿时， Q 端为高电平，导通 FIN—CLK1 和 FSD—CLK2 ，同时 EEND 被置为高电平；在 D 触发器的输入端 START 为低电平时，当 FIN 端输入一个脉冲上升沿， FIN—CLK1 和 FSD — CLK2 的信号通道披切断。

    计数器 CONT1 是用 8 个四位并行二进制计数器按行波计数器原理所构成的 32 位二进制计数器，输出 8 位数据总线，分 4 次将 32 位数据全部读出。 CONT1 的设计是用 ABEL 语言实现的。

    ispLSI1016 器件在结构上是由 16 个 GLB 所构成，每个 GLB 中含有四个可配置的触发器、 ( 对应着 GLB 的四个输出端 ) 。根据 GLB 的结构及我们的设计经验，四位并行二进制计数器在 ispLSI 中的布线是最优的。

    我们在 EDA 设计中严格采用模块设计法、总体设计采用原理图输入方式，每个子模块都采用 ABEL 语言描述。

    (3) 脉冲宽度测量和占空比列量电路   本模块的电路设计在 ispLSIL016 中。

    根据第二部分所述的脉宽副量原理，设计电路原理图如下所示。

 

                   图 7.5     脉冲测量宽度和占空比测量电路

输入到本模块的被测量信号是经过信号处理电路处理后的被测信号，该信号的上升沿和

下降沿信号对应于未经处理时的被测信号的 50 ％幅度时上升沿和下降沿信号。

    信号从 FIN 端输入， CLR 为本模块电路的工作初始化信号输入端。 START 为本电路的工作使能端， PUL 端输出如图中所示 GATE 的输入端 PUL 。

    测量脉冲宽度采用以下几步：

    a 向 CONTRL2 的 CLR 端送一个脉冲以进行电路的工作状态初始化。

    b 将 GATE 的 CNT 端置高电平，表尔进入脉冲宽度测量，这时 CONT2 的输入信号为 PUL&FSD

    c 在经处理后的被测脉冲的上升沿到来时， CONTRAL2 的 PUL 端输出高电平，标准频率信号进入计数器 CONT2 。

    d 在经处理后的被测脉冲的下降沿到来时， CONTRL2 的 PUL 端输出低电平，计数器 CONT2 被关断。

    e 单片机 渎计数器 CONT2 的结果通过所述的测量原理公式计算得出脉冲宽度 .

    占空比的测量方法是通过测量脉冲宽度记录 CONT2 的计数值 Twx1, 然后将输入信号反相，再测量其脉冲宽度，测得 CONT2 计数值 Twx2 ，则可以计算出

    占空比＝ [Twx1/(Twx1–Twx2)] × 100%   

    (4) 自校电路

为了检测系统的精度，本电路附加了自校电路，用以产生 1MHz 信号，可在功能按键控制下进行自校。

8 、高频抗干扰设计

    在高频情况下，线路之间的干扰对频率测量结果影响很大，因此我们采用了一些高频线路抗干扰措施。

    测量电路的电路板采用自制印刷电路板，减少了引线交叉，降低了高频引线干扰，效果明显。例如，在模块初步设计和调试期间，我们在实验板上采用直接连线方式，因电路工作不稳定而出现了很大的测量误差。在自制印刷电路板上完成设计时，这个现象消失了。

    被测信号经过前置处理后，引向测量部分的引线全部采用屏蔽线。

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