没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
资源推荐
资源详情
资源评论
1
第七章 电子系统设计实例
前面各章主要就电子系统设计的一般方法、步骤以及一些常用技术进
行了介绍,本章将精选一些历届电子竞赛的赛题,通过对它们的具体分析和
设计、实施,将理论与实践紧密的结合起来,通过具体的设计训练提高实际
能力。
第一节 简易数字频率计
简易数字频率计的设计我们已在第一章中作为设计范例给出了具体的
设计方案和系统结构。该设计方案主要采用传统的高频测频、低频测周的电
子计数器法,以中介频率作为其分界线,从而可保证足够高的测量精度。此
处我们仍以该题为例,介绍另外一种设计方法—高精度恒误差测量法。为此,
我们不妨再将设计任务的要求列出,以便阅读。
该题目要求设计一台简易数字频率计。具体性能、指标要求如下:
1.基本要求
(1)频率测量:
a. 测量范围 信号:方波、正弦波信号
幅度:0.5V~5V
频率:1Hz~1MHz
b. 测量误差≤0.1%。
(2)周期测量:
a. 测量范围 信号:方波、正弦波信号
幅度:0.5V~5V
频率:1Hz~1MHz
b. 测量误差≤0.1%。
(3) 脉冲宽度测量:
a. 测量范围 信号:脉冲波
幅度:0.5V~5V
脉冲宽度≥100μs
b. 测量误差≤1%。
(4)显示器 :十进制数字显示,显示刷新时间 1~10 秒连续可调。
(5)具有自校功能,时标信号频率为 1MHz。
(6)自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。
说明: 不能采用频率计专用芯片。
2
2.发挥部分
(1)扩展频率测量范围为 0.1Hz~10MHz(信号幅度 0.5V~5V),测量误差
降低为 0.01%(最大闸门时间≤10s)。
(2)测量并显示周期脉冲信号(幅度 0.5V~5V、频率 1Hz~1kHz)的占空
比,占空比变化范围为 10%~90%,测量误差≤1% 。
(3)在 1Hz~1MHz 范围内及测量误差≤1%的条件下,进行小信号的频率测
量,提出并实现抗干扰的措施。
摘 要
本设计系统采用高精度恒误差频率测量法。以单片机作为控制和测量的
核心部件,由现场可编程逻辑器件 EPM7128SLC84-15 实现大部分外围电路。
信号的调理整形部分由快速微分比较器 LM361 完成,为防止正弦信号在过
零点的毛刺造成比较器的误动作,LM361 采用迟滞比较器的接法。另外,
测量结果由键盘显示控制器 Zlg7289 实现。
一. 总体方案比较与论证
方案 1:采用中小规模数字电路构成频率计,由计数器构成主要的测量
模块。用定时器组成主要的控制电路。电路框图如图 7-1 所示。此方案软件
设计简单,但外围芯片过多,且频带窄,实现起来较复杂,功能不强,而且
不能程控和扩展。
图 7-1 方案 1 电路框图
方案 2:采用专用的频率计模块构成主要的控制及测量电路。电路框图
如图 7-2 所示。特点是结构简单,外围电路不多,功能较强。
比较器 功能选择 量程选择 计数器
被测
信 号
控制
模块
定时及
时标
键盘
显示
3
图 7-2 方案 2 电路框图
方案 3:采用单片机和大规模现场可编程逻辑器件实现。单片机采用
89c52,大规模现场可编程器件采用 ALTERA 公司生产的 7128SLC84-15 实
现外围计数功能。
比较:方案 1 采用中小规模集成电路来实现,系统电路较复杂,扩展性
能差。方案 2 不符合题目要求。方案 3 用可编程逻辑器件实现大部分硬件电
路的功能。加上单片机控制,有利于系统进行扩展,并且调试简单。故采用
方案 3。
二. 模块电路设计与参数计算
1. 频率测量模块
目前,频率的测量主要有以下四种方法。
(1) 直接测频法
直接测频法是将被测信号整形后加到闸门的一个输入端,在闸门开通的
时间(T)内,被测信号的脉冲被送计数器进行计数。设计数器记得的值为
N,由频率计算式可得被测信号频率为 f = N/T。分析可知,本方法在频率较
低时误差较大。增大 T 可以提高测量精度,但仍难以满足题目发挥部分的
要求。
(2)组合法
被测信号频率较低时,通过直接测量周期可提高精度。因此,当被测信
号频率较高时采用直接测频,而当被测信号频率较低时采用先测量周期,然
后换算成频率的方法,就称为组合测量法。测频与测周时误差相等时对应的
频率即为中介频率,它成为测频与测周的分水岭。这种方法可在一定程度上
弥补方法(1)的不足,提高测量精度。
(3)倍频法
由于直接测频法在被测信号频率较高时测量精度高,故可以将被测信号
分为几个频段,在不同的频段采用不同的倍频系数,将低频信号转化成高频
信号,从而提高测量精度。这种方法即为倍频法。
4
(4)高精度恒误差测量法
根据高精度恒误差测量法的原理,具有如下的测频方案。电路原理见图
7-3。电路中,预置门控信号控制计数的时间,可由计数器实现,CNT1 和
CNT2 是两个可控计数器,标准信号从 CNT1 的时钟输入端 CLK1 输入,设
其频率为
S
F
,被测信号经过整形后从CNT2 的CLK 端输入,设其频率为
x
F ,
测量值为
xe
F 。
图 7-3 高精度恒误差测量法框图
当预置门控信号为高电平时,经整形后的被测信号的上升沿通过 D 触
发器后,输出 Q 端启动两计数器同时进行计数,当预置门控信号为低电平
时,经整形后的被测信号的一个上升沿使两计数器同时停止计数。
设在一次记数过程中,对标准信号计数值为
S
N ,被测信号计数值为
x
N ,则存在以下关系:
x
F /
x
N =
S
F
/
S
N
即:
x
F =(
S
F
/
S
N )*
x
N
相对误差公式为
5
SSx
FFN //2
∆
+
±
=
δ
从相对误差公式中分析可知,其测量精度与被测信号无关,只与标准信
号频率精度有关。显然,
S
N 决定于预置门时间
S
T 和标准信号源的频率,
其关系如下:
S
N =
S
T *
S
F
如果采用频率为 1 MHz 的标准信号源,则有
S
N/1≤
δ
若预置门时间
S
T 取 0.1 秒,则
S
N =0.1×100 000 =10 000,
δ
≤
1
×
4
10
−
可见,在整个测量范围内,精度可达到题目要求,若采用更高频率的信
号源或适当延迟预置门时间,则可达到更高的测量精度。本设计就采用高精
度恒误差测量法。
2. 周期测量模块
由于周期与频率存在倒数关系,故在测得频率后,求出倒数,即得周期
值。
3. 脉冲宽度测量模块
在进行脉冲宽度测量时,首先对被测信号进行整形,然后送测量计数器
进行测量。测量电路在检测到脉冲信号上升沿时开始计数,上升沿的检测由
软件实现。在检测到被测信号下降沿时停止计数,这可由整形后的信号控制
计数器的使能信号来实现,当信号下降为低电平时,自动结束计数器的使能
状态,停止计数。由下式即可计算出脉冲的宽度。
SXWX
FNT /=
4. 周期脉冲信号占空比测量电路
测得一信号的脉冲宽度,设其值为
1WX
T ;再测信号的周期,记录其值
为
T
,则其占空比可由下式得到:
占空比 = [
1WX
T /
T
]
×
100%
5. 频标发生电路
当给 89C52 单片机 12M 的晶振频率,并且不执行读写外部数据存储器指
令时,单片机的 ALE 信号为频率 2M 的方波信号,经过 2 分频后,即可作
剩余81页未读,继续阅读
资源评论
dmf_1988
- 粉丝: 0
- 资源: 20
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功