智能仪器频率测试仪设计

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1、智能频率测试仪设计专业：应用电子技术班级：09应电2班学号：2009061595姓名：崔建宇指导老师：董卫军11前言本次设计是以STC12C5A3252单片机为控制核心的频率及相位测试仪。本次设计可完成对信号频率的频率测量和相位差测量。要求测量频率的范围为20Hz到20KHz，相位的范围为0°到360°。可通过按键实现测频或测相，用LED数码管直接显示读数，显示清晰直观。误差小，稳定性高。设计要求:⑴．功能要求①．可以测量被测信号的频率。②．使用多周期同步测量原理，实现全频段等精度测量。③．输入采用交流耦合方式。④．使用220V/50H

2、z交流电源，设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。⑵．主要技术指标①．测量频率范围：1Hz~1MHz②．测量误差：≤0.01%（全频段）③．额定输入信号电压：500mV④．最大输入信号电压：100V⑤．输入阻抗：1MΩ⑥．显示方式：6位LED数码管显示被测信号的频率。2总体方案设计2.1方案比较2.1.1方案一方案一的结构框图如下图2.1所示。整形电路STC12C5A3252整形电路移相电路待测信号2待测信号1输入信号键盘控制切换LED显示图2.1方案一方框图2.1.2方案二方案二的结构框图如下图2.2所示。整形电路整形电路FPGAA

3、T89C51LED显示AB待测信号1待测信号2图2.2方案二方框图2.2方案论证本设计要完成信号频率的测量和相位差的测量。设计中有两路输入信号，也是被测量信号，它们是两个频率相同的正弦信号，频率范围为20Hz到20KHz，幅度为1到5V（可以扩展到（0.3到5V），但两者幅度不一定相等。令正弦信号为，式中：称为幅值（最大值），且=,称为有效值；称为相位，称为初相位，称为角频率。、、称为正弦量的三要素。方案一和方案二的比较见表2.1。表2.1方案一和方案二的比较方案项目方案一方案二芯片部分741741整形部分LM324LM339信号转换部

4、分74HC08FPGA适配板单片机部分STC12C5A3252AT89C51显示部分LEDLED只有两个同频率的（正弦）信号才有相位差的概念。不妨令两个同频率的正弦信号为则相位差，由此可看出，相位差在数值上等于初相位之差，是一个角度。不妨令,式中是相位差对应的时间差，且令为周期信号，则有比例关系:360°=:,可以推导得到=360°此式说明，相位差与一一对应，可以通过测量时间差及周期信号的测量，也就是时间的测量，而时间的测量则要用到电子计数器。信号频率的测量可以采用直接测频率的方法和周期测频率的方法。一般信号频率较高时，采用直接测频率法

5、，而信号频率较低时，采用测周期的方法。用直接测频率的方法获得信号频率即是让定时器/计数器T1对外部事件计数，而让定时器/计数器T1定时1s，只有在这1s内T1启动对外部事件（即信号I）计数，则T1的计数值就是待测信号的频率。用测周期的方法获得信号频率即是对I进行2分频后的波形中，高电平的宽度正好对应I的周期，我们将此高电平信号作为单片机内部定时器的硬件启动/停止信号，便可测得周期T,由公式,得频率。方案一工作原理：两路待测信号经整形后变成了矩形波信号1和2，1和2是同频率，不同相位的矩形波。（1）频率的测量：STC对信号频率的测量可以采

6、用直接测量法和测周期法。一般信号频率较高时采用直接测量法，而信号频率较低时用测周期法。本设计我组采用测周期法。由图2.1.2可知，将输入信号送入单片机再对高电平进行扫描，记录在1s内高电平出现的次数N，则N就是测得的频率。信号图2.3输入信号图（2）相位差的测量我组用一个与门将两输入的待测信号比较后叠加，而输出的波形中，正脉冲宽度就是要测量的待测1和待测2相位差所对应的时间差t，跟据公式可得相位值。如图2.4所示。信号1信号2与门输出图2.4相位比较图方案一工作原理：让FPGA实现数据的采集，即待测信号的频率f、两路输入信号的相位差所对

7、应的时间差t分别转换为二进制数据，供STC单片机读取使用。STC从FPGA获取数据并经过CPU计算、转换等有关处理后，得到信号的频率和相位差并送LED数码管显示。待测信号1、待测信号2经整形电路处理后，变为矩形波，不妨令其为A、B，可以认为A、B为两个同频率的有相位差的矩形波。FPGA通过对整形后的信号A、B的处理，要获得二进制数形式表示的信号频率以及相位差对应的时间差。（1）频率的测量。对频率的测量采用测周期的方法，即在信号周期T时间内，对时标信号进行计数。设时标信号的频率为f，时标信号周期为T，对信号A二分频都得信号高平宽度就是信号

8、周期T，此高电平宽度作为闸门的控制信号，控制计数器在T时间内对f进行计数，则有N/F=T，被测信号的频率为:f=1/T=f/N上式中N计数器的计数值，当f一定时，它的大小表示信号频率的大小。（2）相位差对应