MSP430F149简易数字频率计.pdf

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.40M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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简易频率计的设计

方案比较及论证

1.方案比较

2.方案确定

工作原理.框图及电路设计

1．工作原理

\(1\).频率.周期的测量

\(2\).脉宽测量

\(3\).占空比计算

2. 电路框图

3.单元\(功能\)电路设计及分析

3.1　信号预处理部分

3.1.1 小信号放大电路

3.1.2 整形电路

3.2实际电路测量部分

3.3 控制电路\(键盘,显示,计数控制\)

3.3.1 msp430f149简要介绍

3.3.2 msp430f149基本系统介绍

\(1\).复位电路

\(2\).键盘

\(3\).显示

3.3.3 对7128的控制

3.4 数值处理

程序框图

1、主程序框图

2、各子程序

3、主要软件设计

四．抗干扰性和低功耗设计

1 抗干扰设计

2 低功耗设计

五．测试方法及结果

1、测量环境:

2、量使用仪器：

3．指标测量

4．测量数据

（1）频率测试

（2）周期测量

（3）脉冲宽度测量占空比测量

六.误差分析及措施

七．小结

目录 B 题一. 三. 二. 简易数字频率计 ...................................................................................................2 简易频率计的设计...........................................................................................................................3 方案比较及论证.......................................................................................................3 1.方案比较........................................................................................................................3 2.方案确定........................................................................................................................5 工作原理.框图及电路设计......................................................................................5 1．工作原理.....................................................................................................................5 (1).频率.周期的测量 ........................................................5 (2).脉宽测量 .....................................................................6 (3).占空比计算 .................................................................6 2. 电路框图......................................................................................................................7 3.单元(功能)电路设计及分析 .........................................................................................8 3.1 信号预处理部分..............................................................8 3.1.1 小信号放大电路.....................................................8 3.1.2 整形电路.................................................................8 3.2 实际电路测量部分.............................................................9 3.3 控制电路(键盘,显示,计数控制) .....................................10 3.3.1 msp430f149 简要介绍...........................................10 3.3.2 msp430f149 基本系统介绍 ...................................11 (1).复位电路 ...................................................................11 (2).键盘 ...........................................................................11 (3).显示 ...........................................................................12 3.3.3 对 7128 的控制.....................................................12 3.4 数值处理..........................................................................13 程序框图.................................................................................................................13 1、主程序框图...............................................................................................................13 2、各子程序...................................................................................................................14 3、主要软件设计...........................................................................................................14 四．抗干扰性和低功耗设计.................................................................................................15 1 抗干扰设计.................................................................................................................15 2 低功耗设计.................................................................................................................15 五．测试方法及结果.............................................................................................................15 1、测量环境:..........................................................................15 2、量使用仪器：.................................................................15 3．指标测量...........................................................................15 4．测量数据...........................................................................16 （1）频率测试...............................................................16 （2）周期测量...............................................................16 （3）脉冲宽度测量占空比测量 ...................................16 六.误差分析及措施................................................................................................................16 七．小结.................................................................................................................................17

B题简易数字频率计一、任务设计并制作一台数字显示的简易频率计。二、要求 1．基本要求 ⑴ 频率测量 a. 测量范围信号：方波、正弦波幅度：0.5V---5V 频率：1Hz---1MHz b. 测试误差≤0.1% ⑵ 周期测量 a. 测量范围信号：方波、正弦波幅度：0.5V---5V 频率：1Hz---1MHz b. 测试误差≤0.1% ⑶ 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≥100us b. 测试误差≤1% ⑷ 显示器十进制数字显示，显示刷新时间1—10s连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。 ⑸ 具有自较功能，时标信号频率为1MHz。 ⑹ 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。 2．发挥部分 ⑴ 扩展频率测量范围为0.1Hz---10MHz（信号幅度0.5V---5V），测试误差降低为0.01%（最大闸门时间≤10s）。 ⑵ 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%，测试误差≤1% 。 ⑶ 在1Hz---1MHz范围内及测试误差≤0.1%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。三、评分意见基本要求发挥部分项目满分设计与总结报告：方案设计与论证，理论分析与计算，电路图，测试方法与数据，对测试结果的分析 50 实际制作完成情况完成第⑴项完成第⑵项完成第⑶项特色与创新 50 10 10 20 10 四、说明 ⑴ 不能采用频率计专用模块。 ⑵ 在设计报告前附一份400字以内的报告摘要。

简易频率计的设计 The Designing of the Cymometer Based on the Microcontroller 摘要: 本设计以超低功耗单片机 msp430f149 为 mcu。以高速的 cpld 实现两路 32 计数，在设计中应用单片机的数学运算和控制功能，实现了测量时间闸门的自动选择，频率和周期的归一化处理.既满足%0.01 的测量精度要求，又满足系统反应时间的要求。并且实现了对频率,周期,占空比的测量.此外,利用 mspf149 内部的高速模拟比较器,实现了对小信号, 正弦波的预处理.使得该频率计能够在较宽的频率范围和幅度范围内对多种信号进行测量 Abstract: our design of the intelligent cymometer is based on a 16-bit ultra-low-power microcontroller of msp430f149,with a high speed cpld 7128 used as 32-bit counter . By taking full use of the msp430f149 ,it can select time automatically among different range and change measuring cycle into measuring frequency to meet the needs for high accuracy and short measuring time. this instrument that can’t only measure frequency ,but also can measure cycle, pulse-width, mark-to-space ratio. in addition, we use the high-speed compare in msp430f149 to transfer the input signal ,make it measure signal at a wide range of frequency and voltage. 关键字:msp430f149,epm7128slc84-15,%0.01,频率,周期,占空比 keyword:msp430f149, epm7128slc84-15,%0.01, frequency, cycle, mark-to-space ratio. 一. 方案比较及论证 1.方案比较方案一:采用频率-电压变换器 lm2907n 或 lm2917n,用 ad 转换电路实现电压信号到数字信号的转换,然后用译码电路把数值送到数码管显示.电路框图: 预处理信号频率-电压变换器 AD 转换译码电路显示档位选择图一频率-电压变换法框图

该电路的特点是:测量电路简单,但是显示电路复杂,如果用指示仪表显示会简单得多.测量精度不高,只能控制在%1 左右,远达不到设计的要求. 方案二:应用单片机的数值运算能力,把周期测量和频率测量结合进行,在低频段测量周期,在高频段直接测量频率.每次测量前,对频率进行初测,判断是低频还是高频.如果是低频, 选择相应的处理方法;高频的话,采用对应的处理方法.msp430f149 内部有两个定时计数模块.正好用做对频率的测量. 具体测量方法: 预处理信号对待测信号计数 (判断高低频) 1s 时间闸门结果显示数据处理用待测信号 N 个周期作为闸门对标准时钟计数对待测信号计数用标准信号 N 个周期作为闸门图二传统频率测量法框图高频时 : 用标准信号 N 个标准周期作为闸门 , 对待测信号计数, 设计数值为 M, 则 Fx=Fs*M/N(Fs 为标准频率); 低频时: 用待测信号 N 个待测周期作为闸门, 对标准时钟计数,设计数值为 M,则 Fx=Fs*N/M 以上方法,简单可行,直接应用 msp430f149 内部的两个计数器,就可以完成测量,但是 msp430f149 内部的计数器是 16 位的,而利用以上方法,存在计数一的误差,所以再理想状态下,利用以上方法只能达到 1/65536 的精度.不够%0.01 不能实现扩展功能,而且对于不同的频率精度还不一样.所以,我们放弃了这种简便的方案! 方案三:利用 msp430f149 强大的数据处理能力,用高速高精度的 cpld 实现 32 位计数.两者结合，实现高集成,高速,高可靠性,等精度频率测量. 预置闸门待测信号实际闸门标准信号 t1 Nx t Ns 图三等精度测量原理:

实际闸门是,预置闸门和待测信号的同步的结果. 在以上的方法中,实际闸门时间为 Nx/Fx(Fx 为待测频率),如果令标准频率为 Fs,则闸门时间可以近似表示为 Fs/Ns,即有: Nx/Fx=Fs/Ns (1) Fx=(Nx/Ns)Fs (2) 相对误差为: =δ ( Fxe − Fx / Fxe *) %100 ----Fxe 为被测信号频率的准确值 (3) Fxe = [ Nx /( Ns ∆+ Ns /)] Fs (4) 把(2),(4)代入(3)得: ∆=δ Ns / Ns (5) 由上可知:测量的相对误差小于1/Ns,而Ns=T*Fs (T 为实际闸门时间),所以,只要选定标准频率和时间闸门,相对误差是个确定的值,和被测频率的大小无关.从而实现了等精度测量. 该测量方案的特点是:可测量频率范围很宽,精度非常高,要实现%0.01 的误差,闸门时间不会很长. 该方案的不足:数据处理比较复杂. 2.方案确定分析以上三种方案的优缺点,显然第三种方案具有更大的优越性,能实现更高的精度, 虽然数据处理比较复杂,但考虑到 msp430f149 有很强大的数据处理理能力,我们决定选用第三种方案. 二. 工作原理.框图及电路设计 1．工作原理 (1).频率.周期的测量在等精度测量中,最为主要的是在对待测信号,标准信号同时计数的时候,消除待测信号的计数误差.从而保证精度和待测信号无关. 在我们实现的过程中,我们采用了同步方法,实现了待测信号的无误差计数. 标准信号预置门信号被测信号 D Q CLK CNT1 OUT1 CEN CEN CNT2 OUT2

当预置门信号为高时,实际闸门并没有立即开启,而是要等到被测信号的上升沿到来才开启,而当预置门信号为低时, ,实际闸门也没有立即关闭,而是要等到被测信号的上升沿到来才关闭.如此一来,实际闸门时间为被测信号周期的整数倍,即 CNT2 的计数没有误差. 但对于标准信号,因为没有用来和预置门同步,所以还是存在计数 Ns∆ 的误差, 而 Ns∆ <1.在方案论证中,我们已经得到 ∆=δ Ns / Ns ,所以δ<1/Ns. 只要闸门时间 T 足够长,标准频率 Fs 足够大,就可是使得相对误差δ很小.在我们的设计过程中,我们采用的 Fs =8MHZ, 预置门为一秒,即实际的闸门时间也接近一秒. 由此,Ns 8*10e6, ≈ δ<1/Ns=1/(8*10e6)= 0.000000125=1.25e-7<<%0.01 如果被测的频率小于 1HZ,我们把预置门设为 10s,而标准频率选用 800KHZ,那么同样有 Ns ≈ 8*10e6, δ<1/Ns=1/(8*10e6)= 0.000000125=1.25e-7<<%0.01 所以,在 0.1HZ~~10MHZ 整个范围,都可以实现等精度,高精度的测量. (2).脉宽测量要对脉宽进行测量,先要把脉冲边沿处理得非常陡峭,然后送入,测量计数器进行计数. 测量电路在检测到脉冲上升沿开始计数,当脉冲下降沿到来时,停止计数. 用标准信号在一个脉宽时间进行计数,设计数值为 M 则,脉宽为: Tw=M/Fs 标准信号 OUT CEN CLK CNT 被测信号 (3).占空比计算对于一个信号,先求出频率,然后测出脉宽,就可以求出占空比了. 占空比=Tw*Fx*100% 图五测量脉宽电路

2. 电路框图显示键盘时钟 M s p 4 3 0 f 1 4 9 基本系统 R 0-R 1 C LR S T R F /T F s 信号定义: 待测信号 ----外部输入的 0.1hz-10mhz,0.5v-5v 的外部信号参考电平 ----模拟比较器的’-’比较电平,接地图六总电路框图 e p m 7 1 2 8 5 A0-A7 B0-B7 F x 放大整形待测信号 B0-B7 ---第一路数据线,传送 CNT1 的计数值 A0-A7 ---第二路数据线,传送 CNT2 的计数值 R0-R1 ---地址线,f149 用来控制 epm7128 进行计数值传送具体定义 R1 0 0 1 1 R0 0 1 0 1 传送低八位计数值传送准低八位计数值传送准高八位计数值传送高八位计数值 Fs ---标准信号,选用 8MHz CLR ---计数器清零控制 F/T ---频率测量,脉宽测量切换 Fx ---处理后的待测信号 STR ---预置门控制 EPM7128 内部电路将在后面给出.

3.单元(功能)电路设计及分析 3.1 信号预处理部分 3.1.1 小信号放大电路小信号放大器应具有较大的输入阻抗、较小的输入电流、较强的抗干扰能力，并有很宽的通频带（0.1Hz—10MHz）。常用的放大电路主要有三极管放大电路和运算放大器组成的放大电路。由于三极管放大电路参数选择复杂，低频特性不好，抗噪性能差。因此，本设计采用了宽频带、低噪声、高输入阻抗的运算放大器组成高精度放大电路，以获得良好的频率特性和抗干扰能力。 3.1.2 整形电路能够实现信号整形和单向化处理的电路主要有以下几种： ● 利用单电源运算放大器构成过零比较器。此法电路实现比较简单，但带宽太窄并且对输入信号的幅度有要求，若选用高带宽增益积的运算放大器，则性价比太低。 ● 运用555定时器构成施密特触发器。电路如图6所示。此法同样带宽不够，并且能够处理的待变换信号的幅度范围太小，不满足设计要求。图七 555构成的施密特触发器 ● 二极管并联限幅电路是利用二极管的导通状态实现限幅的。在此原理基础上的二极管并联双向限幅电路加上一级施密特触发器即可实现信号变换。如图7。图八二极管并联限幅电路 ● 利用三极管的开关特性和一级施密特触发器可使信号变成满足要求的标准输入。此方案不但电路简单易实现，抗干扰能力强，而且通过调整电路中元件的参数值可使各项指标全部符合要求。

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