第2章 方案论证
多周期同步测频法：是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法，待测信号频率与M/T法相同。
2.2 几种方案的优劣讨论
以上几种方法各有其优缺点：
脉冲数定时测频法，时间Tc为准确值，测量的精度主要取决于计数Mx的误差。其特点在于：测量方法简单，测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。
脉冲周期测频法，此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。
脉冲数倍频测频法，其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比M法高A倍，但控制电路较复杂。
脉冲数分频测频法，其特点是高频测量精度比T法高A倍，但控制电路也较复杂。
脉冲平均周期测频法，此法在测高频时精度较高，但在测低频信号时精度较低。
多周期同步测频法，此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的±1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。
2.3 本次设计采用的方案
根据频率的定义，频率是单位时间内信号波的个数，因此采用上述各种方案都能实现频率的测量。但是本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计，采用脉冲定时测频法，则在低频率的测量时误差会大一些。采用脉冲周期测频法则测高频率时精度无法保证；采用脉冲数倍频测频法和脉冲数分频测频法则精度有所提高，但控制电路较复杂；采用脉冲平均周期测频法则很难兼顾低频信号的测量；而采用多周期同步测频法，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的±1误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。本次设计由于个人水平有限，因此，本次设计根据需要，采用脉冲定时测频法。
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第3章 系统硬件设计
第3章 系统硬件设计
3.1 数字频率计工作原理
3.1.1 一般数字式频率计的原理
数字式频率计是测量频率最常用的仪器之一，其基本设计原理是首先把待测信号通过放大整形，变成一个脉冲信号，然后通过控制电路控制计数器计数，最后送到译码显示电路里进行显示，其基本构成框图如图3-1所示。?1?
待 测信号 放大整形电路 计数器电路 译码显示电路 控制门电路
图3-1 数字式频率计原理框图
由上图可以看出，待测信号经过放大整形电路后得到一个待测信号的脉冲信号，然后通过计数器计数，可得到需要的频率值，最后送入译码显示电路中显示出来。但是控制部分才是最重要的，它在整个系统的运行中起至关重要的作用。 3.1.2 基于单片机的数字频率计原理
由上节介绍可知，控制电路在数字频率计中起至关重要的作用。采用什么样的控制电路，直接决定了数字频率计的性能。由第二章的内容可知，为了得到一个高性能的数字频率计，本次设计采用单片机来做为数字频率计的核心控制电路，辅之于少数的外部控制电路。因此本此设计的系统包括信号放大整形电路、分频电路、单片机AT89C51和显示电路等。本系统让被测信号经过放大整形后，进入单片机开始计数,利用单片机内部定时计数器定时，在把所记得的数经过相关处理后送到显示电路中显示。其系统原理框图将在下面介绍。
根据上述的基于单片机的数字频率计的设计原理，我们可设计一个由放大整
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第3章 系统硬件设计
形电路、分频电路、多路数据选择器、AT89C51以及显示电路来构成的数字式频率计，其系统框图如图3-2所示。
待测信号 放大整形电路 分频电路 多路数据选择器 单片机 显示电路
图3-2 系统构成框图
3.2 电路原理图
由上面的内容可看到，本次设计的基于单片机的数字式频率计包括波形整形电路、分频电路、多路数据选择器、单片机和显示电路等几个模块。所以本次设计的数字式频率计的电路由以下几块构成：由施密特触发器构成的波形整形放大电路、由74LS90构成的分频电路、由74LS153四选一电路构成的四选一电路、AT89C51单片机以及由74LS138译码电路、74LS245上拉电路和八段数码管显示电路构成的数码显示电路构。其原理图如图3-3所示。
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第3章 系统硬件设计
图3-3 系统电路原理图
3.3 放大整形电路
3.3.1 放大整形电路的必要性
因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，而实际中需要测量频率的信号是多种多样的，有脉冲波、还有可能有正弦波、三角波等，所以需要一个电路。把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。 3.3.2 放大整形电路的原理
矩形脉冲波的整形电路有两种：施密特触发器、单稳态触发器。而这两种电路都可以有门电路或是555定时器构成。由于本次设计的基于单片机的数字频率计的放大整形电路部分需求比较简单，所以我们选择由555定时器构成的施密特
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第3章 系统硬件设计
触发器来作为信号波形整形电路，下面我们给出其全面的介绍。?2?
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，下面我们对它的特点、输出特性、工作原理等进行简单的介绍。
一、特点
1、电平触发：触发信号UI可以是变化缓慢的模拟信号，UI达某一电平值时，输出电压UO突变。UO为脉冲信号。
2、电压滞后传输：输入信号UI从低电平上升过程中，电路状态转换时对应的输入电平，UI与从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。
利用上述两个特点，施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
二、输出特性
1、同向输出：当UI?0时，UOI?UOL，为同向输出，此时当UI??VT?时，
UO??UOH，当UI??VT?时，UO??UOL。其同向输出特性图如图3-4所示。
图3-4 同向输出特性图
2、反向输出：当UI?0时，为反向输出，此时当UI?VT?，UO?UOH，UO??UOL，当UI??VT?时，UO??UOH，其反向输出特性图如图3-5所示。
图3-5 反向输出特性图
正向阈值电平VT?：UI上升时，引起UO突变时对应的UI值。 负向阈值电平VT?：UI下降时，引起UO突变时对应的UI值。 三、整形原理
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