MSP430单片机数字信号频率测量电路的设计.doc

PAGE 22 PAGE 23 第11章 数字信号频率测量电路的设计 目标 通过本章的学习，应掌握以下知识 应用系统设计的基本步骤 设计报告的撰写目的 设计报告的结构 结合实际情况选择合适的设计方案 将应用系统分解成一系列基本电路模块实现复杂问题简单化 单元电路技术指标对应用系统技术指标的影响 如何用一系列基本电路组成应用系统 系统测试方案的制定 测试数据的分析 系统设计总结 引言 学习的目的在于应用，同时边工作边学习也是一种非常有效的学习方法，因为具体的工作需求将为学习提出一个明确的目标。在完成一个应用系统的设计以后，设计者还应该向用户提供一份设计报告，这个设计报告详细地描述应用系统的设计过程。对于一个学生来说，撰写设计报告的过程还是不断发现问题，解决问题的过程。如果你想说服用户，那么你必须首先说服自己。 设计报告应该一边工作一边撰写。任何设计都很难一次成功，设计需要不断地进行完善，设计报告也同样需要不断地修改。在这个不断地完善和修改的过程中，设计者的工作能力必将获得提高，这点对于一个学生应是最值得关注的。 一份完整的设计报告通常包括摘要、关键词、设计要求、方案论证、系统设计、单元电路设计、系统连调、实验数据分析、设计总结以及参考文献等部分。摘要部分通常利用100～200个字对所设计的系统进行介绍；关键词更加简练，它利用3～5个词对所设计的系统特点进行描述。除过摘要、关键词和参考文献部分，本章将通过“数字信号频率测量电路的设计”的设计过程对设计报告其它部分的撰写方法进行介绍。在完成这个过程的同时，读者也将学习到如何将前面学习的知识应用到实际工作之中。 本章介绍的设计报告撰写格式为一种推荐格式。无论采用什么样的设计报告撰写格式，设计报告都必须清晰地描述应用系统的设计过程。 设计要求 这里给出的设计要求来源于1997年全国大学生电子设计竞赛试题——简易数字频率计（B题）。随着技术的发展和学校教学水平的提高，当时具有相当难度的设计要求在今天已经变得不那么困难了，但是利用它仍然能够学习如何综合前面的单元知识，学习如何完成一个应用系统的设计。本题目在作者现在对参加全国大学生电子设计的同学进行赛前训练过程中仍然使用。 基本要求 频率测量 测量范围 信号形式：方波、正弦波；信号幅度：0.5V～5.0V；信号频率：1Hz～1MHz。 测量误差≤0.1% 周期测量 测量范围 信号形式：方波、正弦波；信号幅度：0.5V～5.0V；信号频率：1Hz～1MHz。 测量误差≤0.1% 脉冲宽度测量 测量范围 信号形式：方波；信号幅度：0.5V～5.0V；脉冲宽度≥100us。 测量误差≤1% 数字显示电路，显示刷新时间1～10s连续可调；具有自校准功能；制作满足要求的稳压电源。 扩展要求 扩展频率测量范围为0.1Hz～10MHz；测量误差≤0.01%（最大计数闸门时间小于等于10s）。 测量周期方波信号的占空比，占空比变化范围：10%～90%；测量误差≤1%。 在1Hz～1MHz频率范围及测量误差≤1%的条件下，完成小信号的频率测量，并提出抗干扰措施。 使用MSP430微控制器芯片并不能完全实现上面给出的全部竞赛要求，还需要一些模拟电路器件的支持。例如在被测量信号的幅度方面，对于幅度低于最低高电平数值的方波信号，MSP430微控制器芯片将不能识别，这将需要电压放大器的支持；对于存在负电位的正弦波信号，这时还将需要使用比较器芯片将其转换为方波信号。同样，完成稳压电源设计这样的要求进一步需要更多其它电路器件的支持。 这里只考虑实现对满足MSP430微控制器芯片要求的数字信号，在设计要求频率范围之内的频率测量、周期测量、脉冲宽度测量、占空比测量以及测量控制电路和测量结果显示电路的设计。 设计可行性分析 实现一种系统功能或者技术指标通常具有多种可行的设计方案，每一种设计方案都具有它自己的优点和缺点。不存在一种最好的设计方案，只有一个最佳的设计方案。在所有可以采用的方案之中进行选择的过程被称为方案论证。方案论证的过程是一个折中的过程，设计者需要在所能实现的系统功能、技术指标、成本和所需要技术条件的支持等方面进行权衡。方案论证体现了设计者知识面的宽度。 鉴于本书专门用来描述MSP430系列微控制器的应用，内容要求使用这种微控制器来实现数字信号时间方面技术指标的测量，因此本节将不涉及到使用其它器件实现设计要求的分析。从严格意义方面来说，本节不能算成设计方案的论证和选择，因此这里将标题写成“设计可行性分析”。如果要进行真正的方案论证，所有考虑的方案都需要作这样的分析，然后再进行对比，最后做出选择。 数字信号的脉冲宽度τ为高电平的持续时间，单位为s。信号的周期T表示一个完整的信号波形所占用的时间，单位为s。描述信号周期这种时间特性的另一个技术指标为频率，