頻率計(jì)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

1、摘要本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) 89S51 及相應(yīng)的輸入信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)頻率 測(cè)量系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)制作完成了智能能數(shù)字頻率計(jì)。 它主要由信號(hào)放大、 限幅、整形、測(cè)量模塊、控制與顯示模塊組成。它運(yùn)用單片機(jī)強(qiáng)大 的運(yùn)算能力，克服了一般數(shù)字頻率計(jì)在低頻段精度不高的的缺點(diǎn)； 采用頻率自動(dòng)分段技術(shù)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)頻段間切換，提高響應(yīng)速度組 成。關(guān)鍵詞 ：周期；頻率；單片機(jī)AbstractThe system is based on the single-chip microcomputer 89S51,and relevant import circuit of signal processing. It is made

2、 up of signal amplification and modify module, limit breadth,measure module, control and display module. It use powerful arithmetical capability of single-chip microcomputer,conquer the disadvantage that the commonly digital cymomeler has not high precision in low-frequency; The system using the tec

3、hnique of auto subsection,that can achieve the switch with the segment of frequency, and heighten the speed of response.Key Words: period frequency single-chip microcomputer設(shè)計(jì)任務(wù)采用單片機(jī)AT89S51及相應(yīng)的輸入信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)頻率測(cè)量系統(tǒng)；輸入 信號(hào)為方波、正弦波，輸入電壓15V;數(shù)據(jù)顯示采用共陽(yáng)LED數(shù)碼管4位；具 有電源接口，公共地線、電源需加濾波電路；具有上電自檢功能。設(shè)計(jì)思路頻率的測(cè)量實(shí)際上就是在1S時(shí)間內(nèi)對(duì)

4、信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值就是信號(hào)頻率。用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)通常采用兩種辦法，1）使用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者測(cè)量信號(hào)的周期；2 ）單片機(jī)外部使用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值再由單片機(jī) 讀取。方案論證本次設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何在要求的測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到盡可能小的測(cè)量誤差, 對(duì)此問(wèn)題，我們進(jìn)行了仔細(xì)的論證和比較。1. 頻率測(cè)量方案一： 倍頻法由于直接測(cè)頻法在高頻區(qū)有很高的精度,可以把頻率測(cè)量范圍分成幾個(gè)頻段,利用倍頻技術(shù)，將各個(gè)頻段倍頻后利用直接測(cè)頻法測(cè)量,這理論上可以達(dá)到較高的精度,實(shí)際在低頻時(shí)（低于100HZ）,鎖相電路工作性能很不理想,有時(shí)甚至不能正常工作，況且硬件的設(shè)計(jì)14

5、將變得復(fù)雜，本設(shè)計(jì)不采用此方案。方案二：等精度數(shù)字測(cè)頻等精度測(cè)頻方法是在直接測(cè)頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它的閘門時(shí)間不是固定的值，而是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，即與被測(cè)信號(hào)同步，故又稱多周期同步測(cè)頻，其原理如EXT1溢出 開(kāi)放EXT2中斷開(kāi)放EXT1和TMA, TMB中斷預(yù)置閘門foFx實(shí)際閘門有NxTx=NoTo因此，只有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)fO產(chǎn)生計(jì)數(shù)1的量化誤差,它在整個(gè)測(cè)試頻段的精度是相等的。其測(cè)量誤差恒為:dfXfx= dNo/No+|dfo/fo| = 1/fo+|dfo/fo|其中dfo/fo為晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度，通?？蛇_(dá)IO6- IO8 ； 1/fo 則為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)fo產(chǎn)生計(jì)數(shù)1的量化誤差

6、，現(xiàn)選用 12.288MHZ(fosc/2)的頻率作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其合成總誤差為10上。但由于硬件復(fù)雜，故不采用此方案。方案三：直接測(cè)頻這是傳統(tǒng)頻率計(jì)用得較多的一種方法，其測(cè)頻的一般原理框圖如圖所示。它是利用計(jì)數(shù)器在閘門G開(kāi)啟期間對(duì)輸入信號(hào)的周期進(jìn)行來(lái)完成測(cè)頻的。若設(shè)計(jì)數(shù)值為N,則輸入信號(hào)的頻率可表示為:fx=N/Tg其輸入信號(hào)的頻率可表示為：Fx= ( Nx/No)*foS 1直搖方式數(shù)字測(cè)煩原理由于閘門時(shí)間 Tg是固定的，所以對(duì)于任意的 fx不能保證在Tg時(shí)間內(nèi)正好有 N個(gè)Tx,因此會(huì)產(chǎn)生最大 1個(gè)Tx的量化誤差dN。這樣，可得到直接方式下測(cè)頻的相對(duì)誤差為: 1/fxTg+|dfO/fO|d

7、fx/fx= dNx/Nx+|dfO/fO| =其中dfO/fO為晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度，通常可達(dá)10上-10*; 1/fxTg則為量化誤差，在被測(cè)信號(hào)頻率高，閘門時(shí)間寬的情況下此項(xiàng)相對(duì)誤差較小，故采用此方案。2. 放大整型由于輸入信號(hào)幅度為方波和正弦波，故須對(duì)此進(jìn)行放大和整形，使其輸出足以觸發(fā)單 片機(jī)的方波，有以下方案:方案一：采用分立元件1000M的三極管進(jìn)行放大,使用場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入級(jí)，以提高輸入阻抗，用截止頻率由于電路復(fù)雜，要調(diào)節(jié)部分多，且一致性差，故不采用此方案。方案二：采用高速電壓比較比較器讓輸入信號(hào)與 0v 電壓進(jìn)行比較，亦可得到等頻率的等幅方波。由于電路相對(duì)復(fù)雜，故不采用此方案

8、。方案三：采用高速運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一放大， 再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓二極管限幅， 然后進(jìn)入施密特觸發(fā)器進(jìn)行整流，輸出等幅方波。其電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，故采用此方案。3. 結(jié)果顯示方案一：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描這是傳統(tǒng)用得較多的方法，雖然功耗大，顯示單一，不易于人機(jī)交互操作。但較為簡(jiǎn)單，故本系統(tǒng)采用此方案。方案二：采用大液晶 LCD12864特點(diǎn)是功耗低，顯示內(nèi)容豐富，能提供友好的人機(jī)交互操作界面。但費(fèi)用較昂貴，故不采用次方案方案選擇通過(guò)對(duì)各方案的比較 , 在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下 ,選取如下設(shè)計(jì)方案。采用直接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)頻，即輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)高速運(yùn)放 TL082 進(jìn)行放大，送入穩(wěn)壓二極管對(duì)其限幅，再經(jīng)過(guò)74LS14進(jìn)行

9、整流，使其成為等幅的方波。 利用計(jì)數(shù)器在閘門 G開(kāi)啟期間對(duì)輸入信號(hào)的周期進(jìn)行來(lái)完成測(cè)頻。在程序編寫上選用C語(yǔ)言,C語(yǔ)言是簡(jiǎn)潔、高效、而又最貼近硬件的高級(jí)編程語(yǔ)言。在 90 年代初單片機(jī) C 語(yǔ)言就已成熟為專業(yè)水平的高級(jí)語(yǔ)言，所以不再有顧慮，而且當(dāng)前廠商在推出新的單片機(jī)產(chǎn)品時(shí)紛紛配套C語(yǔ)言編譯器。系統(tǒng)框圖誤差分析與參數(shù)計(jì)算頻率測(cè)量量化誤差分析及其公式推導(dǎo)如下。(1)量化誤差設(shè)測(cè)得頻率為Fx,被調(diào)頻率真實(shí)值為 Fs,標(biāo)準(zhǔn)頻率為F。，在一次測(cè)量中.預(yù)置門時(shí)間為Tg,被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為 Nx,標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)值為No。Fx 計(jì)數(shù)的起停時(shí)間都是由該信號(hào)的下降沿觸發(fā)的，在Tg時(shí)間內(nèi)對(duì)Fx的計(jì)數(shù)Nx無(wú)誤差在此

10、時(shí)間內(nèi)Fo的計(jì)數(shù)從最多相差一個(gè)脈沖,ct| 1V1而 Fx/ Nx= Fo/ No(2-1)Fxe/ Nx= Fo/(No *ct)(Fxe為實(shí)際測(cè)得的頻率)(2 2)由以上兩式可得：Fx = (Fo / No)*Nx(23)Fxe = (Fo / (No ct)*Nx(24)根據(jù)相對(duì)誤差公式有：VI b I = | Fxe| / Fxe=|Fxe- Fx|/ Fxe (25)將式(2 3), (2 4)代入(2 5)經(jīng)整理后得V |VFxe| / Fxe=|ct|/No因?yàn)閂|ct| 1所以V|ct|/No1/No21V=|Fxe| / Fxe5| tt；.ei(Ati 3巴廠阿I 二誌訐P(yáng)

11、 二程5艮 二3巴件-匸； 監(jiān)弘忖T 3吃.玄皆丁； PZ卻淳1匕 =； 7 Ifi F *=： T iiAJ 二心網(wǎng)臨利Pig M 5O：P1ftC 月O: P： 匸 可匚 iFLgpao 匚 遠(yuǎn)匚 ro：E 1 匚 A麗申P(guān)S：匚 4Tn冋兀 氏*匚 (r ii；iP3oC：s 0-xorM -w 耳 J： K-aoindL一門1: Eo Ed 62 躺 kJ I：pE Cd s_ 也 QCd星TQFP并s需En Ksn inMg af n ownQz-n WCLdn 芯 nE Fn 辱 導(dǎo) ?3A(OaPl.E 匚 iViSJ.l H .OL (3CkPi 7CRST匸rFLDl P3.

12、D 匚WC匚 (ID P3 IC (TH苛F3衛(wèi)匚 (7n)P3 3C (TO)站4匚 E帕弓匚二、74LS1410113130営2i272G252+2iLE賈EL寸L黒灼Ly圧當(dāng)= UE味m u$百厘 UL曽f逢- U0.S 宀？ U05UQ5 U3HXUZEd 建 u也74LS14是一個(gè)六觸發(fā)反向器- 円 星 fc 鷗 R 冒?L 0儀JPOi i(A: dl fi陰裂 P3 0心) PD?iC7-HEV丹；3運(yùn)1n PM伯世 Pie 爐 MJ21 刃 51(413)1 =*0A (AD4J3 tJ.fl tAunj.1 Efl.T AfUil lOT (AQ7,j A/UPP 加C”L&

13、丙3S lSEM 132.-(A) 1=*?4(A4) 12 5 (A和引腳圖:Duakin-Line PackageOrder Number 54LS14DMQB, 54L514FMQB,54LS14LMQB, DM74LS14M or DM74LS14NSee NS Package Number E20A, J14A, M 1 4A, N14A or W14B真值表:InputOutputAYLHHLH - High Logte L - LOW Logic Lvol、TL082W P-付號(hào)：TL082(EACH AMP LIFIER)OUTTL082M .FK PACKAGETLOeSMU

14、 PACKAGE仃OP VIEW)NC 1 51OUT291IN-381IN+ 4756NCi So2OUT2IN-21IN+NC 1IN-NC 1IN-hNC(TOP VIEW!5 i ooo 占# I_L -.3 2 4 56is20 19 ia171615149 10 11 12 13I11I IIfIJL工作原理一、信號(hào)放大與整形模塊1 .信號(hào)的放大NC 2OUT NC2IN-NC信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后便于進(jìn)行限幅和整形。信號(hào)的放大電路由兩塊TL082組成,形成兩級(jí)放大。2.限幅與整形111IJ1E6I11K,2P4D1IIP10P11P12限幅首先將放大后的波形進(jìn)行限幅，利用二極管的單向?qū)щ?/p>

15、性和導(dǎo)通后兩端電壓基本不變的特點(diǎn)，可組成限幅（削波）電路用來(lái)限制輸出電壓的幅度如下圖所示U1為幅值大于直流電tt整形利用74LS14,將放大限幅后的波形整形為方波。Vo+咗-、控制與顯示模型顯示電路由4個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管組成，采用動(dòng)態(tài)顯示方式。在采用動(dòng)態(tài)顯示的系統(tǒng)中，微處理器或控制器應(yīng)定時(shí)地對(duì)各個(gè)顯示器進(jìn)行掃描，顯示器件分時(shí)輪流工作，每次只能使用一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，仍感覺(jué)所有的器件都同時(shí)顯示。這種顯示的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，占用I/O 口少。程序流程課設(shè)總結(jié)、制作及調(diào)試過(guò)程：1制作過(guò)程在用 Protel 99 SE 制作電路版時(shí)，一定要確保電路原理圖的正確，元件 封裝的選擇要正確，適當(dāng)

16、時(shí)要自己做封裝。電路版布局要按電流的流動(dòng)方向，布線盡可能 少，這樣把測(cè)試干擾降到最低。特別要注意要用手動(dòng)布線將晶振與電容定位，是晶振電路距離單片機(jī)晶振引腳最近。2調(diào)試過(guò)程首先利用仿真軟件進(jìn)行初步調(diào)試，由于程序編寫正常，所以的得到了正確的結(jié)果。在進(jìn)行正式的目標(biāo)板調(diào)試前，先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試和直流測(cè)試，然后將仿真器與目標(biāo)板相聯(lián)調(diào)試，首先檢查晶振是否起振，即觀察ALE波形。仿真運(yùn)行正常后用編程器將 .HEX文件寫入89S51中。最后脫機(jī)進(jìn)行運(yùn)行。、調(diào)試要點(diǎn)調(diào)試使用儀器直流穩(wěn)壓電源 ：9伏 萬(wàn)用表 DT9205M :1 個(gè) 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 :1 個(gè)調(diào)試內(nèi)容電路板做好后即可進(jìn)行調(diào)試步驟如下：1）首先目測(cè)所印電

17、路有無(wú)斷點(diǎn)或可疑點(diǎn)，若有則用電烙鐵進(jìn)行焊接。在本次實(shí)驗(yàn)所印電路良好。2）電路短路的測(cè)試，不該短路的地方被短路，若有則切斷連通的地方。3）用萬(wàn)用表的蜂鳴再測(cè)試所有線路，確保都為正常通路。4）調(diào)節(jié)電源為 5 伏，確定電源的直流穩(wěn)定，用示波器接在電源兩端看輸出是否為一條 直線。5）將電源正確的接在電路的正負(fù)兩端。首先要確認(rèn)的是各芯片電源引腳的電壓是否正常，其次檢查各種參考電壓是否正常，19另外還有各點(diǎn)的工作電壓是否正常等。例如，一般的硅三極管導(dǎo)通時(shí),BE結(jié)電壓在0.7V左右，而CE結(jié)電壓則在0.3V左右或者更小。如果一個(gè)三極管的BE結(jié)電壓大于0.7V （特殊三極管除外，例如達(dá)林頓管等），可能就是BE

18、結(jié)就開(kāi)路。（6）輸入被測(cè)信號(hào)將信號(hào)源加至輸入端，然后依次往后測(cè)量各點(diǎn)的波形，看是否正常,以找到故障點(diǎn)。有時(shí)我們也會(huì)用更簡(jiǎn)單的辦法，例如用手握一個(gè)鑷子，去碰觸各級(jí)的輸入端，看輸出端是否有反應(yīng)，這在音頻、視頻等放大電路中常使用（但要注意，熱底板的電路或者電壓高的電路，不能使用此法，否則可能會(huì)導(dǎo)致觸電）。如果碰前一級(jí)沒(méi)有反應(yīng)，而碰后一級(jí)有反應(yīng)，則說(shuō)明問(wèn)題出在前一級(jí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查。（7）程序調(diào)試測(cè)試記錄：測(cè)試 次數(shù)12345678實(shí)際 值：1Hz100Hz200Hz500Hz800Hz1KHz10KHz50KHz測(cè)量值：1Hz100Hz200Hz499Hz799Hz999Hz9.9KHz49.9KHZ誤差 值：0.000.000.00Hz1Hz1Hz1Hz10Hz100Hz測(cè)試結(jié)果通過(guò)測(cè)試，當(dāng)被測(cè)信號(hào)輸入時(shí)，在四位數(shù)碼管上能正確的顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。電路基本符合設(shè)計(jì)要求。但還存在的一定的誤差。謝辭在上次課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以及通過(guò)對(duì)智能儀器這門課程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，完成的此次課設(shè)