正弦波三角波方波等多用輸入頻率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1、 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)內(nèi)容為設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠輸入正弦波、三角波、方波等信號(hào)的多用輸入頻率檢測(cè)儀表。要求能對(duì)10Hz1MHz信號(hào)檢測(cè)及顯示，相對(duì)測(cè)量精度優(yōu)于0.01%。 相對(duì)測(cè)量精度定義： （實(shí)際測(cè)量值-理論值）/測(cè)量值*100% 要求在測(cè)量范圍內(nèi)的任何一個(gè)測(cè)量點(diǎn)保證萬分之一精度！頻率跨度大，要求比較高。 題目分析（關(guān)鍵方案論證）一、頻率測(cè)量及頻率計(jì)組成原理： 常用數(shù)字頻率測(cè)量方法：M法，T法和M/T法。 M法（測(cè)周法）通過測(cè)量被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期時(shí)間計(jì)時(shí)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，然后換算出被測(cè)信號(hào)的頻率。適合于高頻信號(hào)的測(cè)量。 T法（測(cè)頻法）是在給定的閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，進(jìn)行換算得出被測(cè)信號(hào)的頻率。適合于

2、低頻信號(hào)的測(cè)量。 M/T法則結(jié)合了上面兩種的優(yōu)點(diǎn)，它通過測(cè)量被測(cè)信號(hào)數(shù)個(gè)周期的時(shí)間然后換算得出被測(cè)信號(hào)的頻率 可兼顧低頻與高頻信號(hào)的頻率測(cè)量。 目前還有其他測(cè)量方法，如等精度測(cè)量，雙等精度測(cè)量等，但其核心思想都是上述三種方法。直接測(cè)頻法是通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)閘門時(shí)間內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)而計(jì)算出待測(cè)信號(hào)頻率的，由于閘門時(shí)間通常不是待測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，因此存在最大±1的待測(cè)信號(hào)脈沖誤差，只能在信號(hào)頻率較高時(shí)采用；測(cè)周法是通過測(cè)量待測(cè)信號(hào)的周期并求其倒數(shù)而求得其頻率的，在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)也存在最大±1的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖誤差，只能在信號(hào)頻率較低時(shí)采用。這兩種頻率測(cè)量方法都存在局限性，并難以

3、實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高精度的頻率測(cè)量。 目前高精度的測(cè)頻均采用所謂等精度測(cè)量方法。等精度測(cè)頻的方法是：采用頻率準(zhǔn)確的高頻信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，保證測(cè)量的閘門時(shí)間為被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，并在閘門時(shí)間內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)脈沖和被測(cè)信號(hào)脈沖同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量精度相等，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率很高，閘門時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測(cè)量。等精度測(cè)頻原理示意圖如圖6-1所示。測(cè)量精度與閘門時(shí)間的關(guān)系分析如下：閘門控制信號(hào)（CL）給出高電平，此時(shí)并未開始進(jìn)行測(cè)頻計(jì)數(shù)，而要等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來時(shí)才開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)和被測(cè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行測(cè)頻計(jì)數(shù)。當(dāng)閘門控制信號(hào)經(jīng)過Tc時(shí)間高電平結(jié)束時(shí)，也要等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到

4、來時(shí)才同時(shí)停止對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，并讀取此時(shí)的計(jì)數(shù)值。測(cè)頻計(jì)數(shù)的閘門時(shí)間為Td，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)頻率為fs，被測(cè)信號(hào)頻率為fx，在Td時(shí)間內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的脈沖計(jì)數(shù)值分別為Ns和Nx，則被測(cè)信號(hào)的頻率可由fx=fs×Nx/Ns求得。 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)所產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差t=Td-Ns×Ts，由于t最大為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的周期，即tTs，則： fx=Nx/(Ns.Ts)=Nx/(Td-t) 而待測(cè)信號(hào)頻率的準(zhǔn)確值fx0=Nx/Td, 則頻率測(cè)量的相對(duì)誤差為： =(fx-fx0)/fx0=t /（Td-t ） 當(dāng)Td遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于t時(shí)，頻率測(cè)量的最大誤差為m=Ts/(Td-Ts)Ts

5、/Td，由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的周期Ts和頻率計(jì)數(shù)的閘門時(shí)間Td決定，Ts越小、Td越大，測(cè)量誤差越小，即測(cè)量精度越高。在整個(gè)頻率測(cè)量范圍內(nèi)，精度恒定，實(shí)現(xiàn)了等精度測(cè)量。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)選取準(zhǔn)確的1MHz信號(hào)源，Ts1us，選取Td100ms，就可使測(cè)量的最大相對(duì)誤差105，即達(dá)到萬分之一的測(cè)量精度。測(cè)頻閘門時(shí)間Td的選取，還應(yīng)保證大于一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期Tx。 目前采用FPGA設(shè)計(jì)的等精度頻率計(jì)方案較多，但成本較高。等精度測(cè)量原理框圖，如圖6-2所示。預(yù)置門的打開和關(guān)閉由被測(cè)信號(hào)和預(yù)置的測(cè)量時(shí)間控制，計(jì)數(shù)器Nx在預(yù)置門的控制下對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率計(jì)數(shù)，控制門根據(jù)預(yù)置門產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同步的同步門；計(jì)數(shù)器No在同步

6、門的控制下對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)，得到精確的閘門時(shí)間Tg。設(shè)時(shí)標(biāo)周期為To，則被測(cè)頻率Fx=Nx/NoTo。圖6-2 等精度測(cè)量原理框圖二、本設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為控制核心，全部系統(tǒng)均采用常規(guī)數(shù)字與模擬芯片。首先對(duì)輸入的頻率信號(hào)進(jìn)行放大整形，使之轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平；然后根據(jù)頻率大小自動(dòng)選擇不同的分頻通道，再送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，最后將處理結(jié)果顯示出來。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、精度高、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)。因此, 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的具有良好的實(shí)用價(jià)值。 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)計(jì)劃主要由信號(hào)放大整形模塊、分頻與量程自動(dòng)切換模塊、微處理器模塊、人機(jī)界面模塊、電源輸入模塊等組成。其系統(tǒng)整體框圖如圖6-3所示。信號(hào)放大整形模

7、塊分頻和量程自動(dòng)切換模塊微處理器模塊人機(jī)界面模塊電源輸入模塊圖6-3 系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖1、測(cè)量方法選擇 方案一：采用計(jì)數(shù)法測(cè)頻法，方法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，但低頻精度不高，不適合寬范圍測(cè)量。 方案二：采用測(cè)周法，低頻精度高，但不適合高頻范圍。 方案三：采用等精度法，相對(duì)復(fù)雜，但精度高，適合范圍大。 這是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心思想。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)者自身能力考慮，本設(shè)計(jì)選擇方案三。 在具體的設(shè)計(jì)中，計(jì)劃使用外部中斷捕捉外部信號(hào)下降沿，用定時(shí)器累積外部信號(hào)多個(gè)周期的總時(shí)間（計(jì)劃以500ms同步，實(shí)際計(jì)量均大于等于500ms ）。因單片機(jī)工作速度有限，為提高M(jìn)CU工作效率，避免高頻被測(cè)信號(hào)過度頻繁

8、觸發(fā)中斷，計(jì)劃使用多級(jí)10分頻器，配合數(shù)據(jù)選擇器，將高頻降到低頻范圍后測(cè)量。2、微處理器選擇 方案一：采用Philips系列的低功耗單片機(jī)，如LPC922，3V供電，20腳DIP封裝，特點(diǎn)功耗低。 方案二：普通51系列單片機(jī)，如AT89C52，5V供電，40腳DIP封裝，8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能滿足軟硬件功能要求。 本系統(tǒng)中，要求被測(cè)量的信號(hào)的頻率、幅度范圍較寬。若采用3V供電系統(tǒng)則對(duì)外圍芯片要求高，實(shí)驗(yàn)室較難實(shí)現(xiàn)。且普通51系列單片機(jī)足以滿足需要，普通的仿真器即可支持系統(tǒng)開發(fā)。故決定本設(shè)計(jì)采用方案二。 注意

9、：實(shí)際上，如果作為商品設(shè)計(jì)，仍建議采用LPC922之類的新型51兼容單片機(jī)，因?yàn)樗麄冞€能夠高速工作，有利于提高最終測(cè)量精度！3、分頻和量程切換部分 分頻部分采用集成計(jì)數(shù)器電路CD4518完成，量程切換主要有以下兩種方案可選擇。 方案一：采用量程手動(dòng)切換，如采用手持式萬用表的旋鈕開關(guān)。該方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 方案二：量程自動(dòng)切換，采用數(shù)據(jù)選擇器芯片，如74HC151，利用單片機(jī)的I/O口對(duì)74HC151的通道選擇端進(jìn)行控制，選擇當(dāng)前信號(hào)的輸入通道，從而實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。 自動(dòng)切換量程是當(dāng)前儀器儀表的發(fā)展主流，體現(xiàn)智能化，同時(shí)避免人為操作誤差。經(jīng)考慮，本設(shè)計(jì)采用方案二。具體使用了兩個(gè)100分頻和

10、一個(gè)信號(hào)（低頻時(shí)）直接輸入，MCU需要控制三個(gè)選擇，有軟件進(jìn)行自適應(yīng)檔位切換！4、人機(jī)界面 方案一：采用普通的數(shù)碼管顯示，亮度高，醒目，價(jià)格便宜；但比較耗電，電路連接復(fù)雜，占用資源較多且顯示單調(diào)。 方案二：采用LCD液晶顯示屏，不僅可以顯示數(shù)字，還可以顯示漢字、字符與圖片。功耗低，電路連接簡(jiǎn)單，系統(tǒng)編程方便。但價(jià)格比較高。 LCD可顯示更多的信息量，且界面直觀，符合當(dāng)前人們的習(xí)慣。故本設(shè)計(jì)選擇方案二。 本系統(tǒng)用戶控制較簡(jiǎn)單，故采用幾個(gè)獨(dú)立按鍵即可。5、電源輸入模塊 方案一：采用三端集成穩(wěn)壓器，搭配多級(jí)電容濾波，濾波電路簡(jiǎn)單，負(fù)載紋波較小，電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；它的缺點(diǎn)是輸出特性較差，有3V以上的

11、輸入壓降，效率不高。 方案二：采用開關(guān)電源，利用集成AC-DC變換器，如TOP221。電路實(shí)現(xiàn)也不是很復(fù)雜，同時(shí)輸入壓降小，效率高，可達(dá)80%以上。價(jià)格相對(duì)較高。 結(jié)合本系統(tǒng)需要和實(shí)際應(yīng)用，考慮使用方案一。6、設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵 本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于，測(cè)量信號(hào)的電壓幅度范圍、頻率范圍和信號(hào)類型較寬，并要求可以測(cè)量正弦波、方波、三角波等。如何采用最有效，簡(jiǎn)單的方法將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)電平是一大難點(diǎn)，也是關(guān)鍵。 另外當(dāng)今市場(chǎng)上頻率計(jì)產(chǎn)品很多，如果本設(shè)計(jì)的測(cè)量精度很低，也就失去了研究設(shè)計(jì)的意義。如何達(dá)到相對(duì)測(cè)量精度優(yōu)于0.01%的高精度，也是另一難點(diǎn)。 其他如輸入信號(hào)的量程自動(dòng)切換

12、、自校準(zhǔn)等也是本設(shè)計(jì)中存在的難點(diǎn)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想 本系統(tǒng)以51單片機(jī)為控制核心，采用硬件和軟件結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量控制和量程自動(dòng)切換功能；并且采用高增益帶寬運(yùn)放和高速比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大整形處理，使系統(tǒng)能對(duì)最小Vpp為50mV以上的多種信號(hào)類型的交流信號(hào)的頻率進(jìn)行精確的測(cè)量。系統(tǒng)硬件框圖如圖6-4所示。圖6-4 系統(tǒng)硬件框圖本系統(tǒng)所采用的一種等精度測(cè)量思想：通過閘門允許開啟標(biāo)志與被測(cè)信號(hào)下沿同步，將參考閘門時(shí)間 控制為500ms,定時(shí)器定時(shí)中斷周期為5ms。測(cè)量時(shí)當(dāng)參考閘門信號(hào)允許開啟和檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)脈沖沿到達(dá)時(shí)開始計(jì)時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)；參考閘門關(guān)閉時(shí)，計(jì)時(shí)器并不立即停止計(jì)

13、時(shí) 而是待檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)脈沖下降沿到達(dá)時(shí)才停止計(jì)時(shí)，完成測(cè)量被測(cè)信號(hào)整數(shù)個(gè)周期的過程。測(cè)量的實(shí)際閘門時(shí)間與參考閘門時(shí)間可能不完全相符，但最大差值不超過被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。然后再通過f=1/T即可。 理論上，采用這種方法測(cè)量其精度完全可以達(dá)到0.01%以內(nèi)。如單片機(jī)用24M的外部晶振，機(jī)器周期為0.5us 。假設(shè)閘門時(shí)間 剛好為500ms，則其最大相對(duì)誤差單位為 =(0.5 /500ms)*100%=0.0001%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本設(shè)計(jì)的要求?？紤]到實(shí)際中還會(huì)存在其他的誤差，典型的是中斷響應(yīng)和定時(shí)器開啟與停止誤差，但是這些誤差可以通過軟件補(bǔ)償。因此，此設(shè)計(jì)方案的但總誤差不會(huì)超過0.01%，故理論上該方

14、法確實(shí)可行。二、硬件具體實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)主要包含：微處理器模塊、信號(hào)放大整形模塊、分頻器通道模塊、自動(dòng)量程切換模塊、人機(jī)界面模塊和電源模塊。1、輸入保護(hù)電路 為提高系統(tǒng)可測(cè)量信號(hào)的幅度上限，同時(shí)防止誤操作接入較大幅度的信號(hào)，燒壞系統(tǒng)的電路，特在信號(hào)輸入處加上鉗位保護(hù)電路?？紤]到信號(hào)頻率可能較大，采用快恢復(fù)二極管1N5819，也可以采用1N4148。電路如圖6-5所示。圖6-5 輸入限幅保護(hù)電路2、信號(hào)放大電路設(shè)計(jì) 考慮到輸入信號(hào)最高頻率達(dá)到1MHz，同時(shí)輸入信號(hào)幅度較小需進(jìn)行放大，故信號(hào)放大部分運(yùn)算放大器選用LF353PC。LF353PC是一款雙電源供電的寬帶寬運(yùn)算放大器，單位增益帶寬達(dá)4MHz,

15、轉(zhuǎn)換速率13V/s，片內(nèi)含兩個(gè)放大器，價(jià)格低廉。采用兩級(jí)放大，一級(jí)放大4倍，兩級(jí)共放大16倍，按輸入的信號(hào)頻率為1MHz,Vpp=50mV計(jì)算，可放大為800mV，采用一片LF353PC即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大要求。采用同相放大器電路，計(jì)算公式為 ，因R1=10K，R2=30K，所以VO=4Vi 。同時(shí)在電路中加入了電容隔直，除去信號(hào)中的直流分量。同時(shí)鑒于后面比較器為單電源，第二級(jí)放大器設(shè)置了虛地。如果采用高檔次的一般高速放大器EL5210，則可以直接使用單5V電源配合虛地來放大。圖6-6 信號(hào)放大器3、信號(hào)波形整形電路設(shè)計(jì) 采用電壓比較器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行整形，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖?？紤]到要能滿足

16、最大頻率1MHz的信號(hào)，這里選用高速比較器TL714CP。TL714CP是TI公司生產(chǎn)的一款高速電壓比較器，單電源供電，增益帶寬積50MHz。這里采用同向比較，考慮到信號(hào)帶有毛刺，高速電壓比較器在參考電壓處會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)造成連續(xù)翻轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)在脈沖計(jì)數(shù)上帶來誤差。所以在比較器上加了一個(gè)正反饋（類似斯密特觸發(fā)器），避免這種干擾現(xiàn)象出現(xiàn)。反饋電阻的參數(shù)大小根據(jù)具體情況調(diào)試后選定。電路如圖6-7所示。請(qǐng)注意它的過零比較點(diǎn)是“虛地”，Vr！圖6-7 信號(hào)整形電路4、“虛地”參考電壓電路設(shè)計(jì) 因?yàn)檩斎氲男盘?hào)可能是雙極性的，而電壓比較器是單電源供電的。為信號(hào)放大的第二級(jí)和電壓比較器提供一個(gè)“虛地”參考電壓，

17、將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)，可以使TL714能有效檢測(cè)信號(hào)大小，并進(jìn)行比較整形?！疤摰亍皡⒖茧妷嚎梢杂呻妷簠⒖级O管LM385-1.2輸出，再經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器得到，電路簡(jiǎn)單，電壓穩(wěn)定。電路如圖6-8所示。圖6-8 虛地產(chǎn)生電路5、分頻器通道設(shè)計(jì) 輸入信號(hào)的頻率范圍為10Hz1MHz,本系統(tǒng)將它分成10Hz100Hz, 100Hz10KHz，10KHz1MHz三檔。故需要兩個(gè)分頻通道，分頻系數(shù)分別為100，10000。這里采用集成計(jì)數(shù)器電路CD4518BE，自制分頻通道電路，一片CD4518BE即可實(shí)現(xiàn)10*10分頻，將兩片CD4518BE級(jí)聯(lián)，便可得到100分頻和10000分頻。電路圖6-

18、9。圖6-9 分頻器電路6、量程自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)思想將量程共分為三檔，故只需三路通道即可。數(shù)據(jù)選擇器MC74HC151N內(nèi)置8路通道，將經(jīng)分頻和未分頻的信號(hào)分別接到這8路通道中的任意三個(gè)通道。為軟件編程方便，這里接在D0、D1、D2三個(gè)通道選擇控制端A0、A1、A2接單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)通過改變這三個(gè)I/O口的輸出電平即可選擇MC74HC151N內(nèi)置8路通道中的任何一個(gè)通道，從而實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。電路如圖6-10所示。圖6-10 量程切換電路7、控制核心電路設(shè)計(jì) 選用W78E58P單片機(jī)為系統(tǒng)的微處理器，W78E58具有256字節(jié)片內(nèi)RAM，32KB 程序存儲(chǔ)器地址間，且可工作于

19、40MHz的最高時(shí)鐘頻率。為提高測(cè)量的精度，減少系統(tǒng)誤差，采用的晶振越高越好，這里采用24MHz的外部時(shí)鐘。復(fù)位電路采用看門狗電路X5045P，它是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM 三種功能于一身的可編程控制電路。512 x 8個(gè)字節(jié)的EEPROM，為系統(tǒng)中一些參數(shù)的保存提供了存儲(chǔ)空間。電路如圖6-11所示。圖6-11 MCU核心電路8、顯示電路設(shè)計(jì) 選擇使用CM12864-12漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個(gè)中文漢字（16X16 點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16 點(diǎn)陣）及64X256 點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。與MCU接口可選 8 位或4 位并行/3 位

20、串行。為節(jié)省單片機(jī)I/O口，本系統(tǒng)采用3位串行接口。電路如圖6-12所示。配置了一個(gè)顯示反差調(diào)節(jié)電位器R15，保證獲得合適顯示效果。 圖6-12 LCD顯示接口9、鍵盤電路設(shè)計(jì) 用戶操作應(yīng)設(shè)置的盡量簡(jiǎn)單，易操作。結(jié)合功能的需要，在面板上設(shè)置兩個(gè)操作按鍵。分別是確定鍵、校準(zhǔn)鍵。確定鍵和校準(zhǔn)鍵經(jīng)上拉后直接接到單片機(jī)I/O口。 在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的儀器時(shí)，者兩個(gè)按鍵應(yīng)該設(shè)置在儀器內(nèi)部，并不提供給用戶使用。10、電源設(shè)計(jì) 鑒于系統(tǒng)功耗很低，整機(jī)電流主要消耗在MCU上，約40mA以下，對(duì)電源要求不高，直接采用普通的線性穩(wěn)壓電源電路 。具體包括：（1）220V降壓變壓器，雙9V輸出，功率3W。實(shí)際需要遠(yuǎn)小于3

21、W，鑒于1W的變壓器體積均很小，自身效率低，故選用了3W變壓器。（2）整流橋及雙輸出電源濾波電容。（3）7805及7905穩(wěn)壓器。（4）輸出濾波電容。三、軟件設(shè)計(jì)（一）、軟件總體設(shè)計(jì)框架 軟件部分主要由頻率計(jì)算核心模塊、量程自動(dòng)切換模塊、LCD數(shù)據(jù)顯示處理模塊、自校準(zhǔn)模塊等組成，如圖6-13所示。 這里額外加上了一個(gè)極限報(bào)警，可以再測(cè)量信號(hào)超過設(shè)定時(shí)報(bào)警。給出繼電器觸點(diǎn)信號(hào)。圖6-13 軟件框架結(jié)構(gòu)主程序大致流程為，開機(jī)時(shí)先系統(tǒng)初始化；然后判斷校準(zhǔn)鍵是否按下，無鍵按下則跳過校準(zhǔn)程序，否則進(jìn)入校準(zhǔn)程序；讀取EEPROM中校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；開機(jī)量程判斷，自動(dòng)切換量程，選擇最適檔位；開始正式測(cè)量并將測(cè)得數(shù)據(jù)

22、處理后送至LCD進(jìn)行顯示。軟件模塊主要流程，如圖6-14所示。 圖6-14 主程序流程圖（二）、各主要功能部分軟件設(shè)計(jì)思想及流程圖 1、頻率測(cè)量模塊 頻率測(cè)量模塊是整個(gè)系統(tǒng)軟件部分的核心，它對(duì)測(cè)量值的準(zhǔn)確度起著決定性的作用。單片機(jī)的INT0在閘門時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖個(gè)數(shù)以及這些脈沖從開始到結(jié)束經(jīng)歷的時(shí)間，時(shí)間精確到0.5。具體包括定時(shí)器中斷服務(wù)程序、INT0中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理程序，三個(gè)程序緊密相關(guān)，如圖6-15所示。頻率ff的計(jì)算公式為ff=n_fx/(float)time1，其中n_fx為閘門時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，time1為閘門的精確時(shí)間。因?yàn)槎〞r(shí)器的最大定時(shí)時(shí)間設(shè)定為5ms，所以Tim

23、e1的計(jì)算公式為： time1=time_coumt1*5.00705ms +(tl0+th0*256)*0.05 其中tl0=TL0-0xf0;th0=TH0-0xd8;time_count1是T0的中斷個(gè)數(shù)。為保證精度，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理部分用到了多個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算；因?yàn)槊}沖檢測(cè)過程中在脈沖沿上會(huì)產(chǎn)生一定時(shí)間的誤差，還有運(yùn)算過程帶來的誤差，所以最后還對(duì)ff進(jìn)行了一個(gè)修正。圖6-15 頻率測(cè)量模塊程序流程圖2 自動(dòng)量程切換模塊 自動(dòng)量程切換實(shí)際是由軟硬件一起完成的。一次頻率測(cè)量結(jié)束后經(jīng)過運(yùn)算處理判定當(dāng)前信號(hào)頻率已超過該檔量程范圍時(shí)。使用switch case語句，執(zhí)行不同的命令，單片機(jī)接MC74HC15

24、1N三個(gè)地址端的I/O口的電平發(fā)生改變?？刂品诸l器通道進(jìn)行通道切換，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換。程序主要流程，見圖6-16。圖6-16 自動(dòng)量程切換部分軟件流程圖3、數(shù)據(jù)顯示處理模塊 頻率測(cè)量部分送來的數(shù)據(jù)只是純粹的一個(gè)數(shù)字。如果直接送到LCD上顯示給用戶看，用戶將很難準(zhǔn)確獲取該數(shù)據(jù)中所包含的信息。于是用字符形式直接在顯示器上顯示出數(shù)據(jù)（精確到小數(shù)點(diǎn)后四位）、單位（Hz、KHz、MHz）和漢字信息。圖6-17 顯示部分流程圖4、自校準(zhǔn)模塊 系統(tǒng)晶振難免存在初始誤差，對(duì)精度造成一定的影響。這種誤差通過一定的方法是可以消除的，如進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)其實(shí)就是與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較計(jì)算，從而得到一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)。根據(jù)實(shí)際情

25、況，這里分別對(duì)量程的最大值和最小值進(jìn)行校準(zhǔn)。將兩個(gè)校準(zhǔn)值相減，然后再量化即乘以0.01，最終得到的值就是補(bǔ)償系數(shù)。最后將這個(gè)系數(shù)存到EEPROM中保存起來。 圖6-18 自校準(zhǔn)補(bǔ)償流程圖圖6-19 原理圖附代碼#include<reg52.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar f_str15;uchar unit4;uint rang=0;uint th0=0;uint tl0=0;uint n_f1=0;uint n_f2=0;double tim

26、e1=0;double ff=0;uchar s05_flag=0;double timer_count1=0;double timer_count2=0;uchar cs_flag=0;void switch_rang ();void delay1(unsigned int k);void delay(uint z);void fraction_to_str(float a,uchar* pStr);void float_to_str(float a,uchar* pStr);void display(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char

27、 *str);void Write_Data(uchar dat);void Set_Cursor(unsigned char x, unsigned char y);sbit xz_key=P06;sbit sc_key=P07;sbit td_a=P20;sbit td_b=P21;sbit td_c=P22;sbit buzz=P23;/lcd顯示定義#define LCD_DATA P1 /*數(shù)據(jù)口 */sbit RS = P00; /*并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào), H數(shù)據(jù), L命令*/sbit RW = P01; /*并行讀寫選擇信號(hào), H讀, L寫*/sbit E = P02; /*

28、并行使能端, H有效, L無效*/sbit PSB=P04; /*串并行選擇端,H選擇并行,L選擇串行*/sbit RST=P03;/bit busy=0; /*忙碌標(biāo)志*/*lcd顯示程序*/void display(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *str)unsigned char i = 0 ;Set_Cursor(x,y); /設(shè)置顯示的起始地址while(stri != '0')Write_Data(stri); /寫入需要顯示字符的顯示碼i+;void delay1(unsigned int k)unsi

29、gned int i;unsigned char j;for(i=0;i<k;i+)for(j=0;j<10;j+);uchar Read_Data() /讀數(shù)據(jù)delay1(1);RS=1;RW=1;E=1;delay(5);return LCD_DATA;void Write_Data(uchar dat) /寫一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)delay1(1);RS=1;RW=0;E=1;delay(1);LCD_DATA=dat;E=0;delay(1);void Write_Command(uchar dat) /寫命令delay1(1);RS=0;RW=0;E=1;delay(1);LCD

30、_DATA=dat;E=0;delay(1); void Set_Cursor(unsigned char x, unsigned char y) unsigned char i; switch(x)/確定行號(hào) case 0x00: i=0x80; break;/第一行 case 0x01: i=0x90; break;/第二行 case 0x02: i=0x88; break;/第三行 case 0x03: i=0x98; break;/第四行 default : break; i = y+i;/確定列號(hào) Write_Command(i);/寫地址 void LCD_Init() /*LCD

31、初始化*/ delay(45); /延時(shí)45ms /PSB=1; /8位并行口 /復(fù)位操作 /RST=1;delay(1); /RST=0;delay(1); /RST=1;delay(1); Write_Command(0x30); /設(shè)置為8位并行口，基本指令集 delay(10); Write_Command(0x30); /再次設(shè)置為8位并行口，基本指令集 delay(5); Write_Command(0x38);/設(shè)置液晶工作模式，意思：16*2行顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù) delay(5); Write_Command(0x08); delay(5); Write_Command

32、(0x01);/清顯示 delay(5); Write_Command(0x06);/整屏不移動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移 delay(5); Write_Command(0x0c);/開顯示不顯示光標(biāo) delay(5); /Write_Command(0x80); /Write_Data (str1); /Write_Command(0xc0); /Write_Data (str2);/*頻率計(jì)算程序*/中斷定時(shí)器*void t0( ) interrupt 1TH0=0xd8;/*設(shè)置5m初值*/TL0=0xf0;timer_count1+;if(timer_count1 >=100)/*0.5秒

33、標(biāo)志*/s05_flag=1;/ timer_count1=0; /外部中斷計(jì)void int0() interrupt 0n_f1+;if(n_f1=1)/*第一個(gè)下降沿時(shí)開始計(jì)數(shù)*/TH0=0xd8;TL0=0xf0; timer_count1=0;TR0=1;elseif(s05_flag=1)/*當(dāng)5ms標(biāo)志為一且下降沿時(shí)開始讀數(shù)*/cs_flag=1;/*頻率計(jì)算標(biāo)志*/TR0=0;/*關(guān)掉T0*/n_f2=n_f1-1;th0=TH0-0xd8;tl0=TL0-0xf0;timer_count2=timer_count1;n_f1=0;/*初值清零*/s05_flag =0;tim

34、er_count1=0;/頻率測(cè)量void fre_text()if(cs_flag=1)cs_flag=0;time1=(timer_count2*500.705 +(tl0+th0*255)*0.05)*0.01;ff=(n_f2)/time1; ff=100*ff ; switch_rang () ; delay(500); time1=(timer_count2*500.705 +(tl0+th0*255)*0.05)*0.01;ff=(n_f2)/time1; switch(rang) case 0: ff=ff; break; case 1: ff=ff*100; break; c

35、ase 2: ff=ff*10000;break; default: break; if(ff>500000) if(ff>500000) && (ff<600000)ff=ff-ff*0.00065 ; if(ff>600000) && (ff<700000)ff=ff+ff*0.0025 ; if(ff>700000) && (ff<800000)ff=ff+ff*0.0080 ; if(ff>800000) && (ff<900000)ff=ff+ff*0.011 ; i

36、f(ff>900000) && (ff<1000000)ff=ff+ff*0.0130 ; else if(ff<100) ff=ff-ff*0.00112 ; else ff=ff-ff*0.00228; delay(50); /ff=ff-270; rang=1;/1ms延時(shí)子函數(shù)/ void delay(uint z)uint i,j;for(i=0;i<=z;i+)for(j=0;j<110;j+);/自動(dòng)換擋程序/ void switch_rang () if(ff<=1000000)|(ff>=1)if(ff<=100)&&(ff>=1)rang=0; if(ff<=10000)&&(ff>100)rang=1; if(ff>10000)&&(ff<=1000000)rang=2; else buzz=1; delay(1); buzz=0; delay(1); display(2,0,"超過量程:!" ); switch(rang)case 0: td_a=0;td_b=0;td_c=0;break;/*1100HZ*/case 1: td_a=1;td_b=0;td_c=0;