多功能頻率計(jì)論文

第一章

緒

論

1.1

頻率計(jì)概述

頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)基本參數(shù)，同時(shí)也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，因此，頻率測(cè)量已成為電子測(cè)量領(lǐng)域最基本最重要的測(cè)量之一。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展提高，人們對(duì)科技產(chǎn)品的要求也相應(yīng)的提高，數(shù)字化的電子產(chǎn)品越來越受到歡迎。頻率計(jì)作為比較常用和實(shí)用的電子測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校、家庭等場(chǎng)合，因此它的重要性和普遍性勿庸質(zhì)疑。數(shù)字頻率計(jì)具有體積小、攜帶方便；功能完善、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在以后的時(shí)間里，必將有著更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。比如：將數(shù)字頻率計(jì)稍作改進(jìn)，就可制成既可測(cè)頻率，又能測(cè)周期、占空比、脈寬等功能的多用途數(shù)字測(cè)量?jī)x器。將數(shù)字頻率計(jì)和其他電子測(cè)量?jī)x器結(jié)合起來，制成各種智能儀器儀表，應(yīng)用于航空航天等科研場(chǎng)所，對(duì)各種頻率參數(shù)進(jìn)行計(jì)量；應(yīng)用在高端電子產(chǎn)品上，對(duì)其中的頻率參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；應(yīng)用在機(jī)械器件上，對(duì)機(jī)器振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲頻率進(jìn)行監(jiān)控；等等。研究數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，有助于頻率計(jì)功能的不斷改進(jìn)、性價(jià)比的提高和實(shí)用性的加強(qiáng)。以前的頻率計(jì)大多采用TTL數(shù)字電路設(shè)計(jì)而成，其電路復(fù)雜、耗電多、體積大、成本高。隨后大規(guī)模專用IC（集成電路）出現(xiàn)，如ICM7216，ICM7226頻率計(jì)專用IC，使得頻率計(jì)開發(fā)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，但由于價(jià)格較高，因此利用IC設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的較少?，F(xiàn)在，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展非常迅速，采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，不但測(cè)量準(zhǔn)確，精度高，而且誤差也很小。在這里，我們將介紹一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的基于單片機(jī)AT89C51的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和制作。

1.2

頻率計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及研究概況

由于當(dāng)今社會(huì)的需要，對(duì)信息傳輸和處理的要求不斷提高，對(duì)頻率的測(cè)量的精度也需要更高更準(zhǔn)確的時(shí)頻基準(zhǔn)和更精密的測(cè)量技術(shù)。而頻率測(cè)量所能達(dá)到的精度，主要取決于作為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文頻率源的精度以及所使用的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法。目前，測(cè)量頻頻的方法有直接測(cè)頻法、內(nèi)插法、游標(biāo)法、頻差倍增法等等。直接測(cè)頻的方法較簡(jiǎn)單，但精度不高。頻差倍增多法和周期法是一種頻差倍增法和差拍法相結(jié)合的測(cè)量方法，這種方法是將被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)頻差倍增使被測(cè)信號(hào)的相位起伏擴(kuò)大，再通過混頻器獲得差拍信號(hào)，用電子計(jì)數(shù)器在低頻下進(jìn)行多周期測(cè)量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時(shí)間情況下，得到比測(cè)頻法更高的系統(tǒng)分辨率和測(cè)量精度，但是仍然存在著時(shí)標(biāo)不穩(wěn)而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。

在電子系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，到處看見處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的冰箱和電視、航空通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過程中都用到數(shù)字技術(shù)。

數(shù)字頻率計(jì)是現(xiàn)代通信測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)中必不可少的測(cè)量?jī)x器，不但要求電路產(chǎn)生頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都高的信號(hào)，也要能方便的改變頻率。

數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法主要有：直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式

（1）直接式

優(yōu)點(diǎn)：速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達(dá)中。

（2）鎖相式

優(yōu)點(diǎn)：相位同步的自動(dòng)控制，制作頻率高，功耗低，容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。

（3）直接數(shù)字式

優(yōu)點(diǎn)：電路穩(wěn)定、精度高、容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。

1.3本課題研究背景及主要研究意義

因?yàn)閿?shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域必不可少的測(cè)量?jī)x器，所以頻率的測(cè)量就顯得更為重要。在數(shù)字電路中，頻率計(jì)屬于時(shí)序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構(gòu)成。在計(jì)算機(jī)及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應(yīng)用。本課題采用的是直接測(cè)頻式的頻率計(jì)，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單、電路穩(wěn)定、測(cè)量精度高，大大的縮短了生產(chǎn)周期。

1.4數(shù)字頻率計(jì)的種類

現(xiàn)在市面上通常使用的數(shù)字頻率計(jì)主要有以下幾種：

（1）采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路，用機(jī)械式功能轉(zhuǎn)開關(guān)換擋，完成頻率，周期以及脈寬等功能的計(jì)數(shù)器。此種數(shù)字頻率計(jì)是較早時(shí)期的電子產(chǎn)品，到現(xiàn)在中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)不斷完善時(shí)，它的應(yīng)用也不斷得到加強(qiáng)。但很明顯，此種數(shù)字頻率計(jì)已處于淘汰階段，由于其自身不具備智能化、自動(dòng)化，完全借助于機(jī)械示的操作，對(duì)一些智能的頻率計(jì)功能已無法完成，所以，現(xiàn)在使用這種數(shù)字頻率計(jì)的已經(jīng)很少。

（2）采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（CPLD/FPGA）作為系統(tǒng)控制核心制成的數(shù)字頻率計(jì)。它通過EDA技術(shù)和硬件描述語言（VHDL）對(duì)進(jìn)行數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。這種技術(shù)是在近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù)，具有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。

（3）采用單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心的數(shù)字頻率計(jì)。這種數(shù)字頻率計(jì)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)：體積小，所用芯片少，精度高，測(cè)量范圍廣，易于擴(kuò)展功能，智能化、自動(dòng)化強(qiáng)度高，便于控制。因此采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字器件已逐漸成為主流。

第二章

數(shù)字頻率計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)的是一種以單片機(jī)為主控制的頻率計(jì)。該頻率計(jì)首先是以信號(hào)放大整形后的方波對(duì)不同頻率范圍的信號(hào)直接由接口電路送給單片機(jī),

由單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù),最后通過顯示電路顯示數(shù)值。數(shù)字頻率計(jì)主要由以下幾部分組成：（1）時(shí)基電路；（2）邏輯控制電路；（3）可控制的顯示電路。因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部振蕩頻率很高,

所以一個(gè)機(jī)器周期的量化誤差相當(dāng)小,

可以提高低頻信號(hào)的測(cè)量的準(zhǔn)確性。

本課題主要是以單片機(jī)AT89C51為核心,

通過計(jì)數(shù)電路,

以及軟件程序的編寫,

實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的顯示。整體設(shè)計(jì)思路可用框圖2.1

表示?？驁D中各部分的作用及所采用的器件說明如下：2.1設(shè)計(jì)思路框圖2.1控制電路

如圖2.2，圖2.3所示,控制電路是整機(jī)電路設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。它邏輯性強(qiáng)，時(shí)序關(guān)系配合得當(dāng)?？刂齐娐返淖饔檬牵寒a(chǎn)生一鎖存保持信號(hào)，使1S內(nèi)的計(jì)數(shù)結(jié)果顯示一段時(shí)間，以便觀察，下一步輸出一清零脈沖，使計(jì)數(shù)器的原紀(jì)錄數(shù)據(jù)清零，準(zhǔn)備下次計(jì)數(shù)。

控制電路產(chǎn)生的鎖存信號(hào)應(yīng)在1S計(jì)數(shù)結(jié)束，清零信號(hào)應(yīng)在鎖存信號(hào)產(chǎn)生后產(chǎn)生。在實(shí)際應(yīng)用中，選用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路74HC00實(shí)現(xiàn)，用0.5S脈沖直接作為單穩(wěn)態(tài)電路的外觸發(fā)信號(hào)，其引腳如圖2.2所示。圖2.3

邏輯控制電路

2.2單片機(jī)部分

本次設(shè)計(jì)采用了AT89C51

單片機(jī),

AT89C51是低電壓,

高性能CMOS8

位單片機(jī),

片內(nèi)含8kbyte

的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器。如圖2.4所示

:圖2.4

AT89C51引腳圖

系統(tǒng)板上硬件連線

：

（1)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0－P0.7與“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中ABCDEFGH端口用8芯排線連接。

（2)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0－P2.7與“動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排線連接。

（3）把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.4（T0）端子用導(dǎo)線連接到“頻率產(chǎn)生器”區(qū)域中的WAVE端子上。

2.3

數(shù)據(jù)顯示電路

數(shù)據(jù)顯示電路由限流電路和7段數(shù)碼管組成,

采用器件LED

顯示器。LED

顯示器的結(jié)構(gòu)由發(fā)光二極管構(gòu)成a、b、c、d、e、f和g

七段,

并由此得名。本設(shè)計(jì)中采用了六個(gè)七段數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,

將六個(gè)數(shù)碼管串接起來進(jìn)行顯示,

顯示數(shù)據(jù)即是對(duì)頻率計(jì)的測(cè)量結(jié)果。如圖2.5所以：圖2.5

顯示電路圖

其流程框圖如圖2.6所示。圖2.6

LED動(dòng)態(tài)顯示流程圖

要顯示的數(shù)據(jù)以BCD碼的方式存放在單片機(jī)RAM的存儲(chǔ)單元中。首先將位選碼、段選碼初始化賦值，分別送單片機(jī)端口，通過查表將存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)送LED顯示；調(diào)延時(shí)程序，指向下一個(gè)顯示單元，直到所有位顯示完退出。在通過軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示的時(shí)候，需要用到字型碼查表圖，現(xiàn)將表1列出下：

表1

七段LED顯示器共陰極字型碼2.4

軟件設(shè)計(jì)流程圖

本設(shè)計(jì)中軟件流程如圖2.7

所示。為使圖1所示流程能順利地完成預(yù)期的功能,

在初始化部分,

計(jì)數(shù)部分,

4byte

除法部分,

數(shù)據(jù)顯示部分都分別設(shè)計(jì)了流程圖。完成信號(hào)的周期測(cè)量后,

需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號(hào)的頻率。為提高運(yùn)算精度,

這里采用4byte

定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算,

需要自行編寫4byte

出發(fā)指令,

即組成4byte除法部分。圖2.7

軟件設(shè)計(jì)流程圖第三章

頻率測(cè)量原理在電子技術(shù)中,

頻率是最基本的參數(shù)之一,

并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系,本次設(shè)計(jì)的頻率測(cè)量系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心,

采用C語言和直接測(cè)量方法,

成功地實(shí)現(xiàn)了寬領(lǐng)域,

高精度的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和仿真。

3.1

測(cè)量頻率的原理

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常要對(duì)一個(gè)連續(xù)的脈沖波頻率進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于轉(zhuǎn)速，位移、速度、流量等物理量的測(cè)量，一般也是由傳感器轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)，采用測(cè)量頻率的手段實(shí)現(xiàn)。

使用單片機(jī)測(cè)量頻率或周期，通常是利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器來完成的，測(cè)量的基本方法和原理有兩種：

測(cè)頻法：在限定的時(shí)間內(nèi)（如1秒鐘）檢測(cè)脈沖的個(gè)數(shù)。

測(cè)周法：測(cè)試限定的脈沖個(gè)數(shù)之間的時(shí)間。

這兩種方法盡管原理是相同的，但在實(shí)際使用時(shí)，需要根據(jù)待測(cè)頻率的范圍、系統(tǒng)的時(shí)鐘周期、計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度、以及所要求的測(cè)量精度等因素進(jìn)行全面和具體的考慮，尋找和設(shè)計(jì)出適合具體要求的測(cè)量方法。

在具體頻率的測(cè)量中，需要考慮和注意的因素有以下幾點(diǎn):

(1)系統(tǒng)的時(shí)鐘。首先測(cè)量頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘本身精度要高，因?yàn)椴还苁窍薅y(cè)量時(shí)間還是測(cè)量限定脈沖個(gè)數(shù)的周期，其基本的時(shí)間基準(zhǔn)是系統(tǒng)本身時(shí)鐘產(chǎn)生的。其次是系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率值，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘頻率越高，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率測(cè)量的精度也越高。因此使用AVR測(cè)量頻率時(shí)，建議使用由外部晶體組成的系統(tǒng)的振蕩電路，不使用其內(nèi)部的RC振蕩源，同時(shí)盡量使用頻率比較高的系統(tǒng)時(shí)鐘。(2)所使用定時(shí)計(jì)數(shù)器的位數(shù)。測(cè)量頻率要使用定時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)計(jì)數(shù)器的位數(shù)越長(zhǎng)，可以產(chǎn)生的限定時(shí)間越長(zhǎng)，或在限定時(shí)間里記錄的脈沖個(gè)數(shù)越多，因此也提高了頻率測(cè)量的精度。所以對(duì)頻率測(cè)量精度有一定要求時(shí)，盡量采用16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器。(3)被測(cè)頻率的范圍。頻率測(cè)量需要根據(jù)被測(cè)頻率的范圍選擇測(cè)量的方式。當(dāng)被測(cè)頻率的范圍比較低時(shí)，最好采用測(cè)周期的方法測(cè)量頻率。而被測(cè)頻率比較高時(shí)，使用測(cè)頻法比較合適。需要注意的是，被測(cè)頻率的最高值一般不能超過測(cè)頻MCU系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1/2，因?yàn)楫?dāng)被測(cè)頻率高于MCU時(shí)鐘1/2后，MCU往往不能正確檢測(cè)被測(cè)脈沖的電平變化了。

除了以上三個(gè)因素外，還要考慮頻率測(cè)量的頻度（每秒內(nèi)測(cè)量的次數(shù)），如何與系統(tǒng)中其它任務(wù)處理之間的協(xié)調(diào)工作等。頻率測(cè)量精度要求高時(shí)，還應(yīng)該考慮其它中斷以及中斷響應(yīng)時(shí)間的影響，甚至需要在軟件中考慮采用多次測(cè)量取平均的算法等。在測(cè)量過程中定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1的工作方式設(shè)置，由圖可知，T0是工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)下，對(duì)輸入的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，但對(duì)工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)下的T0，最大計(jì)數(shù)值為fOSC/24，由于fOSC＝12MHz，因此：T0的最大計(jì)數(shù)頻率為1mHz。對(duì)于頻率的概念就是在一秒只數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，即為頻率值。所以T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，每定時(shí)1秒中到，就停止T0的計(jì)數(shù)，而從T0的計(jì)數(shù)單元中讀取計(jì)數(shù)的數(shù)值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。送到數(shù)碼管顯示出來。T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，最大定時(shí)時(shí)間為65ms，達(dá)不到1秒的定時(shí)，所以采用定時(shí)50ms，共定時(shí)20次，即可完成1秒的定時(shí)功能。

3.2

直接測(cè)頻法

頻率測(cè)量的基本原理如圖3.1所示。圖3.1

直接測(cè)頻法的原理框圖

圖中晶體振蕩提供了測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)，經(jīng)放大整形后的測(cè)量信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，再由顯示電路顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。第四章

系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1

功能實(shí)現(xiàn)

本次采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：用6位數(shù)碼管顯示HZ、KHZ、MHZ三個(gè)頻段的待測(cè)脈沖信號(hào)的頻率值。頻率測(cè)量范圍從1HZ～1mHZ。（3）能測(cè)量正弦波，三角波，鋸齒波等多種波形信號(hào)的頻率值。

4.2

硬件部分設(shè)計(jì)

頻率計(jì)由單片機(jī)AT89C51、信號(hào)預(yù)處理電路、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電路所組成，其中信號(hào)預(yù)處理電路包括待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形和分頻電路。系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖4.1所示。圖4.1

系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

4.2.1

信號(hào)放大電路

采用兩個(gè)NPN三極管級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大,降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求。如圖4.2

所示。

前一個(gè)三極管采用共集電極方式，主要是為了獲得比較寬的頻帶，并不具有實(shí)質(zhì)性的放大作用。后一個(gè)三極管采用共發(fā)射極方式，主要作用是放大非常弱的輸入脈沖信號(hào)，一般通過它的放大后，其電壓可以達(dá)到3伏以上。為了消除不必要的噪聲信號(hào)干擾，在兩級(jí)放大電路中都可以加入濾波電容，保證待測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。圖4.2

放大電路4.2.2

單片機(jī)AT89C51

在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，將AT89C51的P1口設(shè)置為接收數(shù)據(jù)端口，將P3口設(shè)置為第二功能。P3.4用于直接測(cè)頻率時(shí)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)端；P3.5用于定時(shí)。將P0口和P2口設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)端口。P0口的各引腳接到RP1的輸入端，用于段驅(qū)動(dòng)；P2口用于位驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)復(fù)位端（RST）可采用內(nèi)部軟件復(fù)位，也可采用外部手動(dòng)復(fù)位，實(shí)際操作也很方便。這里采用外部手動(dòng)復(fù)位，為圖4.3且晶體振蕩器電路如圖4.4所示：圖4.3

單片機(jī)復(fù)位電路

圖4.4

晶體振蕩器電路

4.2.3

測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電路

如圖4.5所示。一般而言，數(shù)據(jù)顯示有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通和截止。它的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，顯示亮度大；缺點(diǎn)是使用的數(shù)碼管數(shù)量少。正是因?yàn)樗倪@個(gè)缺點(diǎn)和本設(shè)計(jì)的要求，數(shù)字頻率計(jì)的顯示電路選擇了采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是LED顯示器一位一位地輪流電亮（掃描）。對(duì)于每一位LED顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。LED

顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與LED顯示器點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。通過調(diào)整LED顯示器的導(dǎo)通電流和時(shí)間比例參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較高亮度且穩(wěn)定的顯示。具體工作過程是：LED顯示器采用共陰極動(dòng)態(tài)顯示形式，6位LED用兩塊四位集成的數(shù)碼管連接組成。頻率計(jì)數(shù)結(jié)果以BCD碼的形式存放在89C52的存儲(chǔ)單元中，通過P0口接到74LS245上，控制6位LED的段選碼；通過P2口接到74AC08上，控制6位LED的位選碼。RP1是8位總線驅(qū)動(dòng)器，由芯片上的T/R引腳（1腳）控制數(shù)據(jù)的傳輸方向。當(dāng)T/R=1時(shí)，數(shù)據(jù)從A端傳送到B端；當(dāng)T/R=0時(shí)，數(shù)據(jù)從B端傳送到A端。根據(jù)本設(shè)計(jì)的原理圖知，數(shù)據(jù)是從A端傳送到B端，因此設(shè)T/R=1，即是高電平有效。另外，由于51單片機(jī)的P0口沒有上拉電阻，在將P0口設(shè)置為輸出端時(shí)，必須考慮在段驅(qū)動(dòng)的每一段位上接入上拉電阻，使LED顯示管能夠工作。我們知道，單片機(jī)的P1口掃描輸出時(shí)總有一位為高電平，如果沒有反相驅(qū)動(dòng)器將這一位的高電平變成低電平，那在相驅(qū)動(dòng)器，正好符合我們的設(shè)計(jì)要求。由于是8位LED顯示管，所以采用兩個(gè)74AC08來控制。圖4.5

測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電路4.3

硬件電路工作過程

首先討論一下定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作原理。如圖4.6

所示。圖4.6

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1的邏輯結(jié)構(gòu)當(dāng)控制信號(hào)0/TC時(shí)，定時(shí)器工作在定時(shí)方式。加1計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖f進(jìn)行計(jì)數(shù)，每來一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器加1，直到計(jì)數(shù)器計(jì)滿溢出。由上圖可以看出，脈沖f是振蕩器時(shí)鐘頻率0f的12分頻，即脈沖頻率f為時(shí)鐘頻率0f的1/12。顯然，一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的周期為一個(gè)機(jī)器周期。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的是機(jī)器周期脈沖的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)?？芍〞r(shí)器的定時(shí)時(shí)間不僅與加1計(jì)數(shù)器的初值（計(jì)數(shù)器中的起始值,即計(jì)數(shù)長(zhǎng)度）有關(guān)，而且還與系統(tǒng)振蕩器時(shí)鐘頻率0f有關(guān)。

當(dāng)控制信號(hào)1/TC時(shí)，定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)方式。加1計(jì)數(shù)器對(duì)來自輸入引腳T0和T1的外部信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)。

4.3.1

直接測(cè)頻法的工作流程圖4.7

直接測(cè)頻法流程如圖4.7

所示。前置放大器完成信號(hào)放大、電平平移的任務(wù)，被測(cè)的交流信號(hào)被放大、平移成脈沖直流信號(hào)，再經(jīng)74HC00反相器整形成矩形脈沖。方波信號(hào)被送到與門的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入端連接1s門控信號(hào)，實(shí)際制作中連接AT89C51的11腳（P3.1）。11腳電平的高低可通過指令加以控制。AT89C51外接晶振24MHz，該晶振的頻率穩(wěn)定性很重要，因?yàn)樗彩情T控信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)。內(nèi)置計(jì)數(shù)器可通過軟件設(shè)置對(duì)振蕩頻率的l2分頻進(jìn)行計(jì)數(shù)/定時(shí)，這里將T0置為方式1計(jì)數(shù)狀態(tài)，1/TC，GATE=0，即D3D2D1D0=0101（如圖12、表2、表3所示），待測(cè)脈沖信號(hào)通過T0引腳輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。T1置為方式1定時(shí)狀態(tài)，0/TC，GATE=0。即D7D6D5D4=1001（如圖12、表2、表3所示），并將其初值置為TH1=D8H，TL1=EF，這樣每mssEFHD51224/1)]8(#5553565536）產(chǎn)生一次定時(shí)器T1溢出中斷，在T1中斷的入口處（001BH）對(duì)中斷次數(shù)進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)。當(dāng)中斷次數(shù)為mss5/1200次時(shí)，歷時(shí)1s。1s后關(guān)閉閘門，其計(jì)數(shù)結(jié)果通過P1口讀入，送至30H至33H（壓縮的BCD碼）單元，顯示子程序則將BCD碼經(jīng)查表指令譯為7段LED字形碼，然后進(jìn)行顯示。表2

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器TMOD表3

M1和M2方式選擇位對(duì)應(yīng)關(guān)系LED上顯示出來的將是亂碼。第五章

數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與仿真電路的基本功能是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的技術(shù)和功能，使電路具有某種特定功能，必須進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和制作。設(shè)計(jì)是是某一電路具有某種功能，制作則是設(shè)計(jì)過程的電路實(shí)物化。

5.1電路的設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)既是一門科學(xué)，又是一門藝術(shù)，實(shí)現(xiàn)同樣的技術(shù)指標(biāo)，不同的人有不同的設(shè)計(jì)方案。

5.1.1電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法

電路設(shè)計(jì)一般包括：擬定性能指標(biāo)，電路的預(yù)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。

衡量設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是：工作穩(wěn)定可靠，能達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔?；電路?jiǎn)單，成本低；所采用的元器件品種少、體積小，且貨源充足；便于生產(chǎn)、測(cè)試和維修。

電路設(shè)計(jì)的基本方法為：借鑒設(shè)計(jì)法、近似設(shè)計(jì)法、分解組合設(shè)計(jì)法。

1、電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

①電路設(shè)計(jì)的技術(shù)的先結(jié)條件。

②選擇合適的元器件的種類。

③設(shè)計(jì)電路原理圖。

④接線圖、安裝圖、裝配圖。

⑤制定電機(jī)和電子元器件明細(xì)表。

⑥畫出電路的總布局圖。

⑦設(shè)計(jì)電路板、接線板以及安裝零件。

⑧編寫程序和計(jì)算說明書。2、電路設(shè)計(jì)的基本方法

(1)借鑒設(shè)計(jì)法

接到設(shè)計(jì)任務(wù)或確定設(shè)計(jì)目標(biāo)后，設(shè)者應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品，進(jìn)行調(diào)查研究，選取可以借用或借鑒的實(shí)用電路。一般情況下，有許多原理和技術(shù)上可以借用的電路，設(shè)計(jì)人員得對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)和元件調(diào)整，以適應(yīng)設(shè)計(jì)需要。借用的電路已經(jīng)經(jīng)過實(shí)踐和時(shí)間的考驗(yàn)，更有工程價(jià)值，這樣做不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，而且新設(shè)計(jì)的電路在技術(shù)，性能，成本等各方面都得到提高；這樣才會(huì)被工程上接受。（2）近似設(shè)計(jì)法是電路設(shè)計(jì)的又一種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，理論可以給設(shè)計(jì)者一個(gè)清晰的思路，但理論與實(shí)際不同。在電路設(shè)計(jì)中，由于元件受多方因素的影響，往往采取“定性分析、定量估算、實(shí)驗(yàn)調(diào)整”的方法，所以只需進(jìn)行粗略計(jì)算，幫助近似確定電路參數(shù)的取值范圍，參數(shù)的具體確定借助于實(shí)驗(yàn)調(diào)整和計(jì)算機(jī)仿真來完成。

(3)分解、組合設(shè)計(jì)法

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電子線路按照功能的不同可以劃分為各個(gè)子模塊，各模塊參照具體電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后組合統(tǒng)調(diào)。由功能電路組合成大系統(tǒng)時(shí)，由于子模塊之間存在負(fù)載效應(yīng)的影響，而使電子產(chǎn)品整體性能下降。因此，在由大系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)時(shí)，不僅要注意功能分解，而且還要合理分配性能指標(biāo)。

5.1.2電路設(shè)計(jì)的步驟

1．課題分析

根據(jù)論文的要求，先弄清楚論文要實(shí)現(xiàn)的功能和原理，再確定電路的基本形式，根據(jù)論文的可行性作出估計(jì)和判斷，確定論文的技術(shù)關(guān)鍵解決的問題。

2．設(shè)計(jì)方案論證

選題不管那種（除了調(diào)查研究之外）都要論證它的可行性。論證分立論和駁論兩種。

3．總體方案的選擇

根據(jù)任務(wù)書提出的任務(wù)、要求和性能指標(biāo)，用具有一定功能的單元電路組成一個(gè)整體，來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，滿足設(shè)計(jì)題目提出的要求和技術(shù)指標(biāo)。4．單元電路的設(shè)計(jì)與確定

在確定總體方案、畫出詳細(xì)框圖之后，便可進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)。

①在電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，性能強(qiáng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和總體方案的原理框圖來確定各單元電路要求。

②設(shè)計(jì)每一個(gè)單元的電路圖

③根據(jù)相關(guān)資料確定單元電路的結(jié)構(gòu)形式。

④根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)整元件，估算參數(shù)來選擇元器件。

5．總電路圖畫法

總電路圖的一般方法如下：

①根據(jù)信號(hào)的流向，從左到右或從上到下按信號(hào)流向依次畫出各單元電路。

②盡量把總電路圖畫在一張圖樣上

③電路中所有連線都要表示清楚，各元件間的絕大多數(shù)連線應(yīng)在圖樣上直接畫出。

④符號(hào)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

⑤先畫草圖，調(diào)整好布局和連線后，再畫出正式的總電路圖。

6．審圖

由于有些問題考慮不周，各種計(jì)算可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以，在畫出總電路圖并計(jì)算全部參數(shù)之后，要進(jìn)行全面審查。

5.2

數(shù)字頻率計(jì)的仿真根據(jù)電路圖，各單元電路之間的連接關(guān)系，以及用哪些元器件進(jìn)行仿真，由于是初學(xué)者經(jīng)驗(yàn)不足，沒有實(shí)際應(yīng)用過，單憑看資料很難掌握它們內(nèi)容。設(shè)計(jì)時(shí)難免考慮不周、出現(xiàn)差錯(cuò)，單是紙上談兵，想使自己設(shè)計(jì)的電路完美無誤是不可能的，所以，必須進(jìn)行仿真。在仿真過程中會(huì)遇到問題要善于理論聯(lián)系實(shí)際，深入思考，分析原因，找出解決問題的辦法。

通過前面總的設(shè)計(jì)框圖，我們初步搭建了數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)下面。下面仿真結(jié)果如圖5.1圖5.1

系統(tǒng)仿真電路圖輸入信號(hào)為1HZ時(shí)，仿真如下：圖5.2

系統(tǒng)仿真圖輸入信號(hào)為1MHZ時(shí)，仿真如下：圖5.3

系統(tǒng)仿真圖輸入信號(hào)為1.2HZ時(shí)，仿真如下：圖5.4

系統(tǒng)仿真圖從以上的仿真結(jié)果可以得出：在所測(cè)量的頻率范圍，頻率越小仿真結(jié)果越精確，頻率越高就會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，當(dāng)頻率超過1MHZ時(shí)，就仿真不出其正確結(jié)果。第六章減小誤差措施及擴(kuò)展方面6.1減小誤差措施

1）選用頻率較高和穩(wěn)定性好晶振。如選24KHZ的晶振可使測(cè)量范圍擴(kuò)大，穩(wěn)定性好的晶振可以減小誤差。

2）測(cè)量頻率低的信號(hào)時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整程序，延長(zhǎng)門限時(shí)間，減少原理上±1的相對(duì)誤差。

3）測(cè)量頻率高的信號(hào)時(shí)，可先對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻，在進(jìn)行測(cè)量。

6.2擴(kuò)展方面

（1）預(yù)處理電路部分

在實(shí)際工作中，如若兩級(jí)NPN放大管仍不能使放大作用明顯，則可以再級(jí)聯(lián)一個(gè)NPN放大管；或者采用放大能力更強(qiáng)的三極管或CMOS管代替。后一種思路雖然在價(jià)格上有所增加，但卻減少了電路的復(fù)雜程度，并且在電路板一旦出現(xiàn)問題時(shí)，能盡最大可能的減少元器件的更換和連接線路的修改，非常方便和實(shí)用。

增加電源部分在上面數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)工程中，使用的是外部干電池電源對(duì)單片機(jī)和其他電路供電，操作起來很方便，但有一個(gè)缺點(diǎn)是外部提供的電源準(zhǔn)確度不是很高[14]。比如，單片機(jī)需要提供5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，我們使用的干電池，由于使用時(shí)間過久或型號(hào)不同而使得提供的電壓達(dá)不到5V或高于5V，這樣使得電路不能在正常的狀態(tài)下工作或損壞元器件。因此在原理圖中，我們可以加入電源部分，采用元件7805或7809和整流電路對(duì)外來電壓進(jìn)行整流、限壓，提供標(biāo)準(zhǔn)的5V電壓給電路，這樣就增加了硬件電路的穩(wěn)定性和測(cè)試的準(zhǔn)確性。6.3

功能上的完善

6.3.1

增加鍵盤控制

通過按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的測(cè)頻率，周期，占空比，脈寬等各項(xiàng)功能。按不同的鍵起到不同的作用，也就是完成不同的功能。還可以根據(jù)按鍵數(shù)的多少來選擇不同的鍵盤。所以我們可以從實(shí)際操作中知道鍵盤的擴(kuò)展是非常方便的。

6.3.2

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換

在測(cè)量頻率時(shí)，軟件編程也可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開始時(shí)使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，測(cè)量完后判斷測(cè)量結(jié)果是否具有2位有效數(shù)字，如果成立，將結(jié)果送去顯示，本工作循環(huán)結(jié)束；否則將計(jì)數(shù)閘門寬度依次擴(kuò)大10倍，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量判斷，直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到1s，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100Hz～999Hz。如果測(cè)量結(jié)果仍不具有2位有效數(shù)字，頻率計(jì)則使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。

6.3.3

液晶顯示器（LCD）進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示

LED顯示管只能顯示0～9和一些簡(jiǎn)單的英文字母，頻率計(jì)的功能就受到極大的限制，而LCD顯示管能夠解決LED的不足，增強(qiáng)顯示功能。LCD具有體積小、低耗電量、無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于各種儀表設(shè)備中去。LCD顯示器主要有字符型和點(diǎn)陣型兩種。長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)語結(jié)

語數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，會(huì)被經(jīng)常使用到。

本文介紹了一種基于單片機(jī)AT89C51制作數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法。其測(cè)量原理非常簡(jiǎn)單，硬件電路制作方便，軟件編程易于實(shí)現(xiàn)，所測(cè)得的頻率范圍較寬，精度較高，平均相對(duì)誤差在0.34%左右，是在允許的測(cè)量誤差范圍內(nèi)。此次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)達(dá)到了測(cè)量頻率的目的，但在實(shí)際制作和測(cè)試過程中，由于自己知識(shí)有限，時(shí)間短和經(jīng)驗(yàn)不足等原因，還是出現(xiàn)了一些問題和需要繼續(xù)改進(jìn)、完善的地方。比如：在編寫程序時(shí)，閘門時(shí)間沒能準(zhǔn)確地微調(diào)至1秒，致使測(cè)量的誤差比理想的要大。由于單片機(jī)內(nèi)部具有豐富的存儲(chǔ)資源和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，因此采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)只需要改動(dòng)很少的硬件部分就可以和其他的自動(dòng)化儀表組成多功能控制系統(tǒng)，測(cè)量速度得到提高，用于連續(xù)測(cè)量的控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值和意義的。長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1]

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赫建國(guó)，劉立新，黨劍華.基于單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J].西長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，8(3)：

31-34．長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）致謝致

謝本課題的設(shè)計(jì)和制作是在我的論文導(dǎo)師精心指導(dǎo)下完成的。湯老師對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)給予了極大的關(guān)注，在硬件原理電路的分析以及軟件編程實(shí)現(xiàn)中都給予了我莫大的支持、鼓勵(lì)和幫助。同時(shí)，也向我的父母致以真心的謝意！他們?cè)谖业拇髮W(xué)階段以及整個(gè)人生中給予了我無私的關(guān)懷，使我能夠安心的在學(xué)校里完成學(xué)業(yè)。另外，還要感謝整個(gè)電子系老師的指導(dǎo)與電氣1101班全體同學(xué)的幫助讓我取得了良好的成效。此次設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多知識(shí)以及很多道理。為我在今后的工作打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)而又良好的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)的過程中，我的許多朋友、同學(xué)也給予了我多方面的指導(dǎo)和幫助，他們勤奮認(rèn)真的工作態(tài)度值得我學(xué)習(xí)，在此向他們表示深切的感謝！感謝在長(zhǎng)沙航院所有在學(xué)習(xí)、工作、生活以及思想上所有幫助和教導(dǎo)我的老師，他們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，豐富淵博的知識(shí)涵養(yǎng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和兢兢業(yè)業(yè)的敬業(yè)精神，使我終生受益。感謝所有幫助過我的老師、朋友、同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本設(shè)計(jì)的順利完成！最后，向各位參加答辯的老師、答辯評(píng)委們致以最誠(chéng)摯的謝意!

長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附錄附

錄１硬件設(shè)計(jì)原理圖：2

數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率程序：

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//數(shù)碼管0123456789顯示

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