-1-第一章概述數(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。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。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，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。本數(shù)字頻率計(jì)將采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測(cè)量頻率。測(cè)量范圍在9kHz以下的方波，時(shí)基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能?；驹O(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)方波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。1.1課程設(shè)計(jì)的基本原理所謂頻率，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間(s1)內(nèi)變化的次數(shù)，若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率可表示為TNf-2-圖1數(shù)字頻率計(jì)結(jié)構(gòu)圖圖1是數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖。被測(cè)信號(hào)XV經(jīng)放大整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)A，其頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率XA相同。時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)T，其高電平持續(xù)時(shí)間st11，當(dāng)s1信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過閘門，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到s1信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)為N，則被測(cè)信號(hào)頻率NhzfX。邏輯控制電路的作用有兩個(gè)：一是產(chǎn)生鎖存脈沖L，使顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清“0”脈沖R，使計(jì)數(shù)器每次測(cè)量從零開始計(jì)數(shù)。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求以單片機(jī)未核心設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，有頻率檢測(cè)電路、單片機(jī)時(shí)鐘電路、撫慰電路、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路、四位數(shù)碼管電路5部分組成可以測(cè)量9KHZ以下的方波1.3設(shè)計(jì)方案確定1.硬件方案硬件電路有5部分組成，既平率檢測(cè)電路、單片機(jī)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路、四位數(shù)馬管電路。各部分實(shí)現(xiàn)功能如下：頻率檢測(cè)電路：進(jìn)行頻率檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)正常工作需要。數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路、四位數(shù)碼管電路：用于測(cè)試的電壓結(jié)果顯示。2.軟件方案本系統(tǒng)的軟件部分主要完成功能：對(duì)脈沖的頻率采集、計(jì)算及顯示。根據(jù)軟件的功能劃分軟件設(shè)計(jì)模塊，各模塊的具體任務(wù)如下：數(shù)碼管顯示模塊：實(shí)現(xiàn)采集好的頻率值的顯示。脈沖計(jì)數(shù)模塊：把脈沖的頻率檢測(cè)出來。-3-第二章數(shù)字頻率計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件的構(gòu)成本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機(jī)AT89C51，由它完成對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率的計(jì)數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€(gè)模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、LCD顯示模塊。各模塊關(guān)系圖如圖2所示：圖2數(shù)字頻率計(jì)功能模塊2.2系統(tǒng)工作原理圖圖3數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)工作原理圖顯示時(shí)基電路倍頻鎖相放大整形單片機(jī)被測(cè)信號(hào)-4-2.3AT89C51單片機(jī)及其引腳說明89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM,32條I/O線，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口,片上震蕩器和時(shí)鐘電路。引腳說明：VCC：電源電壓GND:地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，作為輸出口用時(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)0端口寫入1時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。當(dāng)P0口訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。在這種模式下，P0口具有內(nèi)部上拉電阻。在EPROM編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，同時(shí)輸出指令字節(jié)在程序校驗(yàn)時(shí)。程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)P1口寫1時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時(shí)可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)，P1口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低電流（IIL）。P2口：P2是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P2口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P2口在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如MOVXDPTR）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強(qiáng)大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時(shí)。當(dāng)利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（例MOVXR1）,P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當(dāng)EPROM編程或校驗(yàn)時(shí)，P2口同時(shí)接收高8位地址和一些控制信號(hào)。-5-P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P3口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P3口同時(shí)具有AT89C51的多種特殊功能，具體如下表1所示:端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.20INT(外部中斷0)P3.31INT（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0）P3.5T1（定時(shí)器1）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都選通）表1P3口的第二功能RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/:當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當(dāng)在Flash編程時(shí)還可以作為編程脈沖輸出（）。一般情況下，ALE是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時(shí)鐘或定時(shí)目的。但也要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。：程序存儲(chǔ)允許時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)AT89C52執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過兩個(gè)信號(hào)。/VPP:外部訪問允許。為了使單片機(jī)能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器從0000H到FFFH單元的指令，必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復(fù)位時(shí)EA端會(huì)自動(dòng)內(nèi)部鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時(shí)，應(yīng)該接到VCC端。-6-XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時(shí)鐘電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。在本次設(shè)計(jì)中，采用89C51作為CPU處理器，充分利用其硬件資源，結(jié)合D觸發(fā)器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051，計(jì)數(shù)器74LS90等數(shù)字處理芯片，主要控制兩大硬件模塊，量程切換以及顯示模塊。下面還將詳細(xì)說明。2.4信號(hào)調(diào)理及放大整形模塊放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號(hào)Vx整形成同頻率方波Vo,幅值過大的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過分壓器分壓送入后級(jí)放大器，以避免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射級(jí)跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為（R1+R2）/R1，改變R1的大小可以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門以便計(jì)數(shù)。由于輸入的信號(hào)幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過大可能會(huì)把器件燒毀，過小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的波形進(jìn)行阻抗變換、放大限幅和整形，信號(hào)調(diào)理部分電路具體實(shí)現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖4所示：圖42.5時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路：CD4013-雙上升沿D觸發(fā)器，引腳及功能見如下圖5：CD4013由兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)置位復(fù)位時(shí)鐘輸入和Q及Q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通D4DIODED3DIODED2DIODE23765184U3LM311D1DIODECLR11CLK13D12D212CLK211SET14SET210CLR213Q15Q16Q29Q28GND7+5V14IC174LS1412J1CON212J2CON2C1105R1RES1R2RES1R3RES1R4RES1R5RES1R6RES1D5ZENER1VCC15V-VCC15VGNDVCC15V-VCC15VGNDGNDGND5VGNDVCCGND32184U1ALF353567U1BLF353-7-過將Q非輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)時(shí)，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位或復(fù)位線上的高電平完成。圖5CD4013芯片引腳用功能圖CD4060-14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，引腳及功能見如下圖6：CD4060由一震蕩器和14極二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，震蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器CP1非（和CP0）的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無限制。圖6CD4060芯片引腳用功能圖時(shí)基信號(hào)的產(chǎn)生原理：本電路采用32768HZ晶體震蕩器，利用CD4060芯片經(jīng)過14級(jí)分頻得到2HZ的信號(hào)（32768/214），在經(jīng)過CD4013雙D觸發(fā)器經(jīng)過二分頻得到0.5HZ的方波，即輸出秒脈沖信號(hào)使單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。-8-圖七秒脈沖產(chǎn)生電路原理圖2.6顯示模塊1602主要功能A、40通道點(diǎn)陣LCD驅(qū)動(dòng)；B、可選擇當(dāng)作行驅(qū)動(dòng)或列驅(qū)動(dòng)；C、輸入/輸出信號(hào):輸出,能產(chǎn)生202個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)波形；輸入,接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號(hào),偏壓(V1V6)；D、通過單片機(jī)控制將所測(cè)的頻率信號(hào)讀數(shù)顯示出來。第三章軟件設(shè)計(jì)根據(jù)硬件電路和設(shè)計(jì)思路，可以畫出如下的