保密類別編號XX學院畢業(yè)論文數(shù)字頻率計系統(tǒng)設計系別電子信息科學系專業(yè)電子信息工程年級級電信一班學號姓名指導教師年月日摘要在電子測量領域中，頻率測量的精確度是最高的，可達數(shù)量級。因此，在130生產過程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉換成信號頻率，然后用數(shù)字頻率計來測量，以提高精確度。國際上數(shù)字頻率計的分類很多。按功能分類，測量某種單一功能的計數(shù)器。如頻率計數(shù)器，只能專門用來測量高頻和微波頻率；時間計數(shù)器，是以測量時間為基礎的計數(shù)器，其測時分辨力和準確度很高，可達NS數(shù)量級；特種計數(shù)器，它具有特種功能，如可逆計數(shù)器、預置計數(shù)器、差值計數(shù)器、倒數(shù)計數(shù)器等，用于工業(yè)和自動控技術等方面。數(shù)字頻率計按頻段分類有低速計數(shù)器最高計數(shù)頻率10MHZ；中速計數(shù)器最高計數(shù)頻率10100MHZ；高速計數(shù)器最高計數(shù)頻率100MHZ；微波頻率計數(shù)器測頻范圍180GHZ或更高。本方案主要以信號輸入和放大電路、單片機模塊、分頻模塊及顯示電路模塊組成。AT89C52單片機是頻率計的控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，顯示以及對分頻比的控制。利用它內部的定時/計數(shù)器完成待測信號頻率的測量。在整個設計過程中，所制作的頻率計采用外部分頻，實現(xiàn)1HZ1MHZ的頻率測量，而且可以實現(xiàn)量程自動切換流程。以AT89C52單片機為核心，通過單片機內部定時/計數(shù)器的門控時間，方便對頻率計的測量。其待測頻率值使用四位共陰極數(shù)碼管顯示，并可以自動切換量程，單位分別由3個發(fā)光二極管指示。本次采用單片機技術設計一種數(shù)字顯示的頻率計，具有測量準確度高，響應速度快，體積小等優(yōu)點。關鍵詞頻率計單片機計數(shù)器量程自動切換ABSTRACTINTHEFIELDOFELECTRONICMEASURING,FREQUENCYMEASUREMENTISTHEMOSTACCURATE,THEACCURACYISUPTOORDERSOFMAGNITUDETHEREFORE,MANY130PHYSICALMEASUREINTHEPRODUCTIONLINE,SUCHASTHETEMPERATURE,PRESSUREANDDISCHARGE,LIQUIDANDPHVALUE,VIBRATIONANDMOVE,SPEED,ACCELERATION,EVENASVARIOUSGASEOUSPERCENTAGECOMPOSITIONETCALLUSESENSORTOCONVERTINTOSIGNALFREQUENCY,THENMEASUREWITHTHEDIGITALFREQUENCYMETERRAISETHEACCURACYTHEREISALOTOFKINDSOFDIGITALFREQUENCYMETERINTERNATIONALDISTINGUISHTHECLASSIFICATIONOFFUNCTION,MEASURINGACERTAINSINGLEFUNCTIONCOUNTERASTHEDIGITALFREQUENCYMETER,COULDBEUSEDTOMEASUREHIGHFREQUENCYANDMICROWAVEFREQUENCYONLYTIMECOUNTER,WHICHISBASEDONMEASURINGTIME,THETIMEMEASURINGRESOLUTIONANDACCURATEDEGREEWHILEMEASURINGAREVERYACCURATE,CANREACHTHENSAMOUNTCLASSTHESPECIALCOUNTER,ITHASASPECIALKINDFUNCTION,SUCHASREVERSIBLECOUNTER,PRESETCOUNTER,DIFFERENCECOUNTER,COUNTDOWNCOUNTERETC,WHICHAREUSEDFORINDUSTRYANDAUTOMATICCONTROLTECHNOLOGY,ETCTHEREISALOWSPEEDCOUNTERDISTINGUISHINGTHEDIGITALFREQUENCYMETERINBANDTHEHIGHESTCOUNTFREQUENCY100MHZSTHEMICROWAVEFREQUENCYCOUNTERMEASUREFREQUENCYRANGE180GHZSORHIGHERTHISPROJECTISMAINLYFORMEDBYSIGNALIMPORTATIONANDENLARGEANELECTRICCIRCUITANDMICROCONTROLLERMODULE,FREQUENCYDIVISIONMODULE,THEDISPLAYCIRCUITMODULEAT89C52MCUISTHECONTROLLINGCOREOFTHEFREQUENCYMETER,ITCOMPLETESTHECOUNTOFTHESIGNALUNDERTESTING,DECODING,DISPLAYANDCONTROLLIGOFTHEFREQUENCYDIVISIONRATIOUSINGITSINTERNALTIMERANDCOUNTERTOCOMPLETEMEASURINGTHESIGNALUNDERTESTINGINTHEDESIGNPROCESS,THEPRODUCEDFREQUENCYMETERUSESEXTERNALDIVIDINGFREQUENCY,TOACHIEVE1HZ1MHZFREQUENCYMEASUREMENTS,ANDCOULDACHIEVETHEPROCESSTHATSWITCHTHEFLOWAUTOMATICALLYREGARDAT89C52MICROCONTROLLERASTHECORE,WITHTHEMCUINTERNALTIMING/COUNTERGATEDTIME,ITCANBEEASYFORMEASURINGFREQUENCYMETERTHEFREQUENCYTOBEMEASUREDDISPLAYSWITHFOURCOMMONCATHODE,ANDITCANAUTOMATICALLYSWITCHRANGE,THEUNITCONSISTSOF3LIGHTEMITTINGDIODEINDICATESTHEDESIGNUSESOFMICROCONTROLLERTECHNOLOGYTODESIGNADIGITALFREQUENCYMETER,ITHASHIGHACCURACY,FASTRESPONSESPEED,THEADVANTAGESOFSMALLSIZEKEYWORDFREQUENCYMETERSINGLECHIPCOUNTERRANGEAUTOMATICALLYSWITCH目錄第一章前言111頻率計概述112頻率計發(fā)展與應用113頻率計設計內容與要求3第二章系統(tǒng)總體方案設計421測頻的原理422頻率測量的誤差分析523設計任務的分析及方案的論證624等精度測量技術的理論分析725總體思路826具體模塊8第三章硬件電路具體設計1031AT89C52主控制器模塊10311單片機開發(fā)板原理圖1032放大整形模塊1233分頻設計模塊13331分頻電路分析1333274LS161芯片介紹1433374LS151芯片介紹16334分頻電路1734顯示模塊18341數(shù)碼管介紹18第四章系統(tǒng)的軟件設計1941軟件模塊設計1942中斷服務子程序2043顯示子程序2144量程檔自動轉換子程序2245應用軟件簡介22451KEIL簡介23452PROTUES簡介24第五章頻率計的系統(tǒng)調試2551硬件調試25511整形模塊調試25512分頻模塊調試2652功能調試2753系統(tǒng)調試27531系統(tǒng)軟硬件調試2754誤差分析28總結29參考文獻30致謝31附件頻率計源程序32第1章前言頻率測量是電子學測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關注。11頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波信號及其他各種單位時間內變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經常要用到頻率計。傳統(tǒng)的頻率計采用測頻法測量頻率，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產品不但體積大，運行速度慢而且測量低頻信號不準確。在數(shù)字電路中，數(shù)字頻率計屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構成，計算機及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應用。在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得尤為重要。測量頻率的方法有多種，其中電子計數(shù)器測量頻率具有使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。本次采用單片機技術設計一種數(shù)字顯示的頻率計，測量準確度高，響應速度快，體積小等優(yōu)點。12頻率計發(fā)展與應用隨著科學技術的發(fā)展，用戶對電子計數(shù)器也提出了新的要求。對于抵擋產品要求使用操作方便，量程（足夠）寬，可靠性能搞，低價格。而對于中高檔產品，則要求有高分辨率，高精度，搞穩(wěn)定度，高測量速率；除通常通用計數(shù)器所具有的功能外，還要有數(shù)據處理功能，時域分析功能等等，或者包含電壓測量等其他功能。這些要求有的已經實現(xiàn)或者部分實現(xiàn)，但要真正完美的實現(xiàn)這些目標，對于生產廠家來說，還有許多工作要做，而不是表面看來似乎發(fā)展到頭了。由于微電子技術和計算機技術的發(fā)展，頻率計都在不斷地進步著，靈敏度不斷提高，頻率范圍不斷擴大，功能不斷地增加。在測試通訊、微波器件或產品時，通常都是較復雜的信號，如含有復雜頻率成分、調制的或含有未知頻率分量的、頻率固定的或變化的、純凈的或疊加有干擾的等等。為了能正確地測量不同類型的信號，必須了解待測信號特性和各種頻率測量儀器的性能。微波計數(shù)器一般使用類型頻譜分析儀的分頻或混頻電路，另外還包含多個時間基準、合成器、中頻放大器等。雖然所有的微波計數(shù)器都是用來完成技術任務的，但制造廠家都有各自的一套復雜的計數(shù)器的設計、使得不同型號的計數(shù)器性能和價格會有所差別，比如說一些計數(shù)器可以測量脈沖參數(shù)，并提供類似于頻率分析儀的頻幕顯示，對這些功能具有不同功能不同規(guī)格的眾多儀器。我們應該視測試需要正確的選擇，以達到最經濟和最佳的應用效果。數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設計人員能在更小的空間實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度?，F(xiàn)如今，數(shù)字頻率計已經不僅僅是測量信號頻率的裝置了，用它還可以測量方波脈沖的脈寬。在人們的生活中頻率計也發(fā)揮著越來越重要的作用，比如用數(shù)字頻率計來監(jiān)控生產過程，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的異常情況，以便給人們爭取時間處理。除此之外，它還可以應用于工業(yè)控制等其它領域。在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進行頻率測量是頻率較低，誤差較大。頻率儀可以準確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時的跟蹤捕捉到被測信號的頻率變化。正是由于頻率計能夠快速準確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此頻率計擁有非常廣泛的引用范圍。在傳統(tǒng)生產制造企業(yè)中，頻率計被廣泛應用在產線的生產測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出的頻率變化，用于通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產品，確保產品質量。在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設備的本地振蕩器進行校準。在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進行校準，還可以用來對電臺的跳幀信號進行分析。對于頻率計的設計目前也有專用芯片可以實現(xiàn)，如利用MAXIM公司的ICM7240來設計頻率計。但由于這種芯片的計數(shù)頻率比較低，遠不能達到在一些場合需要測量很搞的頻率要求，而測量精度也受到芯片本身的限制。提出的用AT8C52單片機設計頻率計的方法可以解決這些問題，實現(xiàn)精度較高、等精度和寬范圍頻率計的設計。13頻率計設計內容與要求一、任務目的在于設計出一個高頻寬（1HZ1MHZ），低誤差（誤差精度為）的時間610參數(shù)測量系統(tǒng)二、要求（1）頻率測量A）測量范圍信號方波、正弦波幅度055V頻率1HZ1MHZB）測試誤差01（2）周期測量A）測量范圍信號方波、正弦波幅度055V頻率1HZ1MHZB）測試誤差01（3）周期脈沖信號占空比測量A）測量范圍頻率1HZ15KHZ幅度055V占空比變化范圍1090B）測試誤差1（4）小信號放大和整形電路其中，頻率測量、周期測量應實現(xiàn)電路實模型及相應軟件的設計和調試，對于周期脈沖信號占空比測量應完成仿真電路設計。第二章系統(tǒng)總體方案設計21測頻的原理實現(xiàn)時間參數(shù)的數(shù)字化測量的儀器是電子計數(shù)器。對于電子計數(shù)器而言，測量頻率的實質就是通過計數(shù)器記錄待測信號的周期變化的次數(shù)，然后通過頻率的定義計算出待測信號的頻率。已知頻率的測量表達式為/FNT從其測量原理和頻率的數(shù)學表達式中不難看出，計數(shù)器測頻必須具備以下三個條件（1）測量是一個比較的過程，被測信號要和基準信號作比較，必須有一個標準的單位時間。（2）為實現(xiàn)在單位時間內對于被控信號的振動次數(shù)的記錄，必須有一個控制電路。（3）被測信號采樣后的量化由電子計數(shù)器完成，以獲得量化值N。對應于電子計數(shù)器測量頻率的原理圖如21所示圖21電子測頻的原理框圖可知電子計數(shù)法測頻主要由3個部分組成（1）時間基準T產生電路。時間基準產生電路的作用是用來產生計數(shù)器所使用的標準頻率。（2）計數(shù)脈沖形成電路計數(shù)脈沖形成電路的作用是將被測的周期信號轉換成可計數(shù)的窄脈沖。（3）計數(shù)顯示電路計數(shù)顯示電路的作用是對主門輸出的脈沖進行計數(shù)，其結果顯示在數(shù)碼管上。22頻率測量的誤差分析對于電子計數(shù)器而言，直接測頻的誤差主要由兩項組成，即1量化誤差和標準頻率誤差。一般地，總誤差可采用分項誤差絕對值合成，即1|XCXFFFT式中，等號右邊括號內第一項為1量化誤差，第二項為標準頻率誤差。（1）量化誤差用電子計數(shù)器測量頻率，實際上就是一個量化的過程，量化的最小單位是數(shù)碼的一個字或者一個脈沖。在測頻時候，由于主門開啟時刻與計數(shù)脈沖之間的時間關系是不相關的，它們在時間軸上的相對位置是隨機的，門控信號很難精確的是被測信號的整數(shù)倍所以量化會帶來誤差，可知對于計數(shù)誤差最大為1個數(shù)，所以計數(shù)器計數(shù)的最大的相對誤差為11XNFT式中，是被測頻率；T是閘門時間。該表達式表明被測頻率越高，閘門XF時間越寬，相對誤差就越小。（2）標準頻率誤差標準頻率誤差又稱為閘門時間誤差，它是由晶振信號本身通過分頻輸出的信號頻率不穩(wěn)定性導致的閘門時間的不穩(wěn)定，而造成測頻誤差。由誤差合成原理可知CFT式中，晶振頻率為。該表達式表明閘門相對誤差在數(shù)值上等于晶振頻率CF的相對誤差。所以，在設計中要求晶振達到的精度要比系統(tǒng)所要達到的精度高一個數(shù)量級。23設計任務的分析及方案的論證本設計是一個基于單片機平臺的時間參數(shù)（頻率）測量系統(tǒng)。由于本次系統(tǒng)設計的測頻范圍很寬（1HZ1MHZ）、精度高（測量誤差），因此精確的控610制閘門的開啟和關閉，追求計數(shù)器較高的頻率和較大的計數(shù)容量，保持系統(tǒng)在整個測量頻段內的測量精度不變及實現(xiàn)頻標信號的高穩(wěn)定度和高精確度成為了評價系統(tǒng)設計優(yōu)劣的關鍵。（1）直接測頻法（閘門時間計數(shù)法）直接測頻法就是在確定的閘門時間內，通過計數(shù)器記錄待測信號的周期變化次數(shù)，并根據頻率的定義來計算待測信號的頻率。由于測量的起始時刻和結束時刻相對于信號而言是隨機的，將會有一個脈沖周期的量化誤差，也就是對于不同的閘門時間會產生同樣的計數(shù)值N。如圖22中閘門1和閘門2時間長度不一樣，但是計數(shù)值相同。圖22直接測頻法示意圖當測量時間為T時，測量的準確度T/,其中為待測信號，可知對于測XFXF量頻高時，測量準確度越高。但是低頻達不到所要達到的要求。（2）間接測周法間接測周法就是在一個信號周期內記錄下基準脈沖的個數(shù)。原理恰好與直接測頻法相對應，當測量的信號周期越長，即其頻率越低，測量的精度就越高，但對于高頻信號就不能適用。（3）分段法分段法就是采用直接測頻和間接測周相結合的方法，在高頻段采用直接測頻，在低頻段采用間接測周，但是中間頻率難以確定，要實現(xiàn)全頻段的等精度測量，且達到設計的要求，系統(tǒng)的設計復雜度很高。（4）相關計數(shù)測頻法相關計數(shù)測頻法采用多周期同步測量原理，測量輸入信號的整數(shù)個周期值而求得頻率的一種測量方法。由于被測信號與門控信號之間采用同步鎖定的方式，使得主門的開啟時刻計數(shù)脈沖之間的時間關系是相關的，這樣便可以實現(xiàn)在測頻范圍內頻率的等精度測量。其實，等精度測量并非嚴格意義上的等精度，閘門信號在測量中的開啟和關閉受控于被測信號的上升沿或下降沿。其測量的精度就有賴于頻標信號的穩(wěn)定度和精度。若系統(tǒng)要求測量精度為，那么基準源的開機穩(wěn)定度和溫度穩(wěn)610定度應該較高，其綜合性能應優(yōu)于。7綜上所述，對于測頻方案的選擇，直接測頻法和間接測周法的原理很簡單，電路實現(xiàn)容易，但是它們都不能滿足全頻段范圍內的信號的測量，分段法在理論上可以保證等精度測量，其中界頻率的確定也比較容易，但是隨著系統(tǒng)測量精度的提高，測試盲區(qū)可能會出現(xiàn)。而相關計數(shù)測頻法雖同時對于未知待測信號和基準信號兩路信號進行計數(shù)，且對于閘門控制和頻標信號的穩(wěn)定度有很高的要求，卻可以滿足在整個測量頻段的等精度測量。24等精度測量技術的理論分析相關計數(shù)法測頻原理如下圖23所示，同步閘門是由預置開門脈沖經0P同步后得到的，因而閘門時間可以準確地等于的整周期倍數(shù)，所以沒XFWTXF有量化誤差，但由于同步閘門與并不同步，因而存在1的量化誤差，可0F0N得到下式00XFF式中，為的頻率準確度。由于所用的晶體振蕩器有較高的穩(wěn)定度，0F誤差很小，可以忽略，因而最大的相對誤差取決于，所以當1MHZ，XF0N0F則在1S的同步閘門時間內，可達量級，能夠滿足設計指標。WT0N61圖23相關計數(shù)法測頻原理框圖25總體思路頻率計是我們經常會用到的實驗儀器之一，頻率的測量實際上就是在單位時間內對信號進行計數(shù),計數(shù)值就是信號頻率。本文介紹了一種基于單片機AT89C52制作的頻率計的設計方法,所制作的頻率計測量比較高的頻率采用外部十分頻，測量較低頻率值時采用單片機直接計數(shù)，不進行外部分頻。該頻率計實現(xiàn)1HZ1MHZ的頻率測量，八位共陰極動態(tài)顯示測量結果，可以測量正弦波、三角波及方波的頻率值、周期值以及脈沖寬度。26具體模塊根據上述系統(tǒng)分析，頻率計系統(tǒng)設計具體模塊有單片機控制模塊、放大整形模塊、分頻模塊、獨立按鍵模塊及顯示模塊。各模塊作用如下1、單片機控制模塊以AT89C52單片機為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。利用其內部的定時計數(shù)器完成待測信號周期頻率的測量。單片機AT89C52內部具有2個16位定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。2、放大整形模塊放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉化成方波信號，便于測量。3、分頻模塊考慮單片機外部計數(shù)，使用12MHZ時鐘時，最大計數(shù)速率為500KHZ，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差?？捎?4LS161和74LS00進行外部十分頻。4、顯示模塊顯示電路采用八位共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示。綜合以上頻率計系統(tǒng)設計有單片機控制模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計的總體設計框圖如圖24所示。信號放大整形數(shù)碼管顯示分頻電路驅動電路AT89C525V電源圖24頻率計總體設計框圖第三章硬件電路具體設計根據系統(tǒng)設計的要求，頻率計實際需要設計的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分AT89C52單片機開發(fā)板、放大整形模塊、分頻模塊，下面將分別給予介紹。31AT89C52主控制器模塊311單片機開發(fā)板原理圖單片機開發(fā)板原理如31圖AT89C52引腳圖,32圖獨立按鍵電路圖，33八位數(shù)碼管顯示電路圖所示。圖32獨立按鍵電路圖圖31AT89C52引腳圖312引腳功能及單片機端口分配引腳功能及單片機端口分配如下表31引腳功能表，表32P3口的第二種功能說明表，表33單片機端口分配表所示。表31引腳功能表模塊端口功能顯示模塊P1口數(shù)碼管頻率值顯示分頻模塊P3口切換頻率、周期、脈寬P3口P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。P3口亦作為AT89C52特殊功能（第二功能）使用，P3口功能如表32所示。在FLASH編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。圖338位數(shù)碼管顯示電路圖表32P3口的第二種功能說明表引腳號第二功能P30RXD（串行輸入）P31TXD串行輸出P32（外部中斷0）INT0P33（外部中斷1）P34T0定時器0外部輸入P35T1定時器1外部輸入P36外部數(shù)據存儲器寫選通WRP37外部數(shù)據存儲器寫選通D根據系統(tǒng)設計及各模塊的分析得出，單片機的引腳分配如表33所示。表33單片機端口分配表模塊端口功能顯示模塊P11清零分頻模塊P35分頻32放大整形模塊由于輸入的信號可以是正弦波、三角波以及方波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。根據上述分析，放大電路放大整形電路采用高頻晶體管3DG100與74LS00等組成。其中3DG100為NPN型高頻小功率三極管，組成放大器將輸入頻率為FX的周期信號如正弦波、三角波及方波等波形進行放大。與非門74LS00構成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出波形信號進行整形，使之成為矩形脈沖。具體放大整形電路如圖34所示。5VQ103DGKR2479ULSA6BUFC8X圖34放大整形電路33分頻設計模塊分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率和周期測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差?？捎?4LS161進行分頻。331分頻電路分析本頻率計的設計以AT89C52單片機為核心，利用內部的定時計數(shù)器完成待測信號周期頻率的測量。單片機AT89C52內部具有2個16位定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內，每來一個機器周期，計數(shù)器自動加1（使用12MHZ時鐘時，每1S加1），這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機器周期（24個振蕩周期），所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的124（使用12MHZ時鐘時，最大計數(shù)速率為500KHZ），因此采用74LS161進行外部十分頻使測頻范圍達到1MHZ。為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數(shù)器計數(shù)測得頻率值；當被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數(shù)測得頻率值。這兩種情況使用74LS151進行通道選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據信號頻率值的高低進行通道的相應導通，繼而測得相應頻率值。33274LS161芯片介紹74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數(shù)器，可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。74LS161引腳如圖35所示。圖3574LS161引腳圖時鐘CP和四個數(shù)據輸入端P0P3，清零/MR，使能CEP，CET，置數(shù)PE，數(shù)據輸出端Q0Q3，以及進位輸出TCTCQ0Q1Q2Q3CET。表34為74LS161的功能表。表3474LS161的功能表清零RD預置LD使能EPET時鐘CP預置數(shù)據輸入ABCD輸出Q0Q1Q2Q3LLLLLHL上升沿ABCDABCDHHL保持HHL保持HHHH上升沿計數(shù)其中RD是異步清零端，LD是預置數(shù)控制端，A、B、C、D是預置數(shù)據輸入端，EP和ET是計數(shù)使能端，RCOETQAQBQCQD是進位輸出端，它的設置為多片集成計數(shù)器的級聯(lián)提供了方便。計數(shù)過程中，首先加入一清零信號RD0，使各觸發(fā)器的狀態(tài)為0，即計數(shù)器清零。RD變?yōu)?后，加入一置數(shù)信號LD0，即信號需要維持到下一個時鐘脈沖的正跳變到來后。在這個置數(shù)信號和時鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預置的輸入數(shù)據相同，這就是預置操作。接著EPET1,在此期間74LS161一直處于計數(shù)狀態(tài)。一直到EP0，ET1，計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)結束。從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR“1”且LD“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當CRLDEPET“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關系是COQ0Q1Q2Q3CET。合理應用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。33374LS151芯片介紹數(shù)據選擇端（ABC）按二進制譯碼，以從8個數(shù)據（D0D7）中選取1個所需的數(shù)據。只有在選通端STROBE為低電平時才可選擇數(shù)據。74LS151有互補輸出端（Y、W），Y輸出原碼，W輸出反碼。74LS151引腳如圖36所示。圖3674LS151管腳圖74LS151的功能如下表35所示。其中A、B、C為選擇輸入端，D0D7為數(shù)據輸入端，STROBE為選通輸入端（低電平有效），W為反碼數(shù)據輸出端，Y為數(shù)據輸出端。表3574LS151功能表334分頻電路根據以上分析，采用74LS161和74LS151設計分頻電路如圖37所示。A3B4C5D6ENP7T10LK2O9MRG8VQUXYIF圖37分頻電路原理圖74LS0074LS15174LS16134顯示模塊頻率值顯示電路采用八位共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值。頻率、周期、脈寬由獨立按鍵控制轉換。341數(shù)碼管介紹常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管，根據其結構的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型兩種數(shù)碼管內部原理如圖38。圖38兩種數(shù)碼管內部原理圖第四章系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)軟件設計主要采用模塊化設計，敘述了各個模塊的程序流程圖，并介紹了軟件KEIL和PROTEUS的使用方法和調試仿真。41軟件模塊設計系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊，信號頻率測量模塊和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖41所示。頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時計數(shù)器的工作方式。定時計數(shù)器的工作首先被設置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。開始系統(tǒng)初始化頻率測量頻率是否超過1KHZ硬件十分頻計數(shù)器計數(shù)測頻率值測量數(shù)據顯示NY圖41系統(tǒng)軟件流程總圖首先定時計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，運行控制位TR置1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序實現(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計數(shù)閘門結束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的數(shù)值經過數(shù)制轉換程序從十六進制數(shù)轉換為十進制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測量數(shù)據有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據有效位數(shù)的要求。定時計數(shù)器的工作被設置為定時器方式，定時計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位TR置為1，以單片機工作周期為單位進行計數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運行控制位TR清0，停止計數(shù)。16位定時計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535，當待測信號的頻率較低時，定時計數(shù)器可以對被測信號直接計數(shù)，當被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時計數(shù)器對被測信號計數(shù)，加大測量的精度和范圍。42中斷服務子程序T0中斷服務子程序流程如圖42所示。測頻時,定時器T0工作在定時方式,每次定時50MS,則T0中斷20次正好為1秒,即T0用來產生標準秒信號,定時器T0用作計數(shù)器,對待測信號計數(shù),每秒鐘的開始啟動T0,每秒鐘的結束關閉T0,則定時器T0之值乘以分頻系數(shù)就為待測信號的頻率。中斷開始關外部計數(shù)器中斷計數(shù)器裝初值開外部計數(shù)器選擇相應檔位判斷計數(shù)是否為1S中斷返回Y圖42T0中斷服務子程序定時計數(shù)器T1工作在計數(shù)方式,對信號進行計數(shù),計數(shù)器1中斷流程圖如圖43所示。中斷開始中斷開始計數(shù)器加1圖43計數(shù)器1中斷服務子程序43顯示子程序顯示子程序將存放在顯示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數(shù)碼管上顯示出來,由于所有4位數(shù)碼管的8根段選線并聯(lián)在一起由單片機的P2口控制,因此,在每一瞬間4位數(shù)碼管會顯示相同的字符,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點亮各位數(shù)碼管,即在每一瞬間只點亮某一位顯示字符,在此瞬間,段選控制口P2輸出相應字符。由P00P03逐位輪流點亮各個數(shù)碼管,每位保持1MS,在10MS20MS之內再點亮一次,重復不止,利用人的視角暫留,好像4位數(shù)碼管同時點亮。數(shù)碼管顯示子程序流程如圖44所示。開始選擇檔位數(shù)據各位分離送數(shù)據顯示延時結束圖44顯示子程序流程圖44量程檔自動轉換子程序使用定時方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號通過頻率計的預處理電路變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波同樣加至定時計數(shù)器的輸入腳（P35）。工作高電平是否加至定時計數(shù)器的輸入腳；當判定高電平加至定時計數(shù)器的輸入腳，運行控制位TR置1，啟動定時計數(shù)器對單片機的機器周期的計數(shù)，同時檢測方波高電平是否結束；當判定高電平結束時TR清0，停止計數(shù)，然后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據。由顯示電路顯示測量結果，根據測量結果判斷，進行頻率計比較后，進行檔位的自動切換，具體檔位自動切換流程圖如圖45所示。開始測量頻率值X顯示頻率值判斷X值XNEWPROJECT”菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立的工程起一個名字，你可以在編緝框中輸入一個名字,點擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個對話框，按要求選擇目標器件片。建立新文件并增加到組。分別設置“TARGET1”中的“TARGET,OUTPUT,DEBUG”各項，使程序匯編后產生HEX文件。（2）匯編，調試系統(tǒng)程序KEIL單片機模擬調試軟件內集成了一個文本編輯器，用該文本編輯器可以編輯源程序。在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“FILENEW”、單擊對應的工具按鈕或者快捷鍵CTRLN將打開一個新的文本編輯窗口，完成匯編語言源文件的輸入，并且完成源程序向當前工程的添加。然后在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“FILESAVEAS”可以完成文件的第一次存儲。注意，匯編語言源文件的擴展名應該是“ASM”，它應該與工程文件存儲在同一文件夾之內。在完成文件的第一次存儲以后，當對匯編語言源文件又進行了修改，再次存儲文件則應該選擇菜單“FILESAVE”、單擊對應的工具按鈕或者快捷鍵CTRLS實現(xiàn)文件的保存。接著的工作需要把匯編語言源文件加入工程之中。選擇工程管理器窗口的子目“SOURCEGROUP1”，再單擊鼠標右鍵打開快捷菜單。在快捷菜單中選擇“ADDFILETOGROUPSOURCEGROUP1”，加入文件對話框被打開。在這個對話框的“查找范圍（I）”下拉列表框中選擇存儲匯編語言源文件的文件夾，在“文件類型（T）”下拉列表框選擇“ASMSOURCEFILE（A；SRC）”，這時存儲的匯編語言源文件將顯示出來。雙擊要加入的文件名或者選擇要加入的文件名再單擊“ADD”按鈕即可完成把匯編語言源文件加入工程。文件加入以后，加入文件對話框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。如果不需要加入其它文件，單擊“CLOSE”按鈕可以關閉加入文件對話框。這時工程管理窗口的文件選項卡中子目錄“SOURCEGROUP1”下出現(xiàn)一個匯編語言源文件。需要注意，當把匯編語言源文件加入工程但還沒有關閉加入文件對話框，這時有可能被誤認為文件沒有成功地加入工程而再次進行加入操作，系統(tǒng)將顯示所需的文件已經加入的提示。在這種情況下，單擊提示框中的“確定”按鈕，再單擊“CLOSE”按鈕可以關閉加入文件對話框。（3）編譯源程序，出現(xiàn)錯誤時，返回上一級對錯誤更改后重新編譯，直到沒有錯誤為止。452PROTUES簡介PROTUES是LABCENTER公司出品的電路分析、實物仿真系統(tǒng)，而KEIL是目前世界上最好的51單片機匯編和C語言的集成開發(fā)環(huán)境。他支持匯編和C的混合編程，同時具備強大的軟件仿真和硬件仿真功能。PROTUES能夠很方便的和KEIL、MATLABIDE等編譯模擬軟件結合。PROTEUS提供了大量的元件庫有RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，它可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，與KEIL和MPLAB不同的是它還提供了周邊設備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真。這里我將KEIL和PROTUES兩個軟件的快速集成起來使用。（1）首先將KEIL和PROTUES兩個軟件安裝好。（2）然后在CPROGRAMFILESLABCENTERELETRONICSPROTUES6PROFESSIONALMODELS我的PROTUES是安裝C盤里面的目錄下的VDM51DLL動態(tài)連接庫文件復制到CKEILC51BIN目錄下面（我的KEIL也安裝在C盤）這個文件將在KEIL的DEBUG設置時用到。（3）打開PROTUES軟件，新建一文件將硬件原理圖繪入圖中。（4）將KEIL生成的HEX文件下載入單片機中，點擊“開始”進行仿真。（5）在KEIL中進行DEBUG，同時在PROTEUS中查看直觀的結果（如LCD顯示）。這樣就可以像使用仿真器一樣調試程序。利用PROTEUS與KEIL整合進行實驗，具有比較明顯的優(yōu)勢，當然其存在的缺點也是有的。利用仿真實驗可以做全部的軟件實驗和極大多數(shù)的硬件系統(tǒng)，虛擬仿真實驗室，因極少硬件投入、所以經濟優(yōu)勢明顯，不僅可以彌補實驗儀器和元器件缺乏帶來的不足，而且排除了原材料消耗和儀器損壞等因素。第五章頻率計的系統(tǒng)調試頻率計的系統(tǒng)調試包括系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)合調試。硬件調試包括整形模塊、分頻模塊等模塊，軟件調試就是通過修改程序，使頻率計功能完善，提高頻率計的測量精度。使用軟件仿真，調試仿真結果，同時使用數(shù)字萬用表和示波器測試輸出電壓值和輸出波形，調試出正確的硬件電路。51硬件調試511整形模塊調試整形電路采用與非門74LS00構成施密特觸發(fā)器，它對正弦波、三角波等各種波形信號進行整形，使之成為矩形脈沖。整形電路在MULTISIM10中進行電路的仿真與調試，在MULTISIM10繪制的整形電路如圖51所示。選擇虛擬函數(shù)發(fā)生器輸入不同的信號，同時使用數(shù)字示波器測的輸出波形，經測試施密特觸發(fā)器可以把1HZ1MHZ的正弦波等波形整形為方波信號，仿真結果如圖52所示。U1A74LS00DU2B74LS00DU3C74LS00D23XFG10XSC1ABEXTTRIG_4D31N414851圖51整形電路仿真圖52整形電路輸出波形仿真搭建整形電路模塊，測試電路基本正確，使用數(shù)字示波器測得輸入輸出波形如圖53所示。圖53整形電路實際輸出波形512分頻模塊調試為了達到1HZ1MHZ的頻率范圍，使用外部分頻，搭建分頻電路，測試電路基本正確，選擇函數(shù)發(fā)生器輸入1MHZ以下不同頻率的的方波信號，同時使用數(shù)字示波器測的輸出波形，經觀察分頻電路可以把1MHZ以下不同頻率的方波波形進行十分頻，示波器測得輸入輸出波形如圖54所示。圖54分頻電路實際輸出波形52功能調試當測量頻率值小于1KHZ以下時，數(shù)碼管顯示頻率值，并最右邊發(fā)光二極管亮，作為HZ檔單位指示。當測量頻率值大于且等于1KHZ并小于1MHZ時，數(shù)碼管顯示頻率值，并從右邊數(shù)第二個發(fā)光二極管亮，作為KHZ檔單位指示。當測量頻率值大于1MHZ時，數(shù)碼管顯示頻率值，并從右邊數(shù)第四個發(fā)光二級管亮，作為MHZ檔單位指示。經上述測試，基本功能都以實現(xiàn)，可以測出波形頻率值，并可以自動切換量程單位，符合要求。53系統(tǒng)調試531系統(tǒng)軟硬件調試測試只能測試方波信號，外加硬件整形電路，可以測試正弦波、三角波等各種波形的頻率值，把各模塊組合在一起，做成完整的頻率計。經過不斷的軟硬件聯(lián)合調試，修改程序和硬件，最終符合設計功能要求。為了衡量這次設計的頻率計的工作情況和測量精度，我們對系統(tǒng)進行了調試。用這次設計的頻率計對信號進行了測量，使用函數(shù)發(fā)生器輸出各種波形，由實物頻率計測得頻率，記錄數(shù)據。實際測得頻率范圍沒有仿真結果那么高，只能稍微超過1MHZ。實際記錄數(shù)據如下表表51HZ檔的數(shù)據記錄表，表52KHZ檔的數(shù)據記錄表，表53MHZ檔的數(shù)據記錄表所示。表51HZ檔的數(shù)據記錄表待測值（HZ）10328926873248490667839788測量值（HZ）1029269325491678979表52KHZ檔的數(shù)據記錄表待測值（KHZ）15263328601216175308847079121測量值（KHZ）1533336021620309047099124表53MHZ檔的數(shù)據記錄表待測信（MHZ）11231318測量值（MHZ）1123測不出54誤差分析從記錄的數(shù)據可以看出，系統(tǒng)軟件仿真誤差很小，在1HZ1MHZ范圍內測量出來的頻率基本上就是輸入信號的頻率，在超出這個范圍后，才出現(xiàn)很小的誤差。但是在硬件調試中，可能是由于標準元器件本身誤差，如隨著時間的延長，造成測量結果沒有軟件仿真精確。同時手工焊接單片機最小系統(tǒng)、分頻整形電路等也會帶來一定的干擾，造成信號的失真，從而導致測量精度下降，測量范圍有所縮小，但是可以看出，誤差在允許范圍內，所設計的電路基本符合要求。總結畢業(yè)設計已經結束，通過這次設計，我受益匪淺。畢業(yè)設計是一次綜合性的實踐，它將各種知識結合到一起綜合運用到實踐上來擴展、彌補、串聯(lián)所學的知識。通過本次畢業(yè)設計我得到了很多收獲。首先，了解了單片機的基本知識和在控制領域的作用和地位。其次掌握了C語言的編寫程序，學會了使用PROTUTES和KEIL的仿真來實現(xiàn)，同時掌握了如何收集、查閱、應用文獻資料，如何根據實際需要有選擇的閱讀書籍和正確確定系統(tǒng)所要使用的元器件的類型。再次，在精神方面鍛煉了思想、磨練了意志。面對存在的困難首先分析問題根據目的要求確定可實現(xiàn)的部分，不明白方面找同學和老師討論研究，再完善、再修改、再發(fā)現(xiàn)問題、再解決培養(yǎng)了自己的耐心、恒心及遇事不亂的精神?？傊颐靼琢死碚摵蛯嵺`之間存在的距離只有靠不斷的思考不斷的動手才能將所學的知識真正運用到實踐上來。在畢業(yè)設計中我的很多方面的能力都得到了提高，尤其在單片機軟件編程方面讓我感觸頗深。我個人認為軟件設計是個即靈活又細膩的工作，它要求耐心和細心去不斷完善，同時還需要有良好的邏輯思維能力。通過這次畢業(yè)設計，我分析問題和解決問題的能力有所提高，也鞏固了所學的知識，加深了對理論知識的理解，更重要的是鍛煉自己的獨立性，為我今后的工作和學習打下堅實的基礎。參考文獻1蔣煥文、孫續(xù)電子測量（第二版）M中國計量出版社,19982劉國林、殷貫西電子測量M機械工業(yè)出版社,20033孫煥根電子測量與智能儀器M浙江大學出版社,19924古天祥、王厚軍等電子測量原理M機械工業(yè)出版社,20045郭允、蘇秉煒脈沖參數(shù)與時域測量技術M中國計量出版社,19896美D霍布沙爾電子儀器的電路設計M科學出版社,19867黃秉英時間頻率的精確測量第一版M中國計量出版社,19868美KEVINSKAHILL可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設計技術M東南大學出版社,19989高書莉、羅朝霞可編程邏輯設計技術及應用M人民郵電出版社,200110程云長、王莉莉可編程邏輯器件與VHDL語言M科學出版社,200511陸玉新、傅崇倫電子測量M國防工業(yè)出版社,198512劉克剛復雜電子系統(tǒng)設計與實踐M電子工業(yè)出版社,2010致謝感謝學校和老師對我的培養(yǎng)，給我這個自己動手的機會和空間。經過一段時間，終于在指導老師的幫助下完成了畢業(yè)設計，對自己的能力有了很大的提升。在此我要感謝每一個幫助過我的人。首先，我要感謝的是我的指導老師劉克剛老師，在百忙之中抽出時間為我的設計指點，提供幫助，他的學習作風和優(yōu)良的教學研究精神是我永遠學習的榜樣。其次要感謝我的父母，在我最艱難的日子里，他們給我精神上的支持。他們一直在鼓勵我，讓我充滿信心地迎接每一個問題。再次我要感謝我的同學，在我最困難的時候伸出援助之手，用他們的智慧幫我解決各個難題?？偠灾兄x每一位關心過我的人，他們今天對我的付出，成為我將來工作的動力。附件頻率計源程序INCLUDEDEFINESEGMENTP2DEFINESLP0UNSIGNEDCHARCNT/定時1S計數(shù)UNSIGNEDCHARD4/對應數(shù)碼管的各位UNSIGNEDCHARLEVEL/檔位UNSIGNEDINTTN/不同檔位計時值UNSIGNEDINTFCNT/脈沖下降沿次數(shù)UNSIGNEDINTREGCNT/脈沖次數(shù)暫存UNSIGNEDINTPCNT/頻率顯示UNSIGNEDCHARNUM1000X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6FVOIDDELAYUNSIGNEDINTDELAYTIMEWHILEDELAYTIMEVOIDDISPIFLEVEL0/B位檔D30D2PCNT/100D1PCNT100/10D0PCNT10SL0XFEDELAY1SEGMENTNUMD3DELAY300SL0XFDDELAY1SEGMENTNUMD2DELAY300SL0XFBDELAY1SEGMENTNUMD1DELAY300SL0XF7DELAY1SEGMENTNUMD0DELAY300EL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