基于单片机的数字频率计的的设计.pdf
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1、摘要随着电子信息产业的不断发展,信号频率的测量在科技研究和实际应用中的 作用日益重要。传统的频率计通常是用很多的逻辑电路和时序电路来实现的,这 种电路一般运行缓慢,而且测量频率的范围比较小。考虑到上述问题,本论文设 计一个基于单片机技术的数字频率计。首先,我们把待测信号经过放大整形;然 后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数,获得频率值;最后把测得的频率 数值送入显示电路里进行显示。本文从频率计的原理出发,介绍了基于单片机的 数字频率计的设计方案,选择了实现系统得各种电路元器件,并对硬件电路进行 了仿真。关键字:单片机,频率计,测量I目录第1章引言.1第2章方案论证.22.1 数字频率计设计
2、的几种方案.22.2 儿种方案的优劣讨论.32.3 本次设计采用的方案.3第3章系统硬件设计.43.1 数字频率计工作原理.43.1.1 一般数字式频率计的原理.43.1.2 基于单片机的数字频率计原理.43.2 电路原理图.53.3 放大整形电路.63.3.1 放大整形电路的必要性.63.3.2 放大整形电路的原理.63.4 分频电路.103.4.1 分频电路介绍.103.5 四选一电路.113.6 单片机.133.7 显示电路.143.7.1 显示原理.143.7.2 显示电路图.163.8 电路PCB板.18第4章 系统软件设计.194.1 测频软件实现原理.194.2 软件流程图.19
3、4.3 儿个重要的分程序.20第5章 系统的仿真和调试.335.1 硬件电路的仿真.335.2 误差分析.36结束语.37II参考文献39致谢.40附录.41附录一:系统整体电路图.41附录二:电路PCB图.41附录三:系统整体程序.43外文资料原文错误!未定义书签。翻译文稿错误!未定义书签。III第1章引言随着电子信息产业的发展,信号作为其最基础的元素,其频率的测量在科技 研究和实际应用中的作用日益重要,而且需要测频的范围也越来越宽。传统的频 率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成,产品不但体积较大,运行速度慢,而且测量范围低,精度低。因此,随着对频率测量的要求的提高,传统的测频
4、的方法在实际应用中已不能满足要求。因此我们需要寻找一种新的测 频的方法。随着单片机技术的发展和成熟,用单片机来做为一个电路系统的控制 电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。因此本论文采用单片机来做为电路的控制 系统,设计一个能测量高频率的数字频率计。用单片机来做控制电路的数字频率 计测量频率精度高,测量频率的范围得到很大的提高。本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。主要介绍了整形电 路、控制电路和显示电路的构成原理,以及其测频的基本方法。进行了相应的硬 软件设计。1第2章方案论证第2章方案论证2.1 数字频率计设计的几种方案测量频率的方法有很多种,主要分为模拟法和数字法两大类,因为本次
5、设计 的要求和环境,现在主要讨论数字法中的电子计数式的几种测频方法。电子计数式的测频方法主要有以下几种:脉冲数定时测频法(M法),脉冲周期 测频法(T法),脉冲数倍频测频法(AM法),脉冲数分频测频法(AT法),脉冲平均 周期测频法(M/T法),多周期同步测频法。下面是几种方案的具体方法介绍。脉冲数定时测频法(M法):此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数 Mx,则待测频率为:Fx=Mx/Tc(2-1)脉冲周期测频法(T法):此法是在待测信号的一个周期Tx内,记录标准频率 信号变化次数Mo。这种方法测出的频率是:Fx=Mo/Tx(2-2)脉冲数倍频测频法(AM法):此法是为克服M法在低频
6、测量时精度不高的缺陷 发展起来的。通过A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。其待测 频率为:Fx=Mx/ATo(2-3)脉冲数分频测频法(AT法):此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的 周期扩大人倍,所测频率为:Fx=AMo/Tx(2-4)脉冲平均周期测频法(M/T法):此法是在闸门时间Tc内,同时用两个计数器 分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数M。若标准信号的频率为Fo,则待测信号频率为:Fx=FoMx/Mo(2-5)2第2章方案论证多周期同步测频法:是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计
7、数器 计数的一种测量方法,待测信号频率与M/T法相同。2.2 几种方案的优劣讨论以上几种方法各有其优缺点:脉冲数定时测频法,时间Tc为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx的误 差。其特点在于:测量方法简单,测量精度与待测信号频率和门控时间有关,当 待测信号频率较低时,误差较大。脉冲周期测频法,此法的特点是低频检测时精度高,但当高频检测时误差较 大。脉冲数倍频测频法,其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低;精度 比M法高A倍,但控制电路较复杂。脉冲数分频测频法,其特点是高频测量精度比T法高A倍,但控制电路也较 复杂。脉冲平均周期测频法,此法在测高频时精度较高,但在测低频信号时精度较 低。多周
8、期同步测频法,此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了对被 测信号计数产生的1个字误差,测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的频 率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。2.3 本次设计采用的方案根据频率的定义,频率是单位时间内信号波的个数,因此采用上述各种方案 都能实现频率的测量。但是本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数 字式频率计,采用脉冲定时测频法,则在低频率的测量时误差会大一些。采用脉 冲周期测频法则测高频率时精度无法保证;采用脉冲数倍频测频法和脉冲数分频 测频法则精度有所提高,但控制电路较复杂;采用脉冲平均周期测频法则很难兼 顾低频信号的测量;而采用多周期同步测频法,
9、闸门时间与被测信号同步,消除 了对被测信号计数产生的1误差,测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的 频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。本次设计由于个人水平有限,因 此,本次设计根据需要,采用脉冲定时测频法。3第3章系统硬件设计第3章系统硬件设计3.1 数字频率计工作原理3.1.1 一般数字式频率计的原理数字式频率计是测量频率最常用的仪器之一,其基本设计原理是首先把待测 信号通过放大整形,变成一个脉冲信号,然后通过控制电路控制计数器计数,最 后送到译码显示电路里进行显示,其基本构成框图如图3-1所示。1待测 信号图3-1数字式频率计原理框图由上图可以看出,待测信号经过放大整形电路后得到
10、一个待测信号的脉冲信 号,然后通过计数器计数,可得到需要的频率值,最后送入译码显示电路中显示 出来。但是控制部分才是最重要的,它在整个系统的运行中起至关重要的作用。3.1.2 基于单片机的数字频率计原理由上节介绍可知,控制电路在数字频率计中起至关重要的作用。采用什么样 的控制电路,直接决定了数字频率计的性能。由第二章的内容可知,为了得到一 个高性能的数字频率计,本次设计采用单片机来做为数字频率计的核心控制电路,辅之于少数的外部控制电路。因此本此设计的系统包括信号放大整形电路、分频 电路、单片机AT89c51和显示电路等。本系统让被测信号经过放大整形后,进入 单片机开始计数,利用单片机内部定时计
11、数器定时,在把所记得的数经过相关处理 后送到显示电路中显示。其系统原理框图将在下面介绍。根据上述的基于单片机的数字频率计的设计原理,我们可设计一个由放大整4第3章系统硬件设计形电路、分频电路、多路数据选择器、AT89C51以及显示电路来构成的数字式频 率计,其系统框图如图3-2所示。图3-2系统构成框图3.2 电路原理图由上面的内容可看到,本次设计的基于单片机的数字式频率计包括波形整形 电路、分频电路、多路数据选择器、单片机和显示电路等几个模块。所以本次设 计的数字式频率计的电路由以下几块构成:由施密特触发器构成的波形整形放大 电路、由74LS90构成的分频电路、由74LS153四选一电路构成
12、的四选一电路、AT89C51单片机以及由74LS138译码电路、74LS245上拉电路和八段数码管显示 电路构成的数码显示电路构。其原理图如图3-3所示。5第3章系统硬件设计图3-3系统电路原理图3.3 放大整形电路3.3.1 放大整形电路的必要性因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数,而实际中需要测量频率的信号 是多种多样的,有脉冲波、还有可能有正弦波、三角波等,所以需要一个电路。把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。332放大整形电路的原理矩形脉冲波的整形电路有两种:施密特触发器、单稳态触发器。而这两种电 路都可以有门电路或是555定时器构成。由于本次设计的基于单片机的数字频率 计的放大整
13、形电路部分需求比较简单,所以我们选择由555定时器构成的施密特 6第3章系统硬件设计触发器来作为信号波形整形电路,下面我们给出其全面的介绍。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路,下面我们对它的特点、输出特性、工作原理等进行简单的介绍。一、特点1、电平触发:触发信号6可以是变化缓慢的模拟信号,6达某一电平值时,输出电压突变。为脉冲信号。2、电压滞后传输:输入信号U/从低电平上升过程中,电路状态转换时对应的 输入电平,U/与从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。利用上述两个特点,施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为 边沿陡峭的矩形波,还可以将叠加在矩形脉冲高、低
14、电平上的噪声有效地清除。二、输出特性1、同向输出:当6=0时,UOI=U0L,为同向输出,此时当。/丁二吟+时,uo U0H,当。/=吟_时,Uo 1=U0L o其同向输出特性图如图3-4所示。%.I-0 V V-Ul、*T+图3-4同向输出特性图2、反向输出:当时,Uo=UOH,为反向输出,此时当。,=吟+,Uo U0L,当64=吟_时,Uoh,其反向输出特性图如图3-5所示。图3-5反向输出特性图正向阈值电平匕+:。/上升时,引起分突变时对应的值。负向阈值电平吟6下降时,引起突变时对应的6值。三、整形原理7第3章系统硬件设计用门电路构成施密特触发器1、构成,用CMOS非门构成的施密特触发器
15、电路图如图3-6所示。图3-6用CMOS非门构成的施密特触发器电路图2、工作原理,其工作原理如表3-1所示。表3-1用CMOS非门构成的施密特触发器工作原理表UiUfUoiUo说明Uj=00010同和施密特触发器UJ升 过程中vT+1H015卜仃 过程中VT.TH01Kt.=7H01Gi、G2门将要翻转=VT.=v、TH10Uo突变VT.VT+时,O/Tn,U;T=,Gl、G2门要翻转前的瞬间,电路中电流流向和电位情况如图3-7所示。图3-7求VT+时电路图从求入手求吟+:由公式(3-1)就可以推导出公式(3-2),就可以得出吟+。8第3章系统硬件设计,R、U-th=Ur2=V;+TH R2&
16、+R,T+(3-1)(3-2)(2)、求吟在U/从最大值开始下降时,U0=Uoh。在U/Jnh,U,JnVm,Gl、G2门要翻转前的瞬间,电路中电流流向和电位情况如图3-8所示。图3-8求VT-是电路图从求U,入手求吟由公式(3-3)可以推导出公式(3-4),再由公式联合公 式(3-5)以及公式(3-6),就可以得到公式(3-7),得到VT-的值。U;=UTH=U0H-(U0H-VT_)-K+R=-I+&VVT-D VTH D u oh/9U0H=VDD=/%)C D yVT=1VrHR(3)、求回差电压吟求出吟+和之后,由下面的公式(3-8)就可求出AV。AV=Vt+Vt-=-VDD(3-3
17、)(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)9第3章系统硬件设计当VDD 一定时,调RI、R2,可调/,即可调吟十、Vr_,可调U。脉宽。(4)、电压传输特性。当UI=O时,U0=UOL是施密特同相输出,其电压输出 特性如图3-9所示。-th、t+Vdd 图3-9电压传输特性(6)、逻辑符号。施密特触发器常见的逻辑符号如图3-10所示。一口一一图3-10施密特触发器的逻辑符号集成施密特触发器,常用TTL电路集成施密特触发器有7413等。常用CMOS 电路集成施密特触发器有CC40106等。3.4 分频电路3.4.1 分频电路介绍本次设计采用的是脉冲定时测频法,由于考虑到单片机的定时计数
18、器得计数 能力有限,无法对过高频进行测量,所以我们对待测信号进行了分频,这样能提 高测量频率的范围,还能相应的提高频率测量的精度。所以我们需要把待测信号 进行分频。在本次设计中,因为我们要进行的是十分频、一百分频和一千分频,所以我们选用74LS90电路,经过正确的连接后就可以进行十分频,进行三次十分 频就可以得到分频千次的信号。其引脚图和功能表分别如图3-11和表3-2所示。10第3章系统硬件设计6MSI QOMS2 QIQ2MR1 Q3MR2CLK0CLK1127928113图3-11 74LS90引脚图表3-2 74LS90功能表RESET/SET INPUTSOUTPUTSCOUNTOU
19、TPUTMR1mr2MS1ms2Qo Qi Q2 Q3Qo Qi Q2 Q3H H X L X L XI X X X-I X-1L X X L H X LX L H X L L XL L L LL L L LH L L HCount Count Count Count0123456789L L L L H L L L L H L L H H L L L L H L H L H L L H H L H H H L L L L H H L L HH=HIGH Voltage Level L=LOW Voltage Level X=Don i Care信号经过分频电路74LS90,其频率将减小到原信
20、号的十分之一。3.5 四选一电路本次设计需要用到一个四选一电路,用来选择输入单片机进行计数的待测信 号。74LS153就是其中比较好用和常用的一种四选一电路元件。所以这次采用很常 见的74LS153集成电路,其电路图如下图图3-12所示。数据选择器有多个输入,一个输出。其功能类似于单刀多掷开关,故又称为 多路开关(MUX)。在控制端的作用下可从多路并行数据中选择一路送输出端。TTL中规模数据选择器是根据多位数据的编码情况将其中一路数据由输出端11第3章系统硬件设计图3-12 LSI53电路原理图送出的电路,74LS153是双四选一数据选择器,其中有两个四选一数据选择器,它 们各有四个数据输入端
21、:1D3、1D2、IDk 1D0和2D3、2D2、2D1、2D0。一个 输出端1Y、2Y和一个控制许可端S。系统控制端S为低电平有效。当控制许可端 S=1时,传输通道被封锁,芯片被禁止,Y=0,输入的数据不能传送出去;当控制许 可端s=0时,传输通道打开,芯片被选中,处于工作状态,输入的数据被传送出 去Al、A0是地址选择端,两路选择器共用。管脚如图3-12所示。74LS153逻辑功能见表3-3。从功能表可看出,当S端输入为低电平时,四选 一数据选择器处于工作状态,它有4位并行数据输入DOD3,单选择地址输入A1、A0的二进制码依次由00递增至11时,4个通道的并行数据便依次传送到输出端 Wo
22、表3-3 74LS153的功能表12第3章系统硬件设计A1A0/SW10000DO010D1100D2110D33.6 单片机单片机作为控制系统和计数器,是本次设计的最重要的部分,AT89C51是一 种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指 令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,
23、为很多嵌入式控制系统提供了一种灵 活性高且价廉的方案。所以本次设计采用AT89C51单片机。本次设计采用的是89C51单片机,89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS 工艺制造的8位微控制器,它提供下列标准特征:4K字节的程序存储器,128字 节的RAM,32条I/O线,2个16位定时器/计数器,,一个5中断源两个优先级的 中断结构,一个双工的串行口,片上震荡器和时钟电路。其引脚说明如下:引脚说明:VCC:电源电压。GND:接地。P0 n:P0 口是一组8位漏极开路型双向I/O 口,作为输出口用时,每个引 脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时,可以作为高阻抗输入端使 用。当P0
24、口访问外部程序存储器或数据存储器时,它还可设定成地址数据总线复 用的形式。在这种模式下,P0 口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时,P0 口接收指令字节,同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。13第3章系统硬件设计P0:P0 口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口。POLI的输出缓冲能 接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P0 口写1时,它们被内部的上拉电阻拉升 为高电平,此时可以作为输入端使用。当作为输入端使川时,P0 口因为内部存在 上拉电阻,所以当外部被拉低时会输出一个低电流(IIL)oPl 口:P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P1 口的输出缓冲
25、 能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P1 口写1时,通过内部上拉电阻把端口拉到高 电平,此时可以用作输入口。作为输入口,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被 外部信号拉低时会输出电流(IIL)oP2 口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如MOVX DPTR)时,P2 口送出高8位地址数据。在这种情况下,P2 口使用强大的内部上 拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时(例MOVX RI),P2 口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时,P2 口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3 口:P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3 口的输出缓冲
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