電子信息工程畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 基于單片機(jī)的智能 電子計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 學(xué) 校 ： 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生姓名 ： 指導(dǎo)教師 ： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：二 0 一 一 年 3 月 日 5 月 日 共 周 I 摘 要 數(shù)字頻率計(jì)是電子測(cè)量領(lǐng)域中最常見(jiàn)的測(cè)量?jī)x器之一。它可以測(cè)量方波和正弦波的頻率、周期和脈沖寬度等時(shí)間參數(shù)。 本設(shè)計(jì)是由單片機(jī)控制的數(shù) 字頻率計(jì)設(shè)計(jì)。本文在討論頻率測(cè)量的常用方法與原理的基礎(chǔ)上，闡述了等精度測(cè)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括穩(wěn)壓電源電路、信號(hào)放大整形電路、測(cè)頻電路、單片機(jī)電路模塊、標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)源、鍵盤模塊、數(shù)碼顯示模塊等。采用軟硬件結(jié)合的方法，頻率、周期、脈寬和占空比的計(jì)算由單片機(jī) 89成，外圍電路其數(shù)字電路部分使用了 采用 言進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，其輸入通道由模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)將單片機(jī) 控制靈活性及 片的現(xiàn)場(chǎng)可編程性相結(jié)合，不但大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，而且使本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性 高、測(cè)頻范圍寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 ： 頻率計(jì) 單片機(jī) 等精度 is of of It as so is on on of of on of it of so It of of of by 9of to 9so it of of 錄 第一章 引言 . 題研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) . 題研究的意義與作用 . 字 頻率計(jì)的基本原理 . 統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) . 本指標(biāo) . 揮部分 . 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 率測(cè)量的方法的研究 . 字化直接測(cè)量頻率的原理 . 字化直接測(cè)量周期的原理 . 周期同步等精度測(cè)量的原理 . 驗(yàn) 方案的確定 . 量方法的確定 . 率測(cè)量模塊的方法 . 期測(cè)量模塊的方法 . 沖寬度測(cè)量模塊的方法 . 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 壓電源 電路 . 號(hào)放大整形電路 . 片機(jī)控制電路 . 準(zhǔn)頻率信號(hào)源 . 碼管顯示模塊 . 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 頻專用模塊的設(shè)計(jì) . 率計(jì) 分的 序 .率計(jì) 分的仿真 . 片機(jī)控制與運(yùn)算程序的設(shè)計(jì) . 片機(jī)主程序的設(shè)計(jì) . 率、周期計(jì)數(shù)子程序的設(shè)計(jì) . 脈寬、占空比子程序的設(shè)計(jì) . 盤掃描及 數(shù)碼管顯示 子程序的設(shè)計(jì) . 總結(jié) . 參考文獻(xiàn) . 致謝 . 1 第一章 引言 題研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展及電子產(chǎn)品市場(chǎng)運(yùn)作節(jié)奏的進(jìn)一步加快，涉 及諸如計(jì)算機(jī)應(yīng)用、通信、智能儀表、醫(yī)用設(shè)備、軍事、民用電器等領(lǐng)域的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)已邁入一個(gè)全新的階段。 在電子測(cè)量中，頻率的測(cè)量精確度是非常高的。利用計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，已成為目前頻率測(cè)量的重要方法。人們將許多參數(shù)的測(cè)量轉(zhuǎn)換為頻率量來(lái)測(cè)量和處理。 傳統(tǒng)的頻率計(jì)通常采用組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，在使用過(guò)程中存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量精度低、故障率高、維護(hù)不易等問(wèn)題，其產(chǎn)品不但體積較大，運(yùn)行速度慢，而且測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜直接使用。頻率測(cè)量在科技 研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。測(cè)量的數(shù)字化、智能化是當(dāng)前測(cè)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。 題研究的意義與作用 數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器又稱通用計(jì)數(shù)器，是電子測(cè)量領(lǐng)域中最常見(jiàn)的測(cè)量?jī)x器之一。它可以測(cè)量正弦波的頻率（周期），脈沖波的頻率（周期），脈沖寬度等時(shí)間參數(shù)。 隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，用單片機(jī)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄈ〈@部分電路不僅能彌補(bǔ)上述不足，而且性能也將大有提高。針對(duì)普通頻率計(jì)存在讀數(shù)難、測(cè)量精度不高等問(wèn)題 , 目前采用單片機(jī)控制的數(shù)字頻率計(jì) , 用于測(cè)量方波、正弦波或其它脈沖信號(hào)的頻率 , 并用數(shù)字顯示 , 具有精度高、測(cè)量迅速、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn) , 已經(jīng)在電子測(cè)量領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。 51 系列單片機(jī)具有體積小，功能強(qiáng)，性能價(jià)格比較高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工 業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì) 以 片機(jī)為核心，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好等特點(diǎn)。 字 頻率計(jì)的基本原理 頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為 1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長(zhǎng)，得 到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時(shí)間越長(zhǎng) ， 則 每 測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。 數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其 2 它周期性變化的信號(hào)。 統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 基于傳統(tǒng)測(cè)頻原理的頻率計(jì)的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的下降而降低，在實(shí)用中有較大的局限性，而等精度頻率計(jì)不但具有較高的測(cè)量精度，而且在整個(gè)測(cè)頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測(cè)試精度。 課題要求運(yùn)用單片機(jī) 或者 術(shù)，結(jié)合 傳統(tǒng)直接測(cè)量頻率方法和等精度測(cè)量頻率的 方法，實(shí)現(xiàn)高頻和低 頻的測(cè)量，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)如下。 本指標(biāo) (1) 頻率： 10302) 閘門時(shí)間為 、 1秒 （ 3）實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、周期和時(shí)間間隔的測(cè)量功能 揮部分 (1) 信號(hào)：方波、正弦波 (2) 幅度： 3) 周期脈沖寬度幅度（ 5V、頻率 11占空比，占空比變化范圍為 10% 90%，測(cè)試誤差 1%。 3 第二章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 率測(cè)量的方法的研究 字化 直接測(cè) 量頻率的原 理 無(wú)論頻率、周期還是時(shí)間間隔的數(shù)字化測(cè)量，均是基于主門 （閘門） 加計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)的，圖 2.1(a)示出了這種計(jì)數(shù)式 直接測(cè)頻 的原理框圖。其中主門 （閘門） 具有“與門”的邏輯功能。主門 （閘門） 的一個(gè)輸入端送入的是頻率為是由被測(cè)信號(hào)經(jīng) 門 （閘門） 的另一個(gè)輸入端送來(lái)的是來(lái)自門控雙穩(wěn)的閘門時(shí)間信號(hào) 為門控雙穩(wěn)是受時(shí)基（標(biāo)準(zhǔn)頻率）信號(hào)控制的，所以 準(zhǔn)確又穩(wěn)定。設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)晶體震蕩器和分頻器的配合，可以獲得 10S、 1S、 閘門時(shí)間。由 于主門（閘門）的“與”功能，它的輸出端只有在閘門信號(hào) 效時(shí)間才有頻率送到計(jì)數(shù)器去計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)器的值為 N，由頻率定義式可以計(jì)算得到被測(cè)信號(hào)頻率為(2其原理框圖和時(shí)序圖如圖 示。 （ a） 直接測(cè)頻法原理框圖 （ b） 直接測(cè)頻法時(shí)序圖 圖 a）直接測(cè)頻法原理框圖； （ b）直接測(cè)頻法 時(shí)序圖 時(shí)基脈沖 被測(cè)信號(hào) 實(shí)際檢出信號(hào) 5 由式 (2知，當(dāng)閘門時(shí)間 S 時(shí)， 測(cè)量方法由于主門的開(kāi)啟時(shí)間與被測(cè)信號(hào)之間不同步，而使計(jì)數(shù)值 N 帶有 1 量化誤差；且當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率越低時(shí)，該量化誤差的影響越大。若再考慮由晶體振蕩器引起的閘門時(shí)間誤差，對(duì)式 (2行誤差的累積與合成運(yùn)算后，可以得到直接測(cè)量測(cè)頻率誤差的計(jì)算公式如下： 1() T T f f （ 2 上式右邊第一項(xiàng)為量化誤差的相對(duì)值，其中 N = 1；第二項(xiàng)為閘門時(shí)間的相對(duì)誤差，數(shù)值上等于晶體振蕩器基準(zhǔn)頻率的相對(duì)不確定度f(wàn) 。在 定時(shí)，閘門時(shí) 間 量準(zhǔn)確度越高。而當(dāng) T 選定后，于 1 誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響減小，測(cè)量準(zhǔn)確度越高。但是隨著 1誤差的影響的減小，閘門時(shí)間（也即基準(zhǔn)頻率）自身的準(zhǔn)確度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不可忽略，這時(shí)可以認(rèn)為f 是計(jì)數(shù)式直接測(cè)頻率準(zhǔn)確度的極限。字化直接測(cè)量周期的原理 雖然直接測(cè)頻法可以測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)即頻率，但是對(duì)于較低頻率的信號(hào)其檢測(cè)誤差會(huì)大大增大，解決辦法就是改直接測(cè)頻法為直接測(cè)周期法。圖 2.2(a)為計(jì)數(shù)式直接測(cè)周期的原理框圖。與測(cè)頻原理框圖相比，其中門控雙穩(wěn)改由輸入信號(hào)放大、整形和分頻后的脈沖控制，所以閘門時(shí)間的寬度就等于 k 倍被測(cè)信號(hào)的周期主門的另一個(gè)輸入端，送入由晶體 震蕩器和分頻器產(chǎn)生的周期為 時(shí)標(biāo)脈沖信號(hào)。由于主門的“與”功能，它的輸出端只有在閘門信號(hào) 送到計(jì)數(shù)器去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的值為 N。不難看出，被測(cè)信號(hào)的周期為： 0/T k (2其原理框圖和時(shí)序圖如圖 示： 5 （ a） 測(cè)周期法原理框圖 （ b）測(cè)周期法時(shí)序圖 圖 a）測(cè)周期法原理框圖； （ b）測(cè)周期法時(shí)序圖 與計(jì)數(shù)式測(cè)頻率相似，由于 0 之間也不是同步的，所以計(jì)數(shù)值 1量化誤差；此外由于晶振的不確定度，時(shí)標(biāo)的周期 存在誤差；最后，由于被測(cè)輸入信號(hào)噪聲的影響，使經(jīng) 式 (2行誤差的積累和合成運(yùn)算，可以得到測(cè)周期誤差的計(jì)算公式如下： / 2 00000 0 . 3 2( 1 0 )RT x N x T N x T F c TT x N T k T x F c T x F c k (2 上式右邊第一項(xiàng)為量化誤差的相對(duì)值，其中計(jì) 數(shù)誤差 1;第二項(xiàng)為時(shí)標(biāo)的相對(duì)誤差；第三項(xiàng)為觸發(fā)誤差，其中 R 為被測(cè)信號(hào)由公式 R=20 計(jì)算 (單位為 。要降低觸發(fā)誤差就必須增大信噪比 R，并采用多周期測(cè)量，還被測(cè)閘 門信號(hào) 高頻基準(zhǔn)信號(hào) 實(shí)際檢出已知信號(hào) 6 可以在整形電路中采用具有滯回特性電路來(lái)減小噪聲的影響。 在倍率 0 固定時(shí)，與測(cè)頻率相反，測(cè)量周期的誤差隨被測(cè) 信號(hào)的頻率升高而增大，此外由于有限的信噪比，使觸發(fā)誤差成為影響測(cè)量周期準(zhǔn)確度的主要因素。采用多周期測(cè)量可以有效的降低觸發(fā)誤差的影響。 周期同步等精度測(cè)量的原理 無(wú)論是直接 測(cè)頻法還是測(cè)周期法，都無(wú)法保證閘門信號(hào)和另一信號(hào)的首尾實(shí)現(xiàn)同步，這就難以保證獲得較高的測(cè)量精度，其誤差在一個(gè)脈沖之內(nèi)。由此，當(dāng)引入多周期同步等精度測(cè)量法時(shí)，可以較好的解決這個(gè)問(wèn)題。 多周期同步等精度測(cè)量法的原理是：電路需引入一個(gè)比被測(cè)信號(hào)頻率高若干倍的內(nèi)部時(shí)基信號(hào)，測(cè)量結(jié)果的誤差范圍便在這一個(gè)時(shí)基信號(hào)范圍內(nèi)。首先由相應(yīng)的控 制電路給出閘門開(kāi)啟信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開(kāi)始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才真正開(kāi)始 計(jì)數(shù)。然后，兩組計(jì)數(shù)器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和時(shí)基信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)控制電路給出閘門關(guān)閉信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才真正停止計(jì)數(shù)。圖 A、 內(nèi)分別對(duì)數(shù)器 f T，計(jì)數(shù)器 f T。由于 ，則被測(cè)頻率 (2式 (2，為時(shí)鐘的周期。圖 同步電路（ 作用在于使計(jì)數(shù)閘門信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)門，并且開(kāi)門時(shí)間 式 (2 (2的計(jì)數(shù)1量化誤差。計(jì)數(shù)器由于，所以1 量化誤差的相對(duì)值（ 1/小，且該誤差與被測(cè)頻率此在整個(gè)測(cè)頻范圍內(nèi)，多周期同步等精度測(cè)量法能夠?qū)崿F(xiàn)等精度的測(cè)量。該測(cè)試方法需要的除法功能運(yùn)算，對(duì)于使用微處理器的儀器來(lái)說(shuō)，是不難實(shí)現(xiàn)的。 考慮計(jì)數(shù)值1量化誤差 、時(shí)鐘據(jù)式 (2式 (2以推導(dǎo)出倒數(shù)計(jì)數(shù)器的測(cè)頻、測(cè)周期誤差的計(jì)算公式： / 2 00 ( 1 0 ) T f k (2上式中 R=20 X 被測(cè)信號(hào)k 為多周期倍率。與式（ 2（ 2比較 ，式 (2沒(méi)有對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)引起的 1 量化誤差，只有 周期的 1 計(jì)數(shù)誤差 ，而且與被測(cè)量信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，即在整個(gè)測(cè)量頻 7 段上是等精度的。這時(shí)多周期同步等精度測(cè)量法的測(cè)頻、測(cè)周期的精度在整個(gè)測(cè)量頻段上均可達(dá)到 710 量級(jí)。 其原理框圖和時(shí)序圖如圖 示。 （a）多周期同步等精度測(cè)量法原理框 9 （ b）多周期同步等精度測(cè)量法時(shí)序圖 圖 a）多周期同步等精度測(cè)量法原理框圖 ; (b) 多周期同步等精度測(cè)量法時(shí)序圖 驗(yàn)方案的確定 量方法的確定 經(jīng)過(guò) 對(duì)頻率測(cè)量和周期測(cè)量方法的分析，得知 直接測(cè)量法不可能滿足該任務(wù)所要求的測(cè)量精度，只要采用 多周期同步等精度測(cè)量法 就 可以 直接讀出被測(cè)信號(hào)的周期值或者頻率值，在中界頻率附近能達(dá)到較高的測(cè)量精度。基于以上討論，決定選用多周期同步測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn)該數(shù)字頻率計(jì)。 率測(cè)量模塊的方法 頻率測(cè)量模塊我們選擇 等精度測(cè)頻法 ， 其實(shí)現(xiàn)方式可用圖 說(shuō)明。 圖 精度測(cè)頻 原理圖當(dāng)方波預(yù)置門控信號(hào)由底變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，經(jīng)整形后的別測(cè)信號(hào)上升沿啟動(dòng) D 觸發(fā) 9 器，由 D 觸發(fā)器的 R 段同時(shí)啟動(dòng)可控計(jì)數(shù)器 時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)預(yù)置門為低電平時(shí)，隨后而至的被測(cè)信號(hào)使可控計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉。設(shè) 在一次預(yù)置門高電平脈寬時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為 準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)值 有： X 期測(cè)量模塊的方法 周期測(cè)量與 頻率 測(cè)量完全相同，只是在進(jìn)行計(jì)算時(shí)公式不同，用周期 精度頻率測(cè)量公式中的頻率因數(shù)即可 。 計(jì)算公式為 (2式中，N、 (1 2)式中的 沖寬度測(cè)量模塊的方 法 在進(jìn)行脈沖寬度測(cè)量時(shí)，首先經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，限制只有信號(hào)的 50%幅度及其以上部分才能輸入數(shù)字測(cè)量部分。脈沖邊沿被處理得非常陡峭，然后送入測(cè)量計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量。 測(cè)量電路在檢測(cè)到脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)打開(kāi)計(jì)數(shù)器，在下降沿是關(guān)閉計(jì)數(shù)器，設(shè)脈沖寬度為 算公式為： x/ 期脈沖信號(hào)占空比測(cè)量模塊 測(cè)一個(gè)脈沖信號(hào)的脈寬，記其值為 號(hào)反相后 ,再測(cè)一次脈寬并記錄其值 過(guò) 以下公式汁算： 占空比 T 100% (2統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)要求，我們可將整個(gè)電路系統(tǒng)劃分為幾個(gè)基本模塊，組成模塊框圖如圖 示。 10 圖 率計(jì)組成模塊框圖 其主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成： (1) 信號(hào)整形電路。用于對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以便作為 輸入信號(hào)。 (2) 測(cè)頻電路。是測(cè)頻的核心電路模塊，由 件擔(dān)任。 (3) 單片機(jī)電路模塊。用于控制 測(cè)頻操作和讀取測(cè)頻數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。 (4) 50標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)源。本 模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器，產(chǎn)生 50標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)直接進(jìn)入 (5) 鍵盤模塊?？梢杂?5個(gè)鍵執(zhí)行測(cè)試控制，一個(gè)是復(fù)位鍵，其余是命令鍵。 (6) 數(shù)碼顯示模塊?？梢杂?7個(gè)數(shù)碼管顯示測(cè)試結(jié)果，最高可表示百萬(wàn)分之一的精度。 壓電源 電路 本項(xiàng)設(shè)計(jì)要求的電源均為 5V 的直流穩(wěn)壓電源。 7905 空載時(shí)測(cè)量輸出在 6V 左右加上負(fù)載，輸出正常。 7805 驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 1A，運(yùn)行時(shí)電流 200 3007805 溫度有 50 度左右。 頻率計(jì) 穩(wěn)壓電源電路圖如圖 示。 14 圖 率計(jì) 穩(wěn)壓電源電路 號(hào)放大整形電路 信號(hào)放大整形電路包括放大級(jí)和整形級(jí)兩部分。 放大級(jí)的設(shè)計(jì)主要考慮增益和帶寬的指標(biāo)。因?yàn)楹竺娴恼渭?jí)采用了電壓比較器，所以放大級(jí)的增益應(yīng)根據(jù)頻率計(jì)指標(biāo)提出的最小輸入信號(hào)幅度（ 電壓比較器所要求的輸入電壓的最小壓擺率來(lái)決定。 在本通道中，電壓比較器整形級(jí)是設(shè)計(jì)過(guò)零觸發(fā)方式的，因此必須對(duì)輸入信號(hào)過(guò)零處的壓擺率予以審查。，從輸入級(jí)到第二放大級(jí)其帶寬大于 10指標(biāo)要求完全可以達(dá)到的。 因?yàn)槟M通道部分所用的器件都是帶寬高速器件，為了防 止寄生振蕩，在每個(gè)器件的電源引腳附近到地之間均需要加上去耦電容，每組去耦電容由兩種電容并聯(lián)起來(lái)，以取得良好的寬頻帶寬去耦效果。其中容量小的（ ）用陶瓷電容，對(duì)高頻分量有良好的去耦作用；容量大的（ ）用鉭電解電容，對(duì)低頻分量有良好的去耦作用。 整形級(jí)選用輸出為 平的高速集成雙壓比較器 構(gòu)成，它比 路有觸發(fā)靈敏度高、因而可降低放大級(jí)增益的優(yōu)點(diǎn)；上面已討論過(guò)，根據(jù)手冊(cè)提示，使用高速電壓比較器時(shí)必須保證輸入信號(hào)的壓擺率大于手冊(cè)上所給的最小容許值，以免在比較器輸出信號(hào)的前后沿部 位產(chǎn)生振蕩。此外電源引腳附近也需要加接良好的去耦電容，布線短，數(shù)字電源和模擬電源的接地要分開(kāi)，以免比較器輸出端的數(shù)字信號(hào)干擾模擬電路部分的工作。 為了防止輸入信號(hào)過(guò)大而損壞后面的元器件，在輸入端加上由一個(gè) 470 電阻和兩個(gè)二極管組成的限幅保護(hù)電路。限幅二極管應(yīng)選用結(jié)電容小，開(kāi)關(guān)時(shí)間短，容許的正向電流大且正向壓降小的管子， 2關(guān)二極管是符合上述要求的一種。有時(shí)被測(cè)信號(hào) 11 中含有較高的直流分量，為了保證通道放大器正常工作，輸入信號(hào)應(yīng)通過(guò)隔直流電容耦合到輸 入級(jí)的輸入端，為此還要加上交、直流耦合切換開(kāi)關(guān) 圖 號(hào)放大整形電路 片機(jī)控制電路 對(duì)單片機(jī)這部分的主要指標(biāo)考慮如下：由 +5V 電源供電， I/O 口與 平兼容，并有足夠數(shù)目的 I/O 口；要有豐富的四則算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令，指令執(zhí)行速度要快；片內(nèi)除 還要有 至少有兩個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；有外部中斷輸入引腳；具有串行通信口；價(jià)格要低廉。 根據(jù)以上條件，查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn) 8位單片機(jī) 指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足要求。 而對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，能選 擇的 限，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的情況選用了 由于等精度數(shù)字頻率計(jì)涉及到的計(jì)算包括加、減、乘、除，耗用的資源比較大。因此，我們選擇單片機(jī)和 結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)控制電路如圖 示，其中單片機(jī)完成整個(gè)測(cè)量電路的測(cè)試控制、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出； 成各種測(cè)試功能；鍵盤信號(hào)由 89片機(jī)進(jìn)行處理，它從 回計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，然后向顯示電路輸出測(cè)量結(jié)果。 等精度數(shù)字頻率計(jì)電路系統(tǒng) 原理框圖如圖 示。 系統(tǒng)的基本工作方式如下： (1) 是單片機(jī)與 數(shù)據(jù)傳送通信口 ,為雙向控制口。 利用鍵盤顯示管理芯片 為數(shù)碼管顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)的 設(shè)置 5 個(gè)功能鍵：占空比、脈寬、周期、頻率、自檢，進(jìn)行各測(cè)試功能的轉(zhuǎn)換。 (2) 7 個(gè) 碼管組成測(cè)量數(shù)據(jù)顯示器，另一個(gè)獨(dú)立的數(shù)碼管用于狀態(tài)顯示。 12 (3) 測(cè)頻標(biāo)準(zhǔn)頻率 50號(hào)輸入端，由晶體振蕩源電路提供。 (4) 被測(cè)信號(hào)輸入，此待測(cè)信號(hào)是經(jīng)放大整形后輸入 。 圖 等精度數(shù)字頻率計(jì)電路系統(tǒng)原理框圖 準(zhǔn)頻率信號(hào)源 本設(shè)計(jì)采 用 50頻標(biāo) )供數(shù)字測(cè) 量 電路使用。 由公式 (2其討論可知，多周期同步等精度測(cè)量法所達(dá)到的測(cè)量精度和系統(tǒng)時(shí)鐘源的精度量級(jí)相近。 晶體振蕩器采用恒溫晶振，穩(wěn)定度 可以達(dá)到 為： 107 24 小時(shí)。碼管顯示模塊 從實(shí)驗(yàn)條件等實(shí)際出發(fā)考慮，數(shù)碼管顯示模塊采用了 一片具有串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8位共陰式數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)芯片，同時(shí)還可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成 示的全部功能。 有 14 的特點(diǎn)和豐富的指令系統(tǒng)，使 得由其組成的 示和鍵盤電路具有外圍電路簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，使用方便，可靠性高，與 口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是 示和鍵盤電路的首選器件。 單片機(jī)的連接如下圖 示。 圖 單片機(jī)的連接 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)用 等精度測(cè)頻的 方法，預(yù)置門時(shí)間為 1s，在 標(biāo)準(zhǔn) 頻率信號(hào)為 50情況下，可以算出測(cè)量精度為電路中采用了 8 位 示器 個(gè) 碼管組成測(cè)量數(shù)據(jù)顯示器，另一個(gè)獨(dú)立的數(shù)碼管用于狀態(tài)顯示。當(dāng)測(cè)頻率時(shí)，有顯示指示，為了保證頻率計(jì)有足夠的顯示時(shí)間，并且在打開(kāi)門控信號(hào) 之前，要先清零，以使測(cè)量數(shù)字計(jì)數(shù)器每次從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。 15 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)包括頻率計(jì)的測(cè)頻模塊和利用對(duì)單片機(jī)的編程 。 單片機(jī)的編程又由三部分構(gòu)成：對(duì) 數(shù)據(jù)讀取及控制信號(hào)輸出，鍵盤電路的掃描以及數(shù)碼管顯示輸出。 頻專用模塊的設(shè)計(jì) 利用 計(jì)的測(cè)頻模塊主邏輯結(jié)構(gòu)如圖 示 ， 8 圖 精度頻率計(jì) 主邏輯結(jié)構(gòu)圖 圖 ，預(yù)置門控信號(hào) 由單片機(jī)發(fā)出，可以證明，在 1秒至 間選擇的范圍內(nèi)， 時(shí)間寬度對(duì)測(cè)頻精度幾乎沒(méi)有影響，在此設(shè)其寬度為 2 位高速計(jì)數(shù)器， 別是他們的允許信號(hào)端，高電平有效。標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)從 時(shí)鐘輸入端 入，設(shè)其頻率為 整形后的被測(cè)信號(hào)從與 似的 32 位計(jì)數(shù)器 入，設(shè)其真實(shí)頻率值為測(cè)量頻率為頻原理說(shuō)明如下： 測(cè)頻開(kāi)始前，首先發(fā)出一個(gè)清零信號(hào) 兩個(gè)計(jì)數(shù)器和 D 的觸發(fā)器置零， 同時(shí)通過(guò)信號(hào) 止兩個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。這是一個(gè)初始化的操作。然后由單片機(jī)發(fā)出允許測(cè)頻命令，即令預(yù)置門控信號(hào) 高電平，這時(shí) 端才被置 1（即令 高電平），與此同時(shí)，將同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 入計(jì)數(shù)允許周期。在此期間， 別對(duì)被測(cè)信號(hào)（頻率為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)（頻率為 時(shí)計(jì) 數(shù)。當(dāng) 后，預(yù)置門信號(hào)被單片機(jī)置為低電平，但此時(shí) 16 兩個(gè)計(jì)數(shù)器并沒(méi)有停止計(jì)數(shù)，一直等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，才通過(guò) 被測(cè)頻率值為準(zhǔn)頻率值為 在一次預(yù)置門時(shí)間 對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)值為 下式成立 : N (3不難得到測(cè)得的頻率為 : S (3最后通過(guò)控制 擇信號(hào)和 64位至 8位的多路選擇器 計(jì)數(shù)器 2 位數(shù)據(jù)按照 .編碼次序，分 8次依次讀入單片機(jī)，并按照各個(gè)模塊的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算和顯示。 率計(jì) 分的 序 根據(jù)圖 主邏輯結(jié)構(gòu)圖和 圖 測(cè)控時(shí)序，以及測(cè)頻原理，可以寫出相應(yīng)的能描述。相應(yīng)的 路圖如圖 頻率計(jì) 分的 序設(shè)計(jì)如下： 計(jì)部分 S N 50N N N 高電平時(shí)， 預(yù)置門控信號(hào)，用于測(cè)頻計(jì)數(shù) 低電平時(shí)， 測(cè)脈寬控制信號(hào) 電平時(shí)測(cè)高電平脈寬而當(dāng) 低電平時(shí)，測(cè)低電平脈寬 N N ); ); 17 F S 1 ); 1 ); A, 1, S: 1 ); 0); 1 F 1 0); 1 1 = 1; F; 18 F; 1 = 0; 1 = F; (L) R ; A ; 1 ; F 1 1 = 0; 1 1 = 1; F; 1 2 = 0; 1 2 = 1; F; 1 3 = 0; 1 3 = 1; F; 1 S=10 S=“ 10”時(shí)， 電平，允許標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) 0 ; 1 S=11 低電平時(shí)，表示正在計(jì)數(shù)，由低電平變到高電平 0; 示計(jì)數(shù)結(jié)束，可以從標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器中讀數(shù)據(jù)了 19 1 1時(shí)，測(cè)頻率 0 0 時(shí)，測(cè)脈寬和占空 比 利用 計(jì)的測(cè)頻模塊其中有關(guān)的接口信號(hào)規(guī)定如下： 1、 準(zhǔn)頻率輸入信號(hào)， 50 2、 測(cè)頻率輸入信號(hào)， 10高可以為 50 3、 局清 0和初始化輸入，高電平有效，由單片機(jī)向 出。 4、 置門控制輸入，時(shí)間為 1s，高電平有效，由單片機(jī)向 出。 5、 電平測(cè)頻率，低電平測(cè)脈寬，由單片機(jī)向 出。 6、 信號(hào)由單片機(jī)讀取。在測(cè)頻時(shí)，高電平時(shí)表示進(jìn)入計(jì)數(shù) 周期，低電平時(shí)表示計(jì)數(shù)結(jié)束，單片計(jì)可以讀取 的計(jì)數(shù)。 7、 測(cè)脈寬期間（ 0），由低電平變?yōu)楦唠娖?，表示脈寬計(jì)數(shù)結(jié)束，號(hào)由單片機(jī)讀取。 8、 數(shù)數(shù)據(jù)輸出， 8位，由單片機(jī)根據(jù) 擇信號(hào)分別讀取。 9、 數(shù)數(shù)據(jù)讀出控制， 3 位，由單片機(jī)輸出控制。 當(dāng) 別等于：“ 000”、“ 001”、“ 010”、“ 011”；可由 別讀出： .15. 23. 31. 32 位。 當(dāng) 別等于：“ 100” 、“ 101”、“ 110”、“ 111”；可由 別讀出： .15. 23. 31. 32 位。 率計(jì) 分的仿真 圖 圖 別是頻率測(cè)試仿真波形和脈寬測(cè)試仿真波形。 從圖 以看出， 1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行等精度測(cè)頻。這時(shí)， 個(gè)正脈沖后，系統(tǒng)被初始化。然后 置為高電平，但這時(shí)兩個(gè)計(jì)數(shù)器并未開(kāi)始計(jì)數(shù) (0)，直到此后被測(cè)信號(hào) 現(xiàn)一個(gè)上升沿， 1 時(shí) 2個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)啟動(dòng)分別對(duì)被測(cè)信號(hào)和 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)開(kāi)始計(jì)數(shù)，其中 別為標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)器和被測(cè)頻率計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。由圖可見(jiàn)，在 為低電平后，計(jì)數(shù)仍未停止，直到 現(xiàn)一個(gè)上升沿為止，這時(shí) 0，可作為單片機(jī)了解計(jì)數(shù)結(jié)束的標(biāo)志信號(hào)。 仿真波形中 周期分別設(shè)置為 10 s 和 500圖可見(jiàn)，計(jì)數(shù)結(jié)果是，對(duì) 計(jì)數(shù)值是 5，對(duì) 計(jì)數(shù)值是 64(十六進(jìn)制 )。通過(guò)控制 能按照 20 8個(gè) 8位將兩個(gè)計(jì)數(shù)器中的 32位數(shù)讀入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算。從圖中的波形可以看出， 圖 率 /周期測(cè)量仿真圖 圖 寬 /占空比測(cè)量仿真圖 圖 ，取 0時(shí)，則系統(tǒng)進(jìn)行脈寬測(cè)試。為了便于觀察，圖中仿真波形中的 5 00 以分析， 功能都發(fā)生了變化，前者為 1時(shí)測(cè)信號(hào)高電平的脈寬，為 0時(shí)測(cè)低電平的脈寬；而后者 為 1 時(shí)作系統(tǒng)初始化，由 1 變?yōu)?0 后啟動(dòng)電路系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)器 備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。而允許計(jì)數(shù)的條件是此后出現(xiàn)的第一個(gè)脈寬的寬度。由圖 見(jiàn)，當(dāng) 1 ， 高電平脈沖到來(lái)時(shí)，即啟動(dòng)了 行計(jì)數(shù)，而在 低電平到來(lái)時(shí)停止計(jì)數(shù)，狀態(tài)信號(hào) 由低電平變?yōu)楦唠娖剑?21 告訴單片機(jī)計(jì)數(shù)結(jié)束。計(jì)數(shù)值可以通過(guò) 出，這里是 4 由此不難算出， 變 0 ，又能測(cè)出 低電平脈寬，從而可以獲得 周期和占空比。 片機(jī)控制與運(yùn)算程序的設(shè)計(jì) 完成 件語(yǔ)言編程，系統(tǒng)內(nèi) 片中的邏輯資源尚缺一點(diǎn)即可大功告成，系統(tǒng)需要單片機(jī)為它實(shí)現(xiàn)控制 ，運(yùn)算，顯示等功能。所以，采用 89片機(jī)控制模塊對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理并顯示。 與單片機(jī)可以按照如下方式接口： (1) 單片機(jī)的 接八位數(shù)據(jù) .負(fù)責(zé)讀取測(cè)頻數(shù)據(jù)。 (2) 單片機(jī)可以通過(guò)信號(hào) 指示計(jì)數(shù)是否結(jié)束，以確定何時(shí)可以讀取數(shù)據(jù)。 (3) .接，用于控制多路通道的數(shù)據(jù)選擇。當(dāng) 000”、“ 001”、“ 010”、“ 011”時(shí)，由低八位到高八位讀出標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)值；當(dāng)別為“ 100”、“ 101”、“ 110”、“ 111”；由低八位到高八位讀出待測(cè)頻率計(jì)數(shù)值。 (4) 能基本相同，當(dāng)其由低電平變到高電平使指示脈沖寬度計(jì)數(shù)結(jié)束。 (5) 別接控制信號(hào) 同控制測(cè)試操作。即當(dāng)為 1時(shí)， 時(shí)， 為 1，測(cè) 高電平脈寬，而當(dāng) 0，則測(cè) 低電平脈寬。然后分別從 據(jù)口讀出 標(biāo)準(zhǔn)頻率的計(jì)數(shù)，即只需令 取值分別為 “ 000”、 “ 001”、 “ 010”、 “ 011” 即可。 (6) 清零信號(hào)