简易数字频率计毕业论文.docx
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简易数字频率计毕业论文
学生毕业论文（设计）
题 目
简易数字频率计
姓 名
曾志刚学号2012540330130
系部
电子与信息工程系
专 业
电子信息工程技术
指导教师
刘刚职称讲师
2014年11月28日
长沙师范学院教务处制
长沙师范学院毕业论文（设计）
诚信承诺书
本人慎重承诺：
我所撰写的论文（设计）《简易数字频率计的设计》是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。
如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。
毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。
学生（签名）：
年月日
附件6：
长沙师范学院学生毕业论文（设计）开题报告
毕业论文（设计）题目
简易数字频率计
题目类型
综合
题目来源
指导教师拟定
院（系）
电子与信息工程系
专业
电子信息工程技术
指导教师
刘刚
职称
讲师
姓名
曾志刚
年级
2012级
学号
2012540330130
一、立题依据（国内外研究进展或选题背景、研究意义等）
数字频率计是近代电子技术领域的重要测量工具之一，同时也是其他许多领域广泛应用的测量仪器。
它是一种基本的测量仪器，是用数字显示被测信号频率的仪器，由于其测量速度、精确度高，显示直观，如果配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，因此，它被广泛应用于航天、电子、测控等领域。
随着电子技术的快速发展，它将被更广泛的应用到各个领域中去。
二、研究的主要内容及预期目标
预期目标：
成功地实现数字频率计的设计，使其具有体积小、成本低、低功耗、精度高等优点，适用于各种测量电路。
同时使误差率降到最小。
三、研究方案（思路）
四、论文进度安排
（1）2013年9月-2013年10月领题、审题、搜集资料，查阅文献，完成开题报告。
（2）2013年10月中旬完成论文初稿，总体方案的拟定。
（3）2013年10月末完成论文的终稿，LED点阵电子显示屏的编程和设计
（4）2013年11月初后期调试和测试
（5）2013年11月中旬总结毕业设计的整个过程，完成毕业设计论文。
五、主要参考文献
[1]张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计［M].哈尔滨工业大学出版社，2003.
[2]刘坤.51单片机C语言应用开发技术大全［M］.人民邮电出版社，2008.09.
[3]陈国平，MC-51系列单片机系统原理与设计［M］.冶金工业出版社，2003.03.
[4]刘征宇.电子电路设计与制作.福建科学技术出版社,2003.09.
[5]张振荣 《MCS-51单片机原理及实用技术》人民邮电出版社2000
[6]马忠梅等 《单片机的C语言应用程序设计》北京航天大学出版社
[7]陈润泰《检测技术与智能仪表》中南大学出版社2005年
[8]李朝青主编《单片机原理与接口技术》北京:
航空航天大学出版社,2000
[9]周继明,江世明主编.《传感技术与应用》长沙:
中南大学出版社,2005
[10]李光飞，楼苗然主编《51系列单片机》北京航空航天大学出版社，2003
[11]黄正瑾编著《CPLD系统设计技术入门与应用》北京:
电子工业出版社,2002
[12]谢自美编著《电子线路设计·实验·测试》华中理工大学出版社,2002
[13]陈永甫编著《电子电路智能化设计.实例与应用》北京：
电子工业出版,2002.8
[14]康华光主编《电子技术》基础（第四版）.北京：
高等教育出版社，1999
[15]马忠梅等《单片机的C语言应用程序设计》北京航天大学出版社
六、指导教师意见
指导教师签名：
年月日
七、系部审核意见
负责人签名（系部公章）：
年月日
注：
1.题目类型：
理论、实验、应用、综合；
2.题目来源：
指导教师拟定、自选、其它；
3.此表可打印。
附件7：
长沙师范学院学生毕业论文（设计）中期检查表
毕业论文（设计）题目：
建议数字频率计
学生姓名
曾志刚
学号
2012540330130
院系
电子与信息工程系
指导教师
刘刚
教师职称
讲师
专业
电子信息工程技术
计划完成时间：
2014年11月20号
已完成的工作
领题、审题、搜集资料，查阅文献，完成开题报告；
完成论文初稿，总体方案的拟定；
硬件的整体框图及电路原理图，并画写出了一些主要程序模块的程序流程图
未完成的工作
写出系统软件代码；
后期调试和测试；
毕业答辩
学生签名：
年月日
指导教师评议（指出优点和不足）
指导教师签名：
年月日
系部意见
负责人签字：
年月日
附件8：
长沙师范学院学生毕业论文（设计）评分表
系部
电子与信息工程系
专业
电子信息工程技术
学号
2012540330130
姓名
曾志刚
论文题目
简易数字频率计
评分人
评 价 内 容
满分
得分
指
导
教
师
1.对待毕业论文（设计）的态度
15
2.观察、收集、整理、查阅资料及运用水平
25
3.独立工作能力、动手能力和分析解决问题的能力
30
4.论文的创新性与写作质量
30
合计
100
是否同意答辩：
指导教师签字：
年月日
评分人
评 价 内 容
满分
得分
评
阅
教
师
1.论文选题的价值与合理性
15
2.论文的难度、工作量大小和创新性
30
3.论证过程的合理性与结果的正确性
25
4.文字表达水平、文章的逻辑性与写作规范
30
合计
100
是否同意答辩：
评阅教师签字：
年月日
评分人
评 价 内 容
满分
得分
答
辩
小
组
1.内容的科学性、创新性或应用性
35
2.论文写作水平及知识掌握程度
25
3.语言表达能力、逻辑思维能力、回答问题的正确性
40
合计
100
答辩是否通过：
答辩小组组长签字：
年月日
评定成绩
指导教师评定成绩（40%）
论文评阅成绩（30%）
论文答辩成绩（30%）
总成绩
论文等级
系部毕业论文领导小组负责人签字（系部公章）：
年月日
注：
论文等级与百分制的对应关系：
优秀（90-100），良好（80-89），中等（70-79），及格（60-69），不及格（60分以下）。
学生毕业论文（设计）鉴定表
题 目
简易数字频率计
姓 名
曾志刚学号2012540330130
系部
电子与信息工程系
专 业
电子信息工程技术
指导教师
刘刚职称讲师
2014年11月28日
长沙师范学院教务处制
中文摘要：
英文摘要：
指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
论文等级：
系部负责人（签章）：
年月日
系部审核意见：
系部公章：
年月日
填写说明
1.用蓝色或黑色墨水的钢笔（或签字笔）填写，书写要清晰、工整、规范，不得打印。
2.此表一式两份。
一份装入学生档案；一份按此表、开题报告、中期检查表、成绩评定表、论文正文的顺序装订成册，留院（系）存档。
3.
附件10：
长沙师范学院毕业论文（设计）工作总结表
答辩学生总人数
未能如期答辩学生人数
成绩分布
等级
优秀
良好
中等
及格
不及格
人数
比例
在毕业论文（设计）工作过程中执行学校规定和要求的情况：
结合系部特点制定的具体措施及执行效果：
存在的问题及今后的措施：
系主任签字（公章）：
年月日
摘要
频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。
其最基本的工作原理为：
当被测信号在特定时间段T内的周期个数时，则被测信号的频率f=N/T。
频率计主要由四个部分构成：
时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。
在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。
主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。
在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。
频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。
正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。
关键词：
周期；频率；数码管，锁存器，计数器，中规模电路，定时器
Abstract
Frequencymaterisalsocalledfrequencycounter,isaspecialsurveyonthemeasuredsignalfrequencyelectronicmeasuringinstrument.Thebasicworkingprincipleis:
whenthenumberofcyclesofameasuredsignalinaspecificperiodoftimeintheT,thefrequencyoff=N/Tisthetestsignal.
频率计主要由四个部分构成：
时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。
在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。
主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。
在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。
Frequencymetermainlyconsistsoffourparts:
base（T）circuit,inputcircuit,acountingdisplaycircuitandacontrolcircuit.Inameasurementcycleprocess,themeasuredcyclesignalintheinputcircuitamplified,aftershaping,formingnarrowpulsedifferentialoperationofthespecificperiod,aninputtothemaingate.Anotherinputendofthemaindoorforatimebasecircuitcircuitgeneratesthepulsegate.Duringthegatepulsetoopenthemaingate,narrowpulsecanthroughthemaindoorsofthespecificperiod,toenterthecounterforcounting,isusedtodisplaythemeasuredsignalfrequencyvaluedisplaycircuitcounter,theinternalcontrolcircuitisusedtocompletetheswitchbetweenvariousmeasurementfunctionandRealizationofthemeasurementset.
在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。
频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。
正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。
Inthetraditionalelectronicmeasuringinstrument,oscilloscopeinfrequencymeasurementoflowmeasuringprecision,largeerror.Thespectrumanalyzercanmeasurefrequencyaccuratelyandshowthespectrumofthemeasuredsignal,butthemeasuringspeedisslow,unabletotrackthereal-timefasttocapturechangesinthemeasuredfrequencysignal.Itispreciselybecausethefrequencymetercanquicklyandaccuratelycapturethemeasuredsignalfrequencychanges,therefore,frequencymeterhasaverywiderangeofapplications.
Keywords:
Cycle;frequency;digitaltube,latch,counter,mediumscalecircuit,timer
引言
频率计的应用范围很广，它不仅应用于一般的简单仪器测量，而且还广泛应用于教学、科研、高精度仪器的测量、工业控制等其它领域。
目前市场上的频率计产品很多，但基本上都是采用专用计数芯片如（ICM7240，ICM7216）和数字逻辑电路组成，由于这些芯片本身的工作频率不高（如ICM7240仅有15MHZ左右），从而限制了产品工作频率的提高，远不能满足在一些特殊的场合需要测量很高的频率要求，而且测量精度也受到芯片本身极大的限制。
从80年代单片机引入我国至今，单片机已广泛地应用于电子设计中，使频率计智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃，数字化也成为了电子设计的必由之路。
运用51系列单片机和中规模的数字电路组合设计频率计，并采用适当的算法取代传统电路，不仅能克服传统频率计结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端，而且频率计性能也将大幅提高，可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。
有一个值得研究的问题就是要实现一个宽频域、高精度的数字频率计，一种有效的方法是：
在高频段直接采用测频率法，低频段采用测周法。
传统的数字频率计本身无计算能力因而难以使用测周期法，而用AT89S51单片机构成的数字频率计却很容易做到这一点。
随着单片机技术的不断发展，单片机能实现更加灵活的逻辑控制功能，具有很强的数据处理能力，可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率。
在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥学习与实践的结合。
第一章绪论
1.1课题背景
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。
频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。
如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。
1.2课题研究的目的和意义
单片机数字频率计以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化，传统仪器面板上的开关和旋钮被键盘所代替，测试人员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪器通常能自动选择量程，自动校准。
有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度。
1.3数字频率计设计的任务与要求
单片机控制的数字频率计
1.测频范围：
10Hz~10KHz。
为保证测量精度分三个频段
10Hz~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz，有超量程指示。
2.输入波形：
函数信号发生器输出方波，矩形波，幅度为5V，能产生所需频率的脉冲信号。
3.测量误差：
≤1
第二章设计方案
2.1本课题的特点
1.1.1对测量的精度要求很高，且测量速度尽量要快
1.1.2采用等精度算法，控制逻辑较复杂，对软件设计要求较高
1.1.3信号易受干扰，电路设计时，应充分考虑抗干扰措施
针对题目要求可将设计分为数据采集与处理模块，控制与运算模块，键盘和显示模块几部分。
其中数据采集与处理模块完成对信号的整流、放大和采集；控制与运算模块实现对采集数据的运算和转换；键盘和显示模块则实现对以其功能的选择和测得数据的显示。
2.2实现方案比较与选择
针对控制电路设计的不同拟定了以下三种设计方案：
方案一：
采用功能较强、兼容性强、性价比高的AT89C51单片机作为控制核心，门控信号由单片机内部的计数定时器产生。
由于单片机的计数频率上限较低（33MHz晶振时约为1.375MHz），所以要利用中小规模集成电路对高频信号进行硬件预分频处理，AT89C51主要完成运算、控制及显示功能。
该方案的特点是灵活性强、硬件电路大大简化、抗干扰能力强、测量精度高、调试维护简单。
方案二：
采用频率/电压转换方式进行测量，将被测信号经F/V转换后，再经A/D模数转换后进行数据处理。
该方案的特点是电路复杂、灵敏度差、测量范围较小、量化误差大、部分功能不易实现性价比低。
方案三：
系统测频部分采用中小规模数字集成电路，用机械式功能转换开关换档，完成测频率、周期及脉宽等功能。
该方案的特点是中小规模集成电路的应用技术成熟，元件可靠性强，但由于对系统功能、精度要求较高，所以电路过于复杂，且人机交互不直观，用户的操控不容易实现
2.3方案确定
综合比较以上的几种实现方案，我们采用方案一，即使用单片机与中小集成电路相结合的方式。
2.4测频的原理
测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。
被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端[3]。
由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。
若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式：
图2.4说明了测频的原理及误差产生的原因。
时基信号
待测信号
丢失（少计一个脉冲）计到N个脉冲多余（比实际多出了0.x个脉冲）
图2.4测频原理
在图1中，假设时基信号为1KHZ，则用此法测得的待测信号为1KHZ×5=5KHZ。
但从图中可以看出，待测信号应该在5.5KHZ左右，误差约有0.5/5.5≈9.1%。
这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。
假设所测得的脉冲个数为N，则所测频率的误差最大为δ=1／（N-1）*100%。
显然，减小误差的方法，就是增大N。
本频率计要求测频误差在1‰以下，则N应大于1000。
通过计算，对1KHZ以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于10S，。
由此可以得出一个初步结论：
测频法适合于测高频信号。
频率计数器严格地按照
公式进行测频。
由于数字测量的离散性，被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的
量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为：
应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。
为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。
上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。
2.5总体思路
频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。
本文介绍了一种基于单片机AT89S52制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频，测量较低频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。
该频率计实现10HZ~10MHZ的频率测量,而且可以实现量程自动切换功能，四位共阳极动态显示测量结果，可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。
2.6具体模块
根据上述系统分析，频率计系统设计共包括四大模块：
单片机控制模块、电源模块、数码管控制模块及显示模块。
各模块作用如下：
1、单片机控制模块：
以AT89S52单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，分频和显示以及对分频比的控制。
利用其内部的定时／计数器完成待测信号周期／频率的测量。
单片机AT89S52内部具有2个16位定时／计数器，定时／计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。
（因为AT89C51所需外围元件少，扩展性强，测试准确度高。
）
2、电源模块：
为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。
3、数码管控制模块：
74HC595是移位寄存器芯片，并行输出端具有输出锁存功能。
与单片机连接简单方便，只须三个I/O口即可。
而且通过芯片的Q7引脚和SER引脚，可以级联。
4、显示模块：
显示电路采用四位共阳极数码管动态显示，为了加大数码管的亮度，使用4个PNP三极管进行驱动，便于观测。
综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、数码管控制、及显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图2.6所示。
图2.6频率计总体设计框图
第三章硬件系统设计
硬件电路主要分为信号输入电路、放大整形电路、分频电路、数据选择电路、
升级会员 