数字频率计有电路图.docx

数字频率计有电路图.docx

《数字频率计有电路图.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字频率计有电路图.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

数字频率计有电路图

湖南文理学院课程设计报告

课程名称：

单片机原理及应用课程设计

系部：

电气与信息工程学院

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

完成时间：

报告成绩：

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章引言1

1.1选题的目的意义1

第二章方案设计2

2.1方案比较2

2.2方案论证3

2.3方案选择3

第三章系统硬件设计4

3.1数字频率计的工作原理4

3.1.1一般数字式频率计的原理4

3.1.2基于单片机的数字频率计的原理4

3.2电路原理图及其主要硬件部分5

3.3放大整形电路5

3.4单片机介绍6

3.5复位电路9

3.6时钟电路9

第四章系统软件设计11

第五章系统仿真与调试13

设计总结14

致谢15

参考文献16

附录一数字频率计源程序17

附录二数字频率计电路图20

摘要

在电子领域内,频率是一种最基本的参数与其他许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的关系。

由于频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度。

因此,频率的测量就显得尤为重要，测频方法的研究越来越受到重视。

频率计作为测量仪器的一种，常称为电子计数器，它的基本功能是测量信号的频率和周期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、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展，使传统的电子侧量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代侧量仪器。

频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。

目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。

为适应实际工作的需要,本次设计给出了一种较小规模和单片机（AT89C52）相结合的频率计的设计方案,不但切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。

频率计的硬件电路是用Ptotues绘图软件绘制而成，软件部分的单片机控制程序，是以KeilC做为开发工具用汇编语言编写而成，而频率计的实现则是选用Ptotues仿真软件来进行模拟和测试。

关键词：

单片机；AT89C52；频率计；汇编语言

ABSTRACT

Intheelectronicfield,frequencyisakindofmostbasicparameter,andalltherearecloserelationsinthemeasurementschemesofmanyotherelectricparametersandresultofmeasuring.Becausethesignalanti-interferenceabilityoffrequencyisstrong,easytotransmit,canobtainhighermeasurementprecision.So,themeasurementoffrequencyseemsparticularlyimportant,theresearchofthemethodisbeingpaidattention

to.

TheFrequencymeter,asonekindofthemeasuringinstrument,oftencalledtheelectroniccounter,itsbasicfunctionisthatfrequencyandapplicationofcycleFrequencymeterofmeasuringthesignalareinaverylargerange,itnotonlyappliestogeneralsimpleinstrumentmeasurementbutalsoapplytootherfieldssuchasteaching,scientificresearch,high-accuracyinstrumentmeasuring,industrialcontrolextensively.Withtherapiddevelopmentofmicroelectrictechniqueandcomputertechnology,especiallyappearanceanddevelopmentoftheone-chipcomputer,theinstrumentshaveallchangedenormouslyinsuchaspectsasprinciple,function,precisionandautomaticleveltoenablethetraditionalelectronicsideamount,formakindofsideamountinstrumentofnewgenerationthattotallybrokethroughthetraditionalconcept.TheFrequencymeterhasadoptedthehigh-speedintegratedcircuitandlargescaleintegratedcircuitextensively,maketheinstrumentchangegreatlyinsuchaspectsasminiaturize,powerconsumptive,dependability.Atpresent,therearevariousdigitalFrequencymeterofmulti-function,highprecision,highfrequencyonthemarket,butthepriceishigh.

Inordertomeettheneedoftherealwork,designandprovideonethistimeThedesignplanofFrequencymetercombiningwithone-chipcomputer（AT89C52）onasmallscale,notonlyfeasible,andsmall,designsimply,withlowcosts,theprecisionishigh,canexaminethebandwidthfrequently,havereducedthedesigncostandrealizedcomplexitygreatly.ThehardwarecircuitoftheFrequencymeterisdrawingwithPtotuesmappingsoftware,theone-chipcomputercontrolprocedureofthesoftwarepart,regardedKeilCasthedevelopinginstrumenttowriteinAssemblyLanguage,buttherealizationoftheFrequencymeterwastoselecttocarryonimitatingandtestwithProtuesartificialsoftware.

KeyWords：

singlechipcomputer;AT89C52frequencymeter;AssemblyLanguage

第一章引言

1.1选题的目的意义

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。

其基本原理就是用闸门计数的方式测量脉冲个数。

频率是单位时间（1s）内信号发生周期变化的次数。

如果我们能在给定的1s时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。

数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。

频率测试是电子学中最基本的测量之一。

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。

它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。

它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。

在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。

随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。

数字频率计可用纯硬件实现法（可选的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成电路、专用集成电路、可编程逻辑器件等），也可用纯软件实现法（可选的平台有PC机、单片机、DSP器件等）；一般考虑用软硬件相结合的实现法，但是实现的频率精度可能没有纯硬件实现的精确高。

第二章方案设计

2.1方案比较

方案一：

本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。

其原理框图如图2.1所示：

图2.1方案一原理框图

方案二：

本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。

其原理框图如图2.2所示：

图2.2方案二原理框图

2.2方案论证

方案一：

本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。

利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。

编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。

方案二：

本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。

同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。

若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率Fx=NHz。

逻辑控制电路的作用有两个：

一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。

2.3方案选择

比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。

与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。

如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。

基于上述比较，所以选择了方案一。

第三章系统硬件设计

3.1数字频率计的工作原理

3.1.1一般数字式频率计的原理

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。

若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。

其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。

时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。

闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。

秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。

由于计数器计得的脉冲数N是在1s时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz。

3.1.2基于单片机的数字频率计的原理

单片机内部有两个定时/计数器T0和T1。

在测量过程中我们利用这两个定时/计数器，其中T0用作定时，T1来计数外来脉冲数。

单片机外接12MHZ的晶振，定时/计数器的最大定时时间是65.356ms，我们可以采用软件计数器来进行定时设计。

先用定时/计数器T0制作一个50ms的定时器，定时时间到后将软件计数器中值加一当软件计数器到20，就可以实现定时1s。

当定时结束时，定时/计数器T1计数的数送入显示电路，从显示电路中读出的总脉冲个数即是待测信号的频率值。

该频率计硬件较为简单，但需要注意的是单片机所测量的电平信号必须是直流TTL信号，所以在测量前必须把非TTL信号转化为TTL信号。

3.2电路原理图及其主要硬件部分

图3.1电路原理图

主要硬件电路有放大整形电路，分频电路，主控电路（单片机），显示电路四大部分。

3.3放大整形电路

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，而实际中需要测量的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可以进行计数的脉冲波。

通过放大整形电路将正弦输入信号fx整形成同频率方波fo,幅值过大的被测信号经过分压器分压送入后级放大器，以避免波形失真。

而小信号经过放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。

放大电路运用单运算放大器LM138，整形电路运用7414六反相器（施密特触发器）。

单运算放大器LM138与其它种类的通用型运放相比具有电压转换速率高、频带宽、输出动态范围大、较完善的保护电路等突出优点。

适合于在脉冲信号放大器、宽带放大器、中频放大器、宽频带信号发生器、快速A/D转换器。

其参数为：

输入失调电压4mV；

偏置电流：

150nA

增益带宽积：

15MHz

转换速率：

70V/uS

耗电流：

5mA

电源：

+/-20V

利用74LS14六反相器（施密特触发）可将三角波、正弦波等变成矩形波。

另外利用施密特触发器的脉冲波的整形可以获得较理想的矩形脉冲。

3.4单片机介绍

单片机AT89C52的管脚图如图

PDIP封装的AT89C52引脚图

AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

P0口

　　P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口

　　P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，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一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表.P1.0和P1.1的第二功能　　

引脚号

功能特性

P1.0

T2，时钟输出

P1.1

T2EX（定时/计数器2）

P2口

　　P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，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一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口

　　P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST

　　复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG

　　当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN

　　程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP

　　外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1

　　振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2

振荡器反相放大器的输出端。

特殊功能寄存器

在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE），SFR的地址空间映象如表2所示。

并非所有的地址都被定义，从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。

对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。

定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON（参见表3）T2MOD（参见表4），寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。

3.5复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行错误或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。

RST引脚是复位信号的输入端。

复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即两个机器周期）以上。

若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2μs才能完成复位操作。

产生复位信号的电路逻辑图如图2.3所示。

整个复位电路包括芯片内、外两部分。

外部电路产生的复位信号（RST）送斯密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对斯密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。

本系统采用的复位方式是手动复位，其电路图如图2.4所示，手动电平复位是通过使复位端经地电阻与VCC电源接通而实现的，通过选择适当的电阻、电容使其能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期[1]。

3.6时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。

单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作，电路应在唯一的时钟信号控制下，严格地按规定时序工作。

本设计中所采用的时钟电路图如图2.5所示。

利用的是单片机片内振荡器，晶振频率取12MHz，电容C8、C9均为30pF，从而可以保证振荡器电路的稳定性和快速性。

在设计电路板时，晶振和电容等应尽可能靠近芯片，以减少分布电容，保证振荡器振荡的稳定性[2]。

第四章系统软件设计

软件编程部分是设计的电路能否成功的关键。

因为单片机具有编程和自动运算的功能，所以产品中有很多的功能都是通过软件的形式实现的。

数字频率计的系统软件设计采用模块化设计方法。

整个系统由初始化模块、定时器中断服务模块、信号周期测量模和LED显示模块。

初始化模块主要是对进行初始定时器/计数器T0、T1和中断源的初始化。

定时器中断服务模块是本次设计的重点。

T0设置为定时器方式1，T1设置为计数器方式1；当待测信号到来，用单片机外部两个终端INT0和INT1来开始对定时计数器T0计时和T1计数。

本次设计单片机采用内部时钟方式，接12MHz的晶振，定时/计数器T0工作在定时状态下，最大定时时间为65.536ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒的定时功能。

对于频率的概念就是在一秒只数脉冲的个数，即为频率值。

所以T1工作在定时状态下，每定时1秒中到，就停止T1的计数，而从T1的计数单元中读取计数的数值，然后进行数据处理。

送到LED显示出来。

4.1软件流程图

第五章系统仿真与调试

利用仿真软件ISIS的强大的仿真功能可以有效地检验所设计的原理图是否在理论上正确合理。

选择适当的三极管和设置基极，发射极，集电极电阻可以得到适当的放大倍数对所测的信号进行有效的处理。

要选择适当的三极管，以免避免发生截止失真和饱和失真。

分别以正弦波，方波，三角波作为输入信号检测电路的整形效果。

利用仿真软件的示波器来观察整形