畢業(yè)設(shè)計----數(shù)字頻率計的設(shè)計

1、<p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　本章主要介紹了數(shù)字頻率計的概況，本設(shè)計的目的和意義，國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，專用和通用的數(shù)字頻率計的分類。另外，對用什么芯片來實現(xiàn)此設(shè)計做了論述。</p><p>　　1.1頻率計概述及其頻率計的應(yīng)用</p><p>　　頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域永恒的話題，電子技術(shù)領(lǐng)域離不開頻率

2、，一旦離開頻率，電子技術(shù)的發(fā)展是不可想象的。為了得到性能更好的電子系統(tǒng)，科研人員在不斷地研究著頻率，CPU就是用頻率的高低來評價其性能好壞，可見頻率在電子系統(tǒng)中的重要性。</p><p>　　1.1.1 頻率計的概況</p><p>　　頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內(nèi)的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率

3、f=N/T。電子計數(shù)器是一種基礎(chǔ)測量儀器，到目前為止已有30多年的發(fā)展史。早期，設(shè)計師們追求的目標主要是擴展測量范圍，再加上提高測量精度、穩(wěn)定度等，這些也是人們衡量電子計算器的技術(shù)水平，決定電子計數(shù)器價格高低的主要依據(jù)。目前這些基本技術(shù)日臻完善，成熟。應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)可以輕松地將電子計數(shù)器的測頻上限擴展到微波頻段。 </p><p>　　1.1.2數(shù)字頻率計的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　隨著

4、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對電子計數(shù)器也提出了新的要求。對于低檔產(chǎn)品要求使用操作方便，量程（足夠）寬，可靠性高，價格低。而對于中高檔產(chǎn)品， 則要求有高分辨率，高精度，高穩(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(jù)處理功能，統(tǒng)計分析功能，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(jīng)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(chǎn)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。</p>

5、;<p>　　由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)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(chǎn)品時，通常都是較復(fù)雜的信號，如含有復(fù)雜頻率成分、調(diào)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

6、、中頻放大器等。雖然所有的微波計數(shù)器都是用來完成計數(shù)任務(wù)的，但制造廠家都有各自的一套復(fù)雜的計數(shù)器的設(shè)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屏幕顯示,對這些功能具有不同功能不同規(guī)格的眾多儀器，我們應(yīng)該視測試需要正確地選擇，以達到最經(jīng)濟和最佳的應(yīng)用效果。</p><p>　　1.2數(shù)字頻率計系統(tǒng)介紹</p><p>　　1.2

7、.1課題研究的目的和意義</p><p>　　毫無疑問，無論是在科技研究中還是在實際應(yīng)用中，頻率測量的作用都顯得尤為重要。然而傳統(tǒng)的頻率計通常采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且測量低頻信號時不宜直接使用。隨著科技的進步，為了較好的解決這一問題人們開始運用單片機測量頻率，它是一種基于時間或頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理，并依賴于數(shù)字電路技術(shù)發(fā)展起來的一種顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器

8、。</p><p>　　與傳統(tǒng)的測量方式相比，運用了單片機頻率計有著體積更小，運算速度更快，測量范圍更寬的優(yōu)點，更重要的是它能大大的降低制作成本。由于傳統(tǒng)的頻率計中有許多功能是依靠硬件來實現(xiàn)的，而采用單片機測量頻率之后，有許多以前需要用硬件才能實現(xiàn)的功能現(xiàn)在僅僅依靠軟件編程就能實現(xiàn)，而且不同的軟件編程能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能，這一巨大優(yōu)勢無疑使得制作成本大大降低。</p><p>　　由于當今科

9、技的日新月異，人們對電子產(chǎn)品的要求隨之增高，經(jīng)濟、高效、精準成為人們的目標，就頻率計來說，如果現(xiàn)如今還是像傳統(tǒng)的方式來設(shè)計并制造，那顯然不能滿足人們的要求。那么基于單片機的數(shù)字頻率計必將取代傳統(tǒng)的頻率計。而它的優(yōu)勢也顯而易見，小巧輕便、集成度高、操作簡單、易于維護和修改。這些優(yōu)點無不滿足著人們追求經(jīng)濟、高效、精準的目標。試想一下，改變程序中的幾行命令顯然要比改變電路板上的幾條連線要快的多，方便的多。</p><p&g

10、t;　　也正是由于基于單片機的數(shù)字頻率計與傳統(tǒng)的頻率計有著那么明顯的優(yōu)勢，因此，我將數(shù)字頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)作為我的研究課題。通過設(shè)計頻率計系統(tǒng)，實現(xiàn)信號頻率的檢測功能。在檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，要熟悉以單片機為核心的控制單元，以檢測電路為依托的功能單元，以人機界面為媒介的交互單元。了解頻率檢測的算法及軟硬件的實現(xiàn)方式。靈活應(yīng)用電子相關(guān)學(xué)科的理論知識，聯(lián)系實際電路設(shè)計的具體實現(xiàn)方法，達到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對信號檢測和信號處理的理

11、解和認識。這對我以后的工作和學(xué)習(xí)都是有很大幫助的。</p><p>　　2.2國內(nèi)外數(shù)字頻率計的研究現(xiàn)狀</p><p>　　電子計數(shù)器是其他數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)，在它的輸入通道接入各種模-數(shù)變換器，再利用相應(yīng)的換能器便可制成各種數(shù)字化儀器。電子計數(shù)器的優(yōu)點是測量精度高、量程寬、功能多、操作簡單、測量速度快、直接顯示數(shù)字，而且易于實現(xiàn)測量過程自動化，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中得到廣泛應(yīng)用。<

12、/p><p>　　它的主要實現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式四種。直接式的優(yōu)點是速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達中。鎖相式和直接數(shù)字式都同時具有容易實現(xiàn)產(chǎn)品系列化、小型化、模塊化和工程化的特點，其中，鎖相式更是以其容易實現(xiàn)相位同步的自動控制且低功耗的特點成為眾多業(yè)內(nèi)人士的首選，應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　電國際上數(shù)字頻率計的分類很多。按功能分類，電

13、子計數(shù)器有通用和專用之分。</p><p>　　通用型計數(shù)器：是一種具有多種測量功能、多種用途的萬能計數(shù)器。它可測量頻率、周期、多周期平均值、時間間隔、累加計數(shù)、計時等；若配上相應(yīng)插件，就可測相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當?shù)膫鞲衅?，還可進行長度、重量、壓力、溫度、速度等非電量的測量。</p><p>　　專用計數(shù)器：指專門用來測量某種單一功能的計數(shù)器。如頻率計數(shù)器、時間計數(shù)器

14、、特種計數(shù)器、可逆計數(shù)器、予置計數(shù)器、差值計數(shù)器、倒數(shù)計數(shù)器等。</p><p>　　數(shù)字頻率計按頻段分類：(1)低速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率＜10MHz；(2)中速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率10—100MHz；(3)高速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率＞100MHz；(4)微波頻率計數(shù)器：測頻范圍1—80GHz或更高。</p><p>　　值得一提的是微波計數(shù)器，它是以通用計數(shù)器和頻率計數(shù)器為主配以測頻擴展器

15、而組成的微波頻率計。它的測頻上限已進入毫米波段，有手動、半自動 、全自動3類。系列化微波計數(shù)器是電子計數(shù)器發(fā)展的一個重要方面。</p><p>　　數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設(shè)計人員能在更小的空間內(nèi)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(jīng)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。在人們的生產(chǎn)生活中數(shù)字頻率計也發(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(chǎn)過程，這

16、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。</p><p>　　除此之外，它還可以應(yīng)用于工業(yè)控制等其它領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜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，無法實時快速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應(yīng)用范圍。</p>&

17、lt;p>　　在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線的生產(chǎn)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，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。</p><p>　　在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設(shè)備的本地振蕩器進行校準。</p><p>　　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，還可以用來對無線電

18、臺的跳幀信號進行分析。</p><p>　　對于頻率計的設(shè)計目前也有專用芯片可以實現(xiàn)，如利用MAXIM公司的ICM7240來設(shè)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高的頻率要求，而且測量精度也受到芯片本身的限制。提出的用AT89C52單片機設(shè)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(shè)計。</p><p>　　第2章 數(shù)字頻率計的

19、設(shè)計</p><p>　　本章主要介紹了數(shù)字頻率計的設(shè)計任務(wù)和要求，按照任務(wù)和要求得出數(shù)字頻率計的總體設(shè)計思路，在此思路基礎(chǔ)上提出了兩套方案，分別畫出了方案框圖，分析了優(yōu)缺點，最終確定方案二為本次設(shè)計的方案。</p><p>　　2.1設(shè)計的任務(wù)和要求</p><p>　　2.1.1設(shè)計的任務(wù)</p><p>　　1.基于單片機設(shè)計一個數(shù)字頻

20、率計。</p><p>　　2.熟悉51或 AVR單片機集成開發(fā)環(huán)境，運用C語言編寫工程文件。</p><p>　　3.熟練應(yīng)用所選用單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、資源，以及軟硬件調(diào)試設(shè)備的基本方法。</p><p>　　4.自行構(gòu)建基于單片機的最小系統(tǒng)，完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計實現(xiàn)。</p><p>　　5.了解數(shù)字頻率計的工作原理和實現(xiàn)方法，以及人機交互

21、模塊的設(shè)計。</p><p>　　6.學(xué)習(xí)數(shù)字檢測頻率計算法的軟硬件實現(xiàn)方法。</p><p>　　2.1.2設(shè)計的要求</p><p>　　1.完成單片機最小系統(tǒng)設(shè)計；</p><p>　　2.精確完成頻率檢測的設(shè)計和實現(xiàn)（精度要求：檢測1V-5V頻率在1Hz-1MHz周期信號的周期，誤差不超過1%）；</p><p&g

22、t;　　3.完成軟件對硬件檢測和調(diào)試工作；</p><p><b>　　2.2 設(shè)計思路</b></p><p>　　本次設(shè)計的數(shù)字頻率計區(qū)別于專用數(shù)字頻率計，根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，此數(shù)字頻率計屬于通用型，要求比較常見，應(yīng)該具有的功能提出了以下設(shè)計思路：</p><p>　　1、穩(wěn)壓電源模塊：考慮到供電穩(wěn)定性，儀器使用壽命，本設(shè)計采用了三端穩(wěn)壓器

23、，當外部忽然斷電時，憑借三端穩(wěn)壓器的強大功能，可以在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定的電源，防止儀器的損壞和數(shù)據(jù)丟失。</p><p>　　2、信號整形模塊：考慮到單片機可以處理方波，待測信號的位置性，我們需要一個信號整形模塊，本設(shè)計采用了過零比較器，將這些未知的信號整形成方波，使得單片機能夠處理。</p><p>　　3、分頻處理模塊：由于常用的單片機都是12M的晶振，通過計算單片機能處理的最大頻率是

24、500KHZ，達不到1MHZ的要求，這里就存在一個分頻的問題，如何把更高頻率的信號縮小成單片機能處理的信號。</p><p>　　4、數(shù)據(jù)選擇模塊：由于上面采用了分頻器，那么如何讓我們的系統(tǒng)知道分頻器采用了幾分頻，就像萬用表有檔位的問題一樣。我們這就需要一個數(shù)據(jù)選擇器來做分頻器的檔位選擇，使系統(tǒng)可以算出最后的準確結(jié)果。</p><p>　　5、單片機模塊：單片機是時鐘信號的來源，由內(nèi)部晶振

25、電路產(chǎn)生。本系統(tǒng)以單片機作為系統(tǒng)的主要控制單元，通過單片機對系統(tǒng)各個部件的控制來實現(xiàn)整個電路的信號頻率采集、測量、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、以及顯示最終結(jié)果的功能。</p><p>　　6、數(shù)據(jù)顯示模塊:本設(shè)計作為一個頻率計儀表，系統(tǒng)測量出來的結(jié)果必須以數(shù)字或圖像的形式顯示出來，必然需要數(shù)據(jù)顯示模塊。</p><p>　　2.3方案論證與選擇</p><p><b>　　

26、方案一：</b></p><p>　　方案一主要由四個部分組成：信號整形部分、單片機控制部分、時基電路部分、數(shù)據(jù)鎖存部分、和數(shù)據(jù)顯示部分。整體框圖如圖2.1所示。</p><p>　　方案一基本流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形部分會將其整形成脈沖，另一方面，時基電路提供標準的時基脈沖，在其上升沿達到1s時結(jié)束計數(shù)。而在這1秒內(nèi)測得的整形后的脈沖頻率就是待測信號的頻率。之后單片機

27、送數(shù)據(jù)鎖存，并等待命令，若繼續(xù)測量則返回測量，此時仍可將數(shù)據(jù)送顯示，若無繼續(xù)測量命令則，直接送數(shù)據(jù)顯示。</p><p>　　方案一優(yōu)缺點：這個方案的設(shè)計關(guān)鍵是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器是否能夠提供標準的脈沖。實際上，在現(xiàn)實中是很難做到精確1s的。因此，如果這點把握不好將直接影響最后的精度。較為合理的解決辦法是，做實物時可以選擇其電容電阻的參數(shù)設(shè)定，用示波器先進行測量，直到取得較為滿意的結(jié)果。還有一個問題就是在

28、測量</p><p>　　圖2.1 方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　某一段頻率時很有可能會出現(xiàn)偏差，如果它在某一段內(nèi)都出現(xiàn)相同差值的偏差，我們可以進行人為的補償，這樣可以最大限度提高精確度。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　方案二由五個部分組成：信號整形部分、分頻處理部分、數(shù)據(jù)選

29、擇部分、單片機部分和數(shù)據(jù)顯示部分。整體框圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 方案二結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　方案二工作流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形部分會將其整形成脈沖，經(jīng)過分頻器。分頻器出來得到兩個信號，一個給選擇器，一個給單片機，數(shù)據(jù)選擇器處理過后也將信號給單片機經(jīng)過處理、運算，最后將數(shù)據(jù)送給顯示部分，以用戶需要的形式顯示出來。</p><p&g

30、t;　　方案二優(yōu)缺點：是利用了分頻器應(yīng)對大量程的測量，相比于方案一它的優(yōu)勢是，如果待測頻率不大的話，是不用進行分頻的，即直接測量。這樣就不存在方案一當中遇到的問題。但是方案二也有它的缺點，就是當待測頻率較大時要進行分頻，這樣做是對原頻率的破壞，很可能會出現(xiàn)較大的偏差。</p><p>　　方案比較：這兩種方案各有其優(yōu)缺點，雖然在理想狀態(tài)下兩種方案都是可行的，但是，在本次設(shè)計中考慮到在目前的實驗條件下難以使用555

31、定時器做到較為精準的1s計時，而且在測量小頻率時，方案二可以避免破壞原頻率而得到較準確的數(shù)據(jù)，本設(shè)計初衷也是通用型的，簡單實用符合要求就好，不必要的盡量省去，通過慎重考慮最終還是采用了方案二。</p><p>　　第3章 硬件電路的設(shè)計</p><p>　　本章是本文的核心內(nèi)容，主要介紹的是系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。我們采用了模塊化的設(shè)計方法，一開始是系統(tǒng)框圖及框圖介紹，然后針對系統(tǒng)的工作原理和

32、各個硬件模塊的原理和電路進行了具體的介紹。還對各種器件的選擇（如顯示模塊）做了詳細的分析。</p><p>　　3.1主系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，所要設(shè)計的系統(tǒng)除了達到最基本測量頻率的功能外還必須要有一定精度，一定的測量范圍和一定的適應(yīng)波形。主系統(tǒng)的框架圖如圖3.1所示。整體電路包含了以下部分，分別是穩(wěn)壓電源模塊、信號整形模塊、分頻處理模塊、數(shù)據(jù)選擇<

33、/p><p><b>　　圖3.1系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　模塊、單片機模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊以及其他輔助電路。系統(tǒng)時鐘采用內(nèi)部晶振方式，約為12MHz。</p><p>　　本數(shù)字頻率計的工作原理：待測信號通過接口輸入信號整形部分LM311，整流模塊LM311將未知信號轉(zhuǎn)換成所需要的方波，整流出來的方波通過分頻器CD4518，然后信號輸入

34、到數(shù)據(jù)選擇器74LS151，數(shù)據(jù)選擇器74LS151將最后的選擇結(jié)果傳輸給單片機AT89C52，此時由單片機AT89C52來控制選擇不同的分頻信號，并將信號的頻率計數(shù)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的顯示代碼發(fā)往液晶顯示器12864LCD輸出顯示結(jié)果。</p><p>　　3.2 信號整形電路</p><p>　　3.2.1信號整形電路論證</p><p>　　我們可以有很多種方法將未

35、知轉(zhuǎn)換成方波，例如我們學(xué)過的施密特觸發(fā)器，傳統(tǒng)的運放，以及過零比較器等等。施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持。 利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩。施密特觸發(fā)器的電路連接圖如圖3.2所示</p><p>　　圖3.2 施密特觸發(fā)器</p><p>　　慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信

36、號。輸入的信號只要幅度達到某一值時，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。由傳統(tǒng)運放組成的能將信號轉(zhuǎn)換為脈沖的電路連接如圖3.3所示。</p><p>　　在本次設(shè)計中我選用的是過零比較器，此過零比較器由一個LM311構(gòu)成， </p><p>　　它可以將正弦波變成所需要的方波，而且LM311的轉(zhuǎn)換速度為200ns，帶寬增益為4MHz，符合本設(shè)計的要求。</p>

37、<p>　　圖3.3 信號轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.2.2過零比較器整形方案設(shè)計</p><p>　　信號轉(zhuǎn)換電路主要由LM311構(gòu)成，如下圖3.4所示：它是一個過零比較器，其1腳接地，2腳作為輸入端，3腳與1腳相連并接一個阻值為1K的滑動變阻器。4腳與8腳分別接-12V及+12V直流電壓。5，6腳懸空，7腳作為輸出端，并接一個5K的上拉電阻及+5V直流電壓。這樣，當

38、正弦信號通過這個過零比較器的時候，將會被處理 </p><p>　　圖3.4過零比較器的仿真模型</p><p>　　成方波輸出?？紤]到待測頻率可能較高，而LM311的轉(zhuǎn)換速度200ns，可以滿足設(shè)計要求。 </p><p>　　3.3 信號分頻與數(shù)據(jù)選擇電路</p><p>　　分頻與數(shù)據(jù)選擇是由兩個部分組成的，即分頻部分

39、和數(shù)據(jù)選擇部分。</p><p>　　分頻部分我選用的是CD4518如圖3.5所示。CD 4518采用并行進位方式，只要輸入一個時鐘脈沖，計數(shù)單元Q1翻轉(zhuǎn)一次：當Q1為1，Q4為0時，每輸入一個時鐘脈沖，計數(shù)單元Q2翻轉(zhuǎn)一次；當Q1=Q2=1時，每輸入一個時鐘脈沖Q3翻轉(zhuǎn)一次；當Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1時，每輸入一個時鐘脈沖Q4翻轉(zhuǎn)一次。這樣從初始狀態(tài) （“0”態(tài)）開始計數(shù)，每輸入10個時鐘脈沖，計數(shù)

40、單元便自動回復(fù)到“0”態(tài)。 </p><p>　　利用這一性質(zhì)我們就可以通過兩片CD4518芯片得到十分頻、一百分頻、一千分頻、一萬分頻的脈沖信號。</p><p>　　數(shù)據(jù)選擇部分我選用的是74LS151，其引腳圖如圖3.6所示。74LS151為互補輸出的8選1數(shù)

41、據(jù)選擇器。使能端為1時，不論引腳9、10、11狀態(tài)如何，均無輸出，多</p><p>　　圖3.5 CD4518引腳圖 圖3.6 74LS151</p><p>　　路開關(guān)被禁止。使能端為0時，多路開關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼，即引腳9、10、11的狀態(tài)選擇I0到I7中某一個通道的數(shù)據(jù)輸送到輸出端。如此說來只需將原信號接I0，再分別

42、將分頻器分出的十分頻、一百分頻、一千分頻、一萬分頻的脈沖信號接八路模擬開關(guān)74LS151的I1、I2、I3、I4、I5口，使用單片機通過引腳11、10、9控制74LS151來選擇不同分頻信號就能實現(xiàn)所要功能了。具體連接方式如圖3.7所示。</p><p>　　3.4 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　本次設(shè)計使用的單片機為AT89C52單片機，系統(tǒng)主要由晶振電路，復(fù)位電路與單片機芯片

43、組成。</p><p>　　晶振電路由一個12M的晶振外加兩個30pf的電容組成。由晶振兩端引出的兩個引腳和單片機的X1和X2相連。</p><p>　　復(fù)位電路由一個按鍵，兩個電阻，和一個電容組成，兩個電阻的阻值分別為100歐姆和10K歐姆，其中10K歐姆的電阻要求與地相連。復(fù)位電路與單片機上的RESET腳相連。</p><p>　　單片機上的INT0管腳作為信號

44、的輸入端，P20—P23口作為與LCD連接的接口，以便控制其顯示。具體的連接方法如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.7 分頻數(shù)據(jù)選擇器</p><p>　　如圖3.8 單片機系統(tǒng)</p><p>　　3.5 顯示方案論證</p><p>　　3.5.1 LED方案</p><p>　　七段數(shù)碼管，如圖3.9

45、所示。對于LED七段數(shù)碼管，有其自身的優(yōu)勢，如無汞、節(jié)能、節(jié)材、對環(huán)境無電磁干擾、無有害射線等。此外，LED七段數(shù)碼管采用低壓供電,無高壓環(huán)節(jié)，為了絕緣的開銷要小很多，比較經(jīng)濟，而且可靠性高。它附件簡單，無啟動器、鎮(zhèn)流器或超高壓變壓器。結(jié)構(gòu)簡單，具有固體光源的最大優(yōu)點，不充氣，無玻璃外殼，無氣體密封問題，耐沖擊。而且編程簡單，使用壽命長。色彩純厚，由半導(dǎo)體PN結(jié)自身產(chǎn)生色彩，純正，濃厚，柔和不刺眼。無需維護，10萬小時壽命，可以使用50

46、年，大大減少使用期間的維護費用。但是它的字符顯示能力有限，無法根據(jù)用戶的要求顯示更為復(fù)雜的文字。</p><p>　　3.5.2 LCD12864方案</p><p>　　液晶顯示器LCD12864，如圖3.10所示。對于液晶顯示器來說液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>

47、;　　圖3.9 七段數(shù)碼管 圖3.10 12864LCD</p><p>　　帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便

48、的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。</p><p>　　綜合各方面的考慮，在本次設(shè)計中我采用的帶中文字庫的12864LCD液晶顯示器。</p>

49、;<p><b>　　第4章 軟件設(shè)計</b></p><p>　　本設(shè)計軟件部分采用了MCS-51匯編語言編制，采用了結(jié)構(gòu)化，模塊化的程序設(shè)計方法。包括了主程序、外部中斷0子程序、外部中斷1子程序、IC卡與片外數(shù)據(jù)存儲器的讀寫軟件設(shè)計、顯示子程序等模塊組成。本章還給出了詳細的流程圖。具體程序見附錄B。</p><p><b>　　4.1軟件編

50、程思路</b></p><p>　　首先，系統(tǒng)要初始化。接著要使用一個循環(huán)做延時程序，算出益處的終端個數(shù)，此時控制74LS151選擇需要的通道聯(lián)通，通道的選擇要盡量考慮到單片機所能計算的頻率值，然后記下分頻倍數(shù)作為后期處理數(shù)據(jù)之用。若采用了分頻，則將單片機算出的數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的分頻數(shù)使其還原為最初頻率，若沒有分頻，則將數(shù)據(jù)直接處理為符合12864LCD顯示的數(shù)據(jù)送顯示模塊顯示。</p>&

51、lt;p>　　4.2各個子模塊軟件設(shè)計及流程圖</p><p>　　4.2.1計數(shù)模塊設(shè)計</p><p>　　計數(shù)模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，本系統(tǒng)的主要工作都是由它來完成的。當計數(shù)模塊開始工作，首先檢測一下模塊的輸入復(fù)位信號是否有效為高電平，如果有效，則將模塊內(nèi)的變量復(fù)位，同時將輸出信號復(fù)位。如果不是處于復(fù)位的狀態(tài)，則先判斷被測信號是否大于20MHz，如果大于20MHz，則采用直接測

52、頻法進行測量;反之，則檢測預(yù)置門控信號是否有效，即START是否為高電平，如果該信號滿足是高電平的條件，則要檢測被測信號的上升沿是否來到，如果上升沿來到，則同時啟動計數(shù)模塊內(nèi)的兩個計數(shù)器，對被測信號和標準頻率信號同時開始計數(shù);直到預(yù)置門控信號的下降沿到來，同時將兩個計數(shù)器停止計數(shù)，然后，輸出使能信號，通知單片機來讀取計數(shù)結(jié)果。</p><p>　　計數(shù)模塊主要是用內(nèi)部的兩個計數(shù)器在預(yù)置門控時間內(nèi)對被測信號和時基信

53、號進行計數(shù)，而完成頻率測量工作的。測量完成后，向單片機輸出計數(shù)結(jié)果和輸出使能信號，由單片機完成數(shù)據(jù)運算、處理，如果這次的計數(shù)結(jié)果符合測量的精度要求，則將計數(shù)結(jié)果送往下面的顯示模塊將其顯示出來;如果計數(shù)結(jié)果達不到量程、精度等要求，則通知控制模塊做出調(diào)整，重新進行測量，直到各項指標滿足要求為止。因為該系統(tǒng)的測量范圍是0. 1Hz-50MHz，范圍比較寬，為了保證測量精度，該系統(tǒng)采用了兩種方法相結(jié)合的辦法，來解決問題。不但保證了系統(tǒng)在低頻階段

54、實現(xiàn)了較高的測量精度，而且在高頻階段用比較簡單的方法得到了較高的測量精度，從而在整體上提高了系統(tǒng)的測量精度。計數(shù)模塊流程圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1計數(shù)模塊流程圖</p><p>　　4.2.2控制模塊設(shè)計</p><p>　　控制模塊是整個測頻系統(tǒng)的控制部分，它控制著系統(tǒng)其它模塊的工作，控制著整個系統(tǒng)測量工作的開始。</p>&l

55、t;p>　　在整個系統(tǒng)測量工作過程中，控制模塊控制其開始，并控制其它模塊的工作情況。要使控制模塊工作需要三個條件:首先必須產(chǎn)生控制模塊的時鐘(當開始脈沖寬度大于模塊時鐘一個周期時);接著初始化模塊電路的CLR(復(fù)位信號)、SEL(設(shè)定選擇信號)等;最后對CLR的狀態(tài)進行檢測。當CLR=‘1’時，先復(fù)位其內(nèi)部的變量，然后輸出CLR信號;當CLR= `0’時，這時輸出頻率開始測量CLK信號，以便測頻系統(tǒng)開始工作。</p>

56、<p>　　控制模塊流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2控制模塊流程圖</p><p>　　4.2.3基準時間產(chǎn)生模塊設(shè)計</p><p>　　基準時間產(chǎn)生模塊主要產(chǎn)生信號選擇模塊需要的基準時間(閘門時間)以及為控制模塊提供時鐘。當模塊檢測到該模塊的復(fù)位脈沖信號有效時，首先將本模塊內(nèi)的變量復(fù)位，然后產(chǎn)生模塊輸出復(fù)位信號，用于下一個模塊。隨

57、后，當模塊將檢測到輸入的開始信號START有效時，模塊先輸出模塊復(fù)位信號，對后面的模塊進行復(fù)位;然后檢測輸入復(fù)位脈沖信號RESET是否有效，如果有效，則將本模塊內(nèi)的變量復(fù)位，然后產(chǎn)生模塊輸出復(fù)位信號;如果無效，則完成分頻工作。</p><p>　　基準時間產(chǎn)生模塊流程圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3基準時間產(chǎn)生模塊流程圖</p><p>　　4.2.

58、4信號選擇模塊設(shè)計</p><p>　　信號選擇模塊首先檢測模塊的輸入復(fù)位信號RESET是否為高電平，如果是高電平的話，則進行模塊的復(fù)位操作，復(fù)位成初始化的狀態(tài)，并且輸出復(fù)位脈沖信號。如果不是處于復(fù)位狀態(tài)，則根據(jù)初始化的狀態(tài)選出一個信號，當作時基信號。然后檢測控制模塊的狀態(tài)，如果為高電平，則將選擇信號的狀態(tài)加一;如果為低電平，則將其狀態(tài)減1，直到最后選到合適的信號。信號選擇模流程圖如圖4.4所示。</p&g

59、t;<p>　　圖4.4信號選擇模塊流程圖</p><p>　　4.3主程序段及軟件流程圖</p><p>　　測量頻率之前需要計算在10ms延時內(nèi)的脈沖個數(shù)，此時還需要知道是否經(jīng)過了分頻以及分頻了多少次，這一步通過數(shù)據(jù)選擇部分就能夠知道。算出分頻的次數(shù)，在最后數(shù)據(jù)處理的時候相應(yīng)的還原最初頻率。至于一個周期的時間我們可以通過測量兩個下降沿的時間來知道，最后將處理好的數(shù)據(jù)送顯示

60、部分顯示。</p><p>　　軟件流程圖如圖4.5所示</p><p>　　圖4.5 軟件流程圖</p><p>　　第5章 系統(tǒng)調(diào)試與仿真</p><p>　　一個完整的系統(tǒng)，首先要完成硬件組裝工作，然后進入軟件設(shè)計、調(diào)試和硬件調(diào)試階段.硬件組裝就是在設(shè)計、制作完畢的印制板上焊好元件與插座，然后就可用仿真開發(fā)工具進行軟件設(shè)計、調(diào)試和硬件調(diào)

61、試工作。本章主要介紹了靜態(tài)調(diào)試步驟與方法，聯(lián)機仿真與動態(tài)調(diào)試。另外，還概述了調(diào)試中發(fā)現(xiàn)一些系統(tǒng)存在的問題及其補救辦法。</p><p><b>　　5.1調(diào)試設(shè)備</b></p><p>　　PC機一臺，80C51單片機實驗臺，萬用表，示波器，導(dǎo)線若干等</p><p><b>　　5.2硬件調(diào)試</b></p>

62、;<p>　　硬件調(diào)試是利用開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器（萬用表、示波器等），檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。由于實驗室沒有AT89C52，在這里我們用AT89C51代替。</p><p>　　硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進行。</p><p><b>　　5.2.1靜態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　靜態(tài)調(diào)試工作分為兩步:第一

63、步是在通電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設(shè)計圖，仔細檢查線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線(地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線)是否存在短路或與其他信號線的短路。第二步是加電后檢查各芯片插座上有關(guān)引腳的電位，仔細測量各點電平是否正常，尤其應(yīng)注意芯片插座的各點電位，若有高壓，與在線仿真器連機調(diào)試時，將會損壞在線仿真器。</p>

64、<p><b>　　具體步驟如下:</b></p><p><b>　　(l)電源檢查</b></p><p>　　當電路板連接或焊接完成后，先不插主要元器件，通上電源。常用+SV直流電源，用萬用表電壓檔測試各元器件插座上相應(yīng)電源引腳電壓數(shù)值是否正確，極性是否符合。如有錯誤，要及時檢查、排除，以使每個電源引腳的數(shù)值都符合要求。<

65、/p><p>　　(2)各元器件電源檢查</p><p>　　分別插入，分別通電，并逐一檢查每個元器件上的電源是否正確，直至最后插上全部元器件，通上電源后，每個元器件上電源應(yīng)正確無誤。</p><p>　　(3)檢查響應(yīng)芯片的邏輯關(guān)系</p><p>　　檢查相應(yīng)芯片的邏輯關(guān)系通常采用靜態(tài)電檢查法。即在一個芯片信號輸入端加一個響應(yīng)電平，檢查輸出電

66、平是否正確。單片機系統(tǒng)大都是數(shù)字邏輯電路，使用電平檢查法可首先檢查選用的元器件是否符合要求，邏輯設(shè)計是否正確，元器件連接關(guān)系是否符合要求等。</p><p>　　5.2.2 動態(tài)調(diào)試 </p><p>　　動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。在本設(shè)計中，由于該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計，所以動態(tài)調(diào)試采用了分模塊調(diào)試的辦法

67、。調(diào)試過程中，分為信號處理模塊、顯示電路模塊、報警電路模塊、電源模塊模塊、電磁閥驅(qū)動電路模塊等進行了分別調(diào)試。 </p><p>　　5.3聯(lián)機仿真、在線動態(tài)調(diào)試</p><p>　　在靜態(tài)調(diào)試中，對硬件進行了初步調(diào)試，只是排除了一些明顯的靜態(tài)故障。硬件故障(如各個部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤)主要是靠連機在線仿真來排除的。在斷電情況下，除芯片外，插上所有的元器件，并把在線仿

68、真器的仿真插頭插入樣機上芯片的插座，然后與開發(fā)系統(tǒng)的仿真器相連，分別打開樣機和仿真器電源后便可開始連機在線仿真調(diào)試。先將引腳鎖定，再將各模塊的程序下載到仿真器中，顯示及鍵盤控制模塊的程序燒錄到芯片中，然后接通電源和地進行調(diào)試，結(jié)果基本上達到了設(shè)計的要求。</p><p>　　為了驗證電路的設(shè)計是否可行，需要根據(jù)自己的電路設(shè)計做仿真，如下圖5.1就是該過零比較器在multisim軟件上的仿真圖，而圖5.2是運行電路

69、后的仿真波形，由圖5.2可以看出當正弦波處于零電位以上的時候，經(jīng)過過零比較器仿真出高電平，</p><p>　　圖5.1 過零比較器仿真</p><p>　　圖5.2過零比較器的輸入波形和輸出波形比較</p><p>　　當正弦波處于零電位以下的時候，過零比較器仿真出的就是低電平，需要特別說明的是，高低電平轉(zhuǎn)換的瞬間恰好是正弦波由正電位轉(zhuǎn)換為負電位或者由負電位轉(zhuǎn)換

70、為正電位的時候，因此我們可以認定電路的設(shè)計是完全正確的。</p><p>　　以下如圖所示是搭建實物電路后用數(shù)字示波器記錄的輸出波形 </p><p>　　圖5.3 數(shù)字示波器實際測量電路</p><p>　　測試結(jié)果：如表1所示</p><p>　　表格1 實際測量記錄</p><p><b>　　第6章

71、 結(jié)論</b></p><p>　　本次設(shè)計所做的數(shù)字頻率計具有比較好的測量精度，較寬的頻率范圍，具有一定的實用價值。為了了解數(shù)字頻率計的工作原理，并且進一步復(fù)習(xí)了電路仿真技術(shù)，動手能力得到鍛煉和提高。同時還發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，認識到自己的思維還是不夠活躍。本次課程設(shè)計過程中雖然遇到一些阻礙，但通過不懈的努力，最終還是克服了這些困難，體味到設(shè)計電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的樂苦

72、與甜,提高了自身獨立思考克服困難的能力。這一過程磨練了我的意志，永不放棄對于科學(xué)真理的追求!</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計是對畢業(yè)生大學(xué)四年所學(xué)技能的檢測，這次設(shè)計恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識的機會，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路的調(diào)試再到最后電路的成型，都對我所學(xué)的知識進行了檢驗。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了以前學(xué)的數(shù)字電路的知識掌握的不牢。正所謂，書到用時方恨少。就是在這個反反復(fù)復(fù)過程中，不斷地修改修

73、正，設(shè)計能夠一點一點得完善，令人感到由衷的快樂，沒有付出，哪有回報!在實踐中得到鍛煉是年輕人最大的財富! 當然，這是在所有元器件都是理想狀態(tài)下所得到的結(jié)論，在實際生活中是難以做到如此理想狀態(tài)的，而且時間上也比較倉促，很多細節(jié)沒有考慮周全經(jīng)驗也不足。因此在我設(shè)計的過程中就不可避免的遇到了一些問題。比如說在信號轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計上，最初的設(shè)計中在MULTISIM上做的仿真是完全沒有問題的，但是真正在連接硬件的時候就出現(xiàn)了問題，根本無法將正弦波整

74、形得到方波信號，只能重新設(shè)計過零比較器。</p><p>　　再者，通過分頻測量信號的頻率，在信號經(jīng)過分頻的時候，沒有對信號做進一步的處理，這對結(jié)果的精確度一定是有影響的。因此本設(shè)計的以上部分需要進一步完善，對于程序的設(shè)計如何能夠更加完善優(yōu)化，將是后續(xù)階段需要考慮的問題。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]

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83、lt;b>　　致 謝</b></p><p>　　時光往再，四年的大學(xué)生活已經(jīng)接近了尾聲?；仡檸啄甑膶W(xué)習(xí)生活，我衷心感謝我的指導(dǎo)老師XX老師。XX老師開闊的學(xué)術(shù)視野，嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的科研經(jīng)驗都使我受益匪淺，不僅使我的科研能力有了極大的提高，而且學(xué)到很多做人處事的道理，為我未來的發(fā)展指明了方向。在我遇到問題時，XX老師耐心的解答，在我最無助的時候給予了極大的幫助，逐步的掃清了課題中的障礙，

84、堅定了我的信心?？傊?，XX老師的指導(dǎo)和幫助，將使我受益終生。在此，我謹向她表示深深的謝意!</p><p>　　四年的學(xué)習(xí)生活中，我老鄉(xiāng)師長和同學(xué)室友都給與了我很大的幫助，我尤其要感謝XX等同學(xué)對我真誠的指導(dǎo)幫助，在我的工作中他們給予了我莫大的支持，提供了很多寶貴的經(jīng)驗，使我的學(xué)習(xí)和設(shè)計得以順利的展開。感謝所有真誠幫助過我的同學(xué)和朋友們!雖然不是所有人都提到了，但是對于你們默默地幫助我會銘記于心的！</p&