【正文】 測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。 本數(shù)字頻率計(jì)將采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測(cè)量頻率，采用一個(gè)1602A LCD顯示器動(dòng)態(tài)顯示6位數(shù)。測(cè)量范圍從1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，時(shí)基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能?；驹O(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。 頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)思路主要是：對(duì)信號(hào)分頻，測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)被測(cè)量信號(hào)周期中已知標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，進(jìn)而測(cè)量出該信號(hào)頻率的大小，其原理如右圖1所示。若被測(cè)量信號(hào)的周期為，分頻數(shù)m1，分頻后信號(hào)的周期為T，則：T=m1Tx 。由圖可知： T=NTo （注：To為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的周期，所以T為分頻后信號(hào)的周期，則可以算出被測(cè)量信號(hào)的頻率f。）由于單片機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的誤差，通常情況下很小；而系統(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測(cè)量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測(cè)量的精度越高。 基本設(shè)計(jì)原理 基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率fx。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來(lái)到時(shí)，閘門開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率fx=NHz。 第2節(jié)數(shù)字頻率計(jì)（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成 本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機(jī)AT89C51，由它完成對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率的計(jì)數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€(gè)模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、LCD顯示模塊。各模塊關(guān)系圖如圖2所示： 系統(tǒng)工作原理圖 該系統(tǒng)工作的總原理圖如圖3所示： 圖3 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)工作原理圖 AT89C51單片機(jī)及其引腳說(shuō)明89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM,32條I/O線，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器, 一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口, 片上震蕩器和時(shí)鐘電路。引腳說(shuō)明：VCC：電源電壓GND:地P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，作為輸出口用時(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)0端口寫入1時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。當(dāng)P0口訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。在這種模式下，P0口具有內(nèi)部上拉電阻。在EPROM編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，同時(shí)輸出指令字節(jié)在程序校驗(yàn)時(shí)。程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)P1口寫1時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時(shí)可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)，P1口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低電流（IIL）。P2口：P2是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P2口寫1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P2口在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如MOVX ＠ DPTR）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強(qiáng)大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時(shí)。當(dāng)利用8位地址線訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（例MOVX ＠R1）,P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當(dāng)EPROM編程或校驗(yàn)時(shí)，P2口同時(shí)接收高8位地址和一些控制信號(hào)。P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P3口寫1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P3口同時(shí)具有AT89C51的多種特殊功能，具體如下表1所示:端口引腳第二功能RXD (串行輸入口)TXD（串行輸出口） (外部中斷0)（外部中斷1）T0（定時(shí)器0）T1（定時(shí)器1）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都選通）表1 P3口的第二功能 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/ :當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當(dāng)在Flash編程時(shí)還可以作為編程脈沖輸出（ ）。一般情況下，ALE是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時(shí)鐘或定時(shí)目的。但也要注意，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。 ：程序存儲(chǔ)允許時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)AT89C52執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期 兩次有效，除了當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 將跳過(guò)兩個(gè)信號(hào)。 /VPP:外部訪問(wèn)允許。為了使單片機(jī)能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器從0000H到FFFH單元的指令， 必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復(fù)位時(shí)EA端會(huì)自動(dòng)內(nèi)部鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時(shí)， 應(yīng)該接到VCC端。XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時(shí)鐘電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。在本次設(shè)計(jì)中，采用89C51作為CPU處理器，充分利用其硬件資源，結(jié)合D觸發(fā)器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)CD4051，計(jì)數(shù)器74LS90等數(shù)字處理芯片，主要控制兩大硬件模塊，量程切換以及顯示模塊。下面還將詳細(xì)說(shuō)明。 信號(hào)調(diào)理及放大整形模塊 放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號(hào)Vx整形成同頻率方波Vo,幅值過(guò)大的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓器分壓送入后級(jí)放大器，以避免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射級(jí)跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為（R1+R2）/R1，改變R1的大小可以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門以便計(jì)數(shù)。由于輸入的信號(hào)幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過(guò)大可能會(huì)把器件燒毀，過(guò)小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的波形進(jìn)行阻抗變換、放大限幅和整形，信號(hào)調(diào)理部分電路具體實(shí)現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖4所示： 時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路：CD4013雙上升沿D觸發(fā)器 ，引腳及功能見(jiàn)如下圖5：CD4013 由兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)置位復(fù)位時(shí)鐘輸入和 Q及Q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過(guò)將Q非輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)時(shí)，加在D 輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位或復(fù)位線上的高電平完成。 圖5 CD4013芯片引腳用功能圖 CD406014位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，引腳及功能見(jiàn)如下圖6： CD4060 由一震蕩器和14極二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，震蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器 CP1非（和 CP0）的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無(wú)限制。 時(shí)基信號(hào)的產(chǎn)生原理：本電路采用32768HZ晶體震蕩器，利用CD4060芯片經(jīng)過(guò)14級(jí)分頻得到2HZ的信號(hào)（32768/214），即輸出秒脈沖信號(hào)使單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 圖七 秒脈沖產(chǎn)生電路原理圖 顯示模塊1602基本技術(shù)：1）、主要功能A、 40通道點(diǎn)陣LCD 驅(qū)動(dòng)。B、 可選擇當(dāng)作行驅(qū)動(dòng)或列驅(qū)動(dòng)。C、 輸入/輸出信號(hào):輸出,能產(chǎn)生202個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)波形。輸入,接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號(hào),偏壓(V1∽V6)。D、 通過(guò)單片機(jī)控制將所測(cè)的頻率信號(hào)讀數(shù)顯示出來(lái)。 2）、技術(shù)參數(shù) ）極限參數(shù)表名 稱符 號(hào)標(biāo) 準(zhǔn) 值單 位MINTYPEMAX電路電源VDD VSS VLCD驅(qū)動(dòng)電壓VDD VEEVDD VDD + V輸入電壓VIN VDD + V靜電電壓 100V工作溫度 20 +70176。C儲(chǔ)存溫度 30 +80176。C ） 電參數(shù)表名 稱符 號(hào)測(cè) 試 條 件標(biāo) 準(zhǔn) 值單位MINTYPEMAX輸入高電平VIH VDDV輸入低電平VIL V輸出高電平VOHIOH = V輸出低電平VOLIOL = V工作電流IDDVDD = mA 液晶驅(qū)動(dòng)電壓 VDD VEETa = 0176。C VTa = 25176。C Ta = 50176。C 3）、時(shí)序特性表項(xiàng) 目符 號(hào)測(cè)試條件標(biāo) 準(zhǔn) 值單位MINTYPEMAX允許時(shí)間周期TCYCE 1000 ns允許脈沖寬度,高電平PWEH450ns允許上升和下降時(shí)間tEr tEf25ns地址建立時(shí)間tAS140ns數(shù)據(jù)延遲時(shí)間tDDR320ns數(shù)據(jù)建立時(shí)間tDSW195ns數(shù)據(jù)保持時(shí)間tH10nsDATA HOLD TIMEtDHR20ns地址保持時(shí)間tAH10ns 4）、引腳和指令功能）模塊引腳功能表引 線 號(hào)符 號(hào)名 稱功 能1Vss接地0V2VDD電路電源5V177。10%3VEE液晶驅(qū)動(dòng)電壓保證VDDVEE=∽5V電壓差4RS寄存器選擇信號(hào)H:數(shù)據(jù)寄存器 L:指令寄存器5R/W讀/寫信號(hào)H:讀 L:寫6E片選信號(hào)下降沿觸發(fā),鎖存數(shù)據(jù)7|14DB0|DB7 數(shù)據(jù)線 數(shù)據(jù)傳輸 ）寄存器選擇功能表RSR/W操 作00指令寄存器(IR)寫入01忙標(biāo)志和地址計(jì)數(shù)器讀出10數(shù)據(jù)寄存器(DR)寫入11數(shù)據(jù)寄存器讀出（注:忙標(biāo)志為1時(shí),表明正在進(jìn)行內(nèi)部操作,此時(shí)不能輸入指令或數(shù)據(jù),要等內(nèi)部操作結(jié)束,即忙標(biāo)志為0時(shí)。）） 指令功能 格式:RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0共11種指令:清除,返回,輸入方式設(shè)置,顯示開(kāi)關(guān),控制,移位,功能設(shè)置,CGRAM地址設(shè)置,DDRAM地址設(shè)置,讀忙標(biāo)志,寫數(shù)據(jù)到CG/DDRAM,讀數(shù)據(jù)由CG/DDRAM。 5）、顯示位與DD RAM 地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系 顯 示 位 序 號(hào)1 2 3 4 5 ……………… 40 DD RAM 地 址(HEX)第 一 行00 01 02 03 04 ..………….. 27第 二 行40 41 42 43 44 …………….. 67 6）、初始化方法用戶所編的顯示程序,開(kāi)始必須進(jìn)行初始化,否則模塊無(wú)法正常顯示,下面介紹兩種初始化方法。下面指令是在初始化過(guò)程中執(zhí)行的。(1) 清屏(DISPLAY CLEAR)。(2) 功能設(shè)置(FUNCTION SET)。DL = 1: 8Bit 接口數(shù)據(jù)。N = 0: 1行顯示。 F = 0:57dot字形。(3) 顯示開(kāi)/關(guān)控制(DISPLAY