【正文】 .......................................................................................................16 數(shù)碼管掃描部分 ......................................................................................................19 頻率計主程序 ..........................................................................................................19 第 5 章 軟件與硬件調(diào)試 .......................................................................................................20 C 程序編譯與仿真結果 ............................................................................................20 IV 在 Proteus ISIS 上的仿真結果 ..................................................................................20 第 6 章 設計總結與體會 .......................................................................................................23 致 謝 ...................................................................................................................................24 參考文獻 ................................................................................................................................25 附錄 A 系統(tǒng)硬件電路圖 .......................................................................................................26 附錄 B 元器件清單 ..............................................................................................................27 附錄 C 源程序 .....................................................................................................................28 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 前言 題目背景及研究意義 在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計都是采用純硬件方式組成（純數(shù)字電路）。它的集成電路用量較大，因而產(chǎn)品的體 積、功耗都較大，生產(chǎn)成本較高。產(chǎn)品定型后不能升級（加入新功能）。而采用單片機和相關可編程智能集成器件制成的現(xiàn)代數(shù)字頻率計情況就不同了，單片機的內(nèi)核 CPU 可完成多項工作如計數(shù)、讀入、譯碼、驅(qū)動和時基的產(chǎn)生等。和傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計相比，它減少了很大一部分的集成電路的用量，并且還可以加入許多的智能操作，這更是傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計所望塵莫及的。 目前市場上的頻率計產(chǎn)品很多，但基本上都是采用專用計數(shù)芯片 (如 ICM7240 ，ICM7216) 和數(shù)字邏輯電路組成，由于這些芯片本身的工作頻率不高 (如 ICM7240僅有 15MHz 左右 ) ，從而限制了產(chǎn)品的工作頻率的提高，遠不能達到在一些特殊的場合需要測量很高的頻率的要求，而且測量精度也受到芯片本身極大的限制。 自從 80 年代單片機引入我國之后，單片機已廣泛地應用于各行各業(yè)的電子設計中，使頻率計智能化水平在廣度和深度上產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，數(shù)字化也成為了電子設計的必由之路。運用單片機和高速計數(shù)器的組合設計頻率計，并采用適當?shù)乃惴ㄈ〈鷤鹘y(tǒng)電路，這種方法不僅能解決傳統(tǒng)頻率計結構復雜、穩(wěn)定性差、精度不高的弊端，而且性能也將大有提高，可實現(xiàn)精度較高、等精度和寬范圍頻率計的要求。隨著單片機技術的不斷發(fā) 展，可以用單片機通過軟件設計直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率。 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 設計內(nèi)容及參數(shù)要求 設計內(nèi)容 設計基于 AT89C51 單片機為核心的數(shù)字頻率計。設計系統(tǒng)硬件電路和軟件編程，實現(xiàn)脈沖頻率的測量和數(shù)碼管顯示，并通過仿真軟件進行仿真。 參數(shù)要求 電源： 直流 5V 顯示： 五位數(shù)碼管動態(tài)顯示 測量誤差： ≤177。 % 頻率測量范圍： 0— 10000 Hz 輸入信號波形： 矩形波和方波 ?西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 第 2 章 方案 的設計與論證 測頻原理 測頻的原理歸結成一句話，就是在單位時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當?shù)木幋a邏輯便得到相應的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進制計數(shù)電路進行直接計數(shù)和顯示。若在一定的時間間隔 T 內(nèi)累計周期性的重復變化次數(shù) N，則頻率的表達式為式： TNfx? （ ） 圖 說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。 時基信號 待測信號 丟失（少計一個脈沖） 計到 N 個脈沖 多余（比實際多出了 個脈沖） 圖 測頻原理 在圖 中，假設時基信號 為 1KHZ ，那么用此法測得的待測信號為 1KHZ 5=5KHZ。但從圖中可以看出，待測信號實際應該在 左右，誤差約有 ≈ % 。這個誤差是比較大的，實際上，測量的脈沖個數(shù)的誤差會在 177。 1 之間。假設所測得的脈沖個數(shù)為 N，則所測頻率的誤差最大為δ =1／（ N1） *100% 。顯然，減小誤差的方法，就是增大 N。本頻率計要求測頻誤差在 1%以下，則 N 應大于 1000。通過計算，對 1KHZ 以下的信號用測頻法，反應的時間長于或等于 10S 。由此可以得出一個初步結論：測頻法適合于測高頻信號。 頻率計數(shù)器嚴格地按照公式進行測頻。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在計數(shù)器中所記進的脈沖數(shù)可有正一個或負一個脈沖的 177。 1 量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為： （ ） 應當指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由 N 和 T 倆個參數(shù)所決定的，一方面是NfA 1)( ??西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面 T 越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加 T 來滿足，為了增加 T 的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達到。 方案一 其工作 原理如圖 所示。該方法是使用單片機自帶的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)，其好處是設計出的頻率計系統(tǒng)結構和程序編寫簡單，成本低廉，不需要外部計數(shù)器，直接利用所給的單片機最小系統(tǒng)就可以實現(xiàn)。這種方法的缺陷是受限于單片機計數(shù)的晶振頻率。本次設計使用的 AT89C51 單片機，將其內(nèi)部定時 /計數(shù)器 Tl的功能設為定時。頻率信號由 端引入。由于檢測一個由“ 1”到“ 0”的跳變需要兩個機器周期。前一個機器周期測出“ 1”，后一個周期測出“ 0”。故輸入時鐘信號的最高頻率不得超過單片機晶振頻率的二十四分之一。而且由于定時不能達到 ls，所以要多次引起片內(nèi)定時器的溢出中斷，由此會引起測頻的誤差。 圖 方案一原理框圖 方案二 其工作原理如圖 所示。該方法是單片機使用外部計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)值再由單片機讀取。此方法的好處是輸入的時鐘信號頻率可以不受單片機晶振頻率的限制，可以對相對較高頻率進行測量，但缺點是成本比第一種方法高，硬件系統(tǒng)結構比較復雜。 輸 入 信 號 單 片 機 最 小 系 統(tǒng) 數(shù) 碼 管 顯 示 電源 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 圖 方案二原理框圖 方案選擇 從 以上兩個方案中可知，內(nèi)部計數(shù)器法測量頻率受晶振頻率的限制而且多次中斷會引發(fā)誤差，但硬件結構簡單。外部計數(shù)器法測量頻率不受晶振頻率的限制，但硬件結構復雜。因此通過對這兩種方案優(yōu)缺點的比較，本次設計選取方案一，因為其硬件結構簡單、穩(wěn)定性、可靠性高，易于實現(xiàn)，而且從軟件編程方面也可以盡量減少誤差，提高精度。所以采用單片機內(nèi)部計數(shù)器法測量頻率。 輸入信號 十進制計數(shù)器 閘門 數(shù)據(jù)緩沖 AT89C51 電源 數(shù) 碼 管 顯 示 西京學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 第 3 章