【正文】 成頻率計(jì)的基本功能，但由于系統(tǒng)功能要求較高，所以電路過于復(fù)雜。 ICM7216內(nèi)部帶有放大整形電路，可以直接輸入模擬信號。芯片驅(qū)動電路輸出 15mA～ 35mA的峰值電流，所以在 5V電源下可直接點(diǎn)亮 LED。 通道放大 主門 計(jì)數(shù)、鎖存、顯示 電源 門控 晶體振蕩源 分頻 0f ICM7216 顯示 晶 振 模擬信號 9 圖 23 方案三的原理框圖 Principle frame diagram of scheme 方案 四 ： 系統(tǒng) 采用單片機(jī) AT89C52 作為控制核心，門控信號 由 AT89C52 內(nèi)部的計(jì)數(shù) /定時(shí)器產(chǎn)生。 圖 24 方案四的原理框圖 Principle frame diagram of scheme 以上方案均需使用小信號放大、整形通道電路來提高系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。 但從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求上看，要 能 實(shí)現(xiàn) 測量 頻 率是 2HZ～ 50MHZ 的范圍 ， 以頻率下限 2HZ為例， 要達(dá)到誤差 小于 ％的目的，必須顯 示 3位的有效數(shù)字，而使用直接 測 頻的方法，要達(dá)到達(dá)個(gè)測量精度，需要主門連續(xù)開啟 100 秒 。 3 頻率測量原理 測量頻率的 原理 在測量過程中用了兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0、 T1。 為了擴(kuò)大頻率測量范圍，可將雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器與單片 機(jī)的 T0口級連 ， 測量的頻率將 可 達(dá) 242 。 設(shè)置一個(gè)頻率分界值 xf ， 在 HZfx 410? 的 高頻段采用直接測頻法 ，在 HZfx 410? 的 低頻段采用測周期法 。 直接測頻法 頻率測量的基本原理如 圖 31所示。 用這種頻率測量原理，對于頻率較低的被測信號來說 ， 存在著測量實(shí)時(shí)性與測量精度之間的矛盾，由圖可以看出分頻系數(shù) rg TTM /? （ Tr 為參考晶振的周期 ） 本身是沒有誤差的 （ 若電路工作正常的話 ） ，測量誤差主要由以下兩種因素產(chǎn)生：計(jì)數(shù) 誤 差和參考晶體振蕩的誤差，即 rfNNff ????? ()/(/ rf/ )rrr ffmfNf /()/( ???? ) （ 31） 為減少第二項(xiàng)誤差，可采用高精 度 的參考晶體振蕩器。 測周期法 由于單片機(jī)具有程序運(yùn)算功能，且頻率為周期的倒數(shù)， 這樣 使 得 頻率測量與周期測量可以互通。利用周期測量法在一定信號頻率范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù) M ， 可以較好地解決測量精度與實(shí)時(shí)性的矛盾。對于不同范圍的被測周期信號 ，可以通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù) M 的大小，達(dá)到相近的測量精度，也就有相近的測量時(shí)間 ，晶體振蕩 時(shí)間閘門 計(jì)數(shù)器 顯示 控制過 程 分頻器 放大整形 0f 13 且不會太長。 （ 3） 能測量正弦波 ， 三角波，鋸齒波等多種波形信號 的頻率值 。 如圖 42所示。 待測信號 放大電路 波形變換、整形 閘門控制 分頻電路 單片機(jī) 顯示電路 14 104C a pC1104C a pC2104C a pC3104C a pC447KR e s 2R11KR e s 2R247KR e s 2R3R e s 2R4N P N90 18 1N P N90 18 2+5100uHI nd uc t orL1GNDGND 圖 42 放大電路 Magnify circuit 波形變換和整形電路 采用數(shù)字芯片（ 74HC00）實(shí)現(xiàn)把正弦波 、 三角波 、 方波等各種波形的正負(fù)交替的信號波形變換成可被單片機(jī)接受的 TTL/ CMOS 兼容信號 。使用 74HC00芯片可以很好地解決這些困難 ， 得到比較理想的矩形脈沖波形。 123M C 74 H C 00 A N74 H C 00 A+5 圖 43 波形變換和整形電路 The circuit of Profile switching and Reshaping 15 閘門時(shí)基電路 采用數(shù)字芯片（ 74LS08）實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號的控制。所以 74LS08就等同于一個(gè)開關(guān)電路，只有在高電平有效時(shí)，才能進(jìn)行信號的傳輸，起到了控制的作用。采用 74LS393的理由是： 52內(nèi)有 2個(gè) l6位的二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，一個(gè)用作定時(shí)器，另一個(gè)用作脈沖計(jì)數(shù)。 16 C L R2C L K1QA3QB4QC5QD6S N 74 L S 39 3N74 L S 39 3A820R5820R6820R7820R8820R9820R 10820R 11820R 12C L R12C L K13QA11QB10QC9QD8S N 74 L S 39 3N74 L S 39 3BP P P P P P P P I N T 1T0P 3 . 0 圖 45 分頻電路 Frequency dividing circuit 單片機(jī) AT89C52 頻率測量電路選用 AT89C52 作為頻率計(jì)的信號處理核心。 8K 8位片內(nèi) FLASH 程序存儲器用于放置系統(tǒng)軟件。單片機(jī) I/O引腳一線多功能的特點(diǎn)方便了用戶的設(shè)計(jì)，在組成系統(tǒng)時(shí)可自行選擇 [11]。將 P0口和 P2口設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)端口。 10uFC a pC7300R e s 2R 218KR e s 2R 22K E Yk1+5GNDR S T 圖 46 單片機(jī)復(fù)位電路 The monolithic integrated circuit repositions the electric circuit 測量數(shù)據(jù)顯示電路 如圖 47所示。正是因?yàn)樗倪@個(gè)缺點(diǎn)和本設(shè)計(jì)的要求，數(shù)字頻率計(jì)的顯示電路選擇了采用動態(tài)掃描顯示。通過調(diào)整 LED顯示器的導(dǎo)通電流和時(shí)間比例參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較高亮度且穩(wěn)定的顯示 [11]。當(dāng) T/R =1時(shí)，數(shù)據(jù)從 A端傳送到 B端；當(dāng) T/R =0時(shí)，數(shù)據(jù)從 B端傳送 到 A端。 74LS06是六與非門反相驅(qū)動器，正好符合我們的設(shè)計(jì)要求。 圖 48 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1的邏輯結(jié)構(gòu) Timer/Counter T0、 T1 logical anization 當(dāng)控制信號 0/ ?TC 時(shí) ， 定時(shí)器工作在定時(shí)方式 。 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的是機(jī)器周期脈沖的個(gè)數(shù) ， 從而實(shí)現(xiàn)定時(shí) 。 在每一個(gè)機(jī)器周期的 S5P2采樣引腳輸入電平 ， 若前一個(gè)機(jī)器周期采樣值為“ 1” ， 后一個(gè)機(jī)器周期采樣值為“ 0” ， 則計(jì)數(shù)器加 1。 振蕩器 1/12 T0/T1 0/ ?TC 1/ ?TC THX TLX 加 1 計(jì)數(shù)器 16 位 TFX 中斷 amp。當(dāng) 11腳為高電平時(shí)閘門打開，低電平時(shí)閘門關(guān)閉。 T1置為方式 1定時(shí)狀態(tài) ，0/ ?TC ， GATE=0，即 D7D6D5D4=1001（ 如 圖 4表 4表 42所示 ） ， 并將其初值置為 TH1=D8H， TL1=EFH， 這樣每 mssE F HD 51224/1)]8(5 5 5 3 56 5 5 3 6[ ???? ?產(chǎn)生一次 定時(shí)器 T1溢出 中斷，在 T1中斷的入 口處 （ 001BH） 對中斷 次數(shù)進(jìn)行軟件計(jì)數(shù) 。 表 41 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 方式控制寄存器 TMOD Timer/Counter way control register TMOD D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE TC/ M1 M0 GATE TC/ M1 M0 定 時(shí) 器 T1 定 時(shí) 器 T0 表 42 M1和 M2方式選擇位對應(yīng)關(guān)系 M1 and M2 way choice position correspondence relations M1 M0 工作方式 功 能 說 明 0 1 方式 0 13位計(jì)數(shù)器 0 1 方式 1 16位計(jì)數(shù)器 1 0 方式 2 自動再裝入 計(jì)數(shù)初值， 8位計(jì)數(shù)器 1 1 方式 3 定時(shí)器 T0： 分成兩個(gè) 8位計(jì)數(shù)器 ； 定時(shí)器 T1：停止計(jì)數(shù) 測周期法的工作流程 圖 410 測周期法流程 Measures the cyclical law flow 如圖 410所示 。 需要注意的是 ： 第一 ， 定時(shí)器 T1的工作方式寄存器 TMOD需要重新初始化 。 軟件部分設(shè)計(jì) 軟件編程部分是設(shè)計(jì) 的 電路能否成功的關(guān)鍵。 整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、信號頻率測量模塊 、 信號周期測量模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊、浮點(diǎn) 數(shù)格式化模塊、浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊 、 浮點(diǎn)數(shù)到 BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊 和測量數(shù)據(jù) 顯示模塊 等各種功能模塊組成。 其流程框圖如圖 412所示。 其流程框圖如圖 413所示。 其中斷流程框圖如圖 414所示。 圖 415 多進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為 BCD碼流程圖 The multiple system binary number transformation is the BCD code flow chart 清 BCD 單元 設(shè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 二進(jìn)制左移 BCD 數(shù) 2247。 待測信號周期的 3個(gè)字節(jié)定點(diǎn)數(shù)首先通過截取高 16位 、 設(shè)置數(shù)符和計(jì)算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù) [12]。 LED 動態(tài)顯示模塊 其流程框圖如圖 416所示。 用萬用表對整個(gè)硬件電路的狀況進(jìn)行測試 。將示波器的一個(gè)端口接輸入的微弱脈沖信號，可28 以是 正弦波 、方波、三角波等任意形狀 ， 另一端口接整形后的端口引腳 ， 通過示波器觀察電路是否具有放大和整形的作用。如果誤差太大 ， 就需要通過檢查電路的連接情況 ， 芯片質(zhì)量的好壞以及修改程序等方法來減小。通過檢查，排除了硬件連接有誤和電壓不穩(wěn)定的情況，最終的原因是在單片機(jī)的輸出 P0 口沒有接上拉電阻。通過多次對程序中的 閘門開啟 時(shí)間進(jìn)行 調(diào)節(jié) ，結(jié)果能夠得到精度高、誤差小的頻率測 量值。只要存在的誤差是在 設(shè)計(jì) 允許的范圍內(nèi) （ 0%～ 1%） ， 我們就認(rèn)為設(shè)計(jì)的頻率計(jì)在測量頻率上是準(zhǔn)確的。 誤差來源討論 數(shù)字頻率計(jì)測量數(shù)據(jù)時(shí) ， 由于各種原因 ， 不可避免地將產(chǎn)生誤差。對于頻率測量是由于被測信號脈沖與門控脈沖間的相位是隨機(jī)的 以及 計(jì)數(shù)器不能 計(jì)出末位數(shù)字一個(gè)字以下的零頭數(shù)而產(chǎn)生的177。 Miscount schematic drawing a—— Pulse sequence which be counted； b— — Strobe signal that strobe time is τ； c—— Strobe signal that strobe time is τ， but has the initial phase with the b signal . 1 2 3 4 5 6 7 8 10 9 a b c ? ? 30 在閘門時(shí)間τ內(nèi)有 ， 由于被測信號與門控信號 的 相位不同 ，計(jì)數(shù)時(shí) 可能 被 計(jì)成為 7（ 圖 51b的情況 ） ，也可能 被 計(jì)成為 8（ 圖 51c的情況 ） ，這樣就 產(chǎn)生177。待測信號的周期測量值通過浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值 ,這時(shí)的誤差來源于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差 [15]。在實(shí)際測量中 ， 增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低 計(jì)數(shù) 誤差 對直接測頻法和測周期法 的影響 [16]。由于它們在時(shí)間上是完全同步的 ， 所以頻率的測量精度與待測信號的頻率無關(guān) ， 達(dá)到了減小計(jì)數(shù)誤差的作用 [17]。 （ 1） 石英晶體 振蕩器頻率誤差的產(chǎn)生 原因 石英晶體振蕩器產(chǎn)生頻率誤差 ， 主要是 由于 晶體振蕩器校準(zhǔn)的頻率準(zhǔn)確度 和 對 校準(zhǔn) 該 頻率準(zhǔn)確度的保持能力 兩項(xiàng)因素決定 [18]。 32 觸發(fā)誤差 （ 1） 觸發(fā)誤差產(chǎn)生原因 通用計(jì)數(shù)器在測量周期時(shí) ， 由于被測信號疊加有噪聲 ， 當(dāng)被測信號由施密特觸發(fā)器整形成方波 進(jìn)入下一級電路時(shí) ， 信號上疊加的噪聲會使電路的觸發(fā)時(shí)刻提前或滯后，從而帶來測量誤差 [14]。 6 擴(kuò)展 方面 硬件上的改進(jìn) 預(yù)處理電路部分 在實(shí)際工作中 ， 如若兩級 NPN 放大管仍不能使放大作用明顯 ， 則可以再級聯(lián)一個(gè)NPN 放大管 ； 或者采用放大能力更強(qiáng)的三極管 或 CMOS 管 代替。因此在原理圖中，我們可以加入電源部分， 采用元件 7805 或 7809 和整流電路對外來 電壓進(jìn)行整流、限壓，提供標(biāo)準(zhǔn)的 5V 電壓給電路，這樣就增加了硬件電路的穩(wěn)定性和測試的準(zhǔn)確性。鍵盤的擴(kuò)展是非常方便的。 假設(shè)要 顯 示 2位有效數(shù)字 ， 在測量量程的高端計(jì)數(shù)閘門不需要太寬 ， 例如在～ 頻率范圍 ， 計(jì)數(shù)閘門寬度為 10ms即可 。無論采用何種方式 ， 只要完成一次測量即可 ， 頻率計(jì)自動 進(jìn)行 下一個(gè)測量循環(huán)