【文章內(nèi)容簡介】 。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(jìn)行校準(zhǔn)。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(jìn)行校準(zhǔn)，還可以用來對電臺的跳幀信號進(jìn)行分析。 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(yuǎn)不能達(dá)到在一些場合需 要測量很高的頻率要求，而測量精度也受到芯片本身的限制。提出的用AT8C52 單片機(jī)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。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 頻率計設(shè)計任務(wù)與要求 一、 任務(wù) 目的在于設(shè)計出一個高頻寬（ 10Hz~10kHz），低誤差（誤差精度為 1%）的時間參數(shù)測量系統(tǒng)。 二、 要求 （ 1） 測量范圍： 10Hz 10KHz （ 2） 測量誤差：不超過 1% （ 3） 輸入波形：方波，幅度為 5V （ 4） 工作電壓：直流 ，最高輸入電壓 30V 其中，頻率測量、周期測量應(yīng)實現(xiàn)電路實模型 及相應(yīng)軟件的設(shè)計和調(diào)試，對于周期脈沖信號占空比測量應(yīng)完成仿真電路設(shè)計。 第二章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 4 第二章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 測頻的原理 實現(xiàn)時間參數(shù)的數(shù)字化測量的儀器是電子計數(shù)器。對于電子計數(shù)器而言，測量頻率的實質(zhì)就是通過計數(shù)器記錄待測信號的周期變化的次數(shù)，然后通過頻率的定義計算出待測信號的頻率。 已知頻率的測量表達(dá)式為： f=N/T 從其測量原理和頻率的數(shù)學(xué)表達(dá)式中不難看出，計數(shù)器測頻必須具備以下三個條件： （ 1） 測量是一個比較的過程，被測信號要和基準(zhǔn)信號作比較，必須有一個標(biāo)準(zhǔn)的單位時間。 （ 2） 為實現(xiàn)在單位時間內(nèi)對于被控信號的振動次數(shù) 的記錄，必須有一個控制電路。 （ 3） 被測信號采樣后的量化由電子計數(shù)器完成，以獲得量化值 N。 對應(yīng)于電子計數(shù)器測量頻率的原理圖如 ： 可知電子計數(shù)法測頻主要由 3個部分組成： （ 1）時間基準(zhǔn) T產(chǎn)生電路。 時間基準(zhǔn)產(chǎn)生電路的作用是用來產(chǎn)生計數(shù)器所使用的標(biāo)準(zhǔn)頻率。 （ 2） 計數(shù)脈沖形成電路 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 計數(shù)脈沖形成電路的作用是將被測的周期信號轉(zhuǎn)換成可計數(shù)的窄脈沖。 （ 3） 計數(shù)顯示電路 計數(shù)顯示電路的作用是對主門輸出的脈沖進(jìn)行計數(shù)，其結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。 設(shè)計任務(wù)的分析及方案的論證 本設(shè)計是一個基于單片機(jī)平臺的時間參數(shù)（頻率） 測量系統(tǒng)。由于本次系統(tǒng)設(shè)計的測頻范圍很寬（ 10Hz~10KHz）、精度高（測量誤差 1%），因此精確的控制閘門的開啟和關(guān)閉，追求計數(shù)器較高的頻率和較大的計數(shù)容量，保持系統(tǒng)在整個測量頻段內(nèi)的測量精度不變及實現(xiàn)頻標(biāo)信號的高穩(wěn)定度和高精確度成為了評價系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的關(guān)鍵。 （ 1）直接測頻法（閘門時間計數(shù)法） 直接測頻法就是在確定的閘門時間內(nèi)，通過計數(shù)器記錄待測信號的周期變化次數(shù)，并根據(jù)頻率的定義來計算待測信號的頻率。由于測量的起始時刻和結(jié)束時刻相對于信號而言是隨機(jī)的，將會有一個脈沖周期的量化誤差，也就是對于不同的閘門 時間會產(chǎn)生同樣的計數(shù)值 N0如圖 中閘門 1和閘門 2時間長度不一樣，但是計數(shù)值相同。 圖 直接測頻法示意圖 當(dāng)測量時間為 T 時，測量的準(zhǔn)確度 =T/f X,其中 xf 為待測信號 ，可知對于測量頻高時，測量準(zhǔn)確度越高。但是低頻達(dá)不到所要達(dá)到的要求。 （ 2）間接測周法 間接測周法就是在一個信號周期內(nèi)記錄下基準(zhǔn)脈沖的個數(shù)。原理恰好與直接測頻法相對應(yīng)，當(dāng)測 量的信號周期越長，即其頻率越低，測量的精度就越高，但對于高頻信號就不能適用。 第二章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 6 （ 3） 直接法 本方案主要以單片機(jī)為核心，利用單片機(jī)的計數(shù)定時功能來實現(xiàn)頻率的計數(shù)并且利用單片機(jī)的動態(tài)掃描法把測出的數(shù)據(jù)送到數(shù)字顯示電路顯示。其原理框圖如圖 所示： 原理框圖 （ 4）相關(guān)計數(shù)測頻法 相關(guān)計數(shù)測頻法采用多周期同步測量原理，測量輸入信號的整數(shù)個周期值而求得頻率的一種測量方法。由于被測信號與門控信號之間采用同步鎖定的方式，使得主門的開啟時刻計數(shù)脈沖之間的時間關(guān)系是相關(guān)的，這樣便可以實現(xiàn)在測頻范圍內(nèi)頻率的等精度測 量。 其實，等精度測量并非嚴(yán)格意義上的等精度，閘門信號在測量中的開啟和關(guān)閉受控于被測信號的上升沿或下降沿。其測量的精度就有賴于頻標(biāo)信號的穩(wěn)定度和精度。若系統(tǒng)要求測量精度為 1%，那么基準(zhǔn)源的開機(jī)穩(wěn)定度和溫度穩(wěn)定度應(yīng)該較高，其綜合性能應(yīng)優(yōu)于 %。 綜上所述，對于測頻方案的選擇，直接測頻法和間接測周法的原理很簡單，電路實現(xiàn)容易，但是它們都不能滿足全頻段范圍內(nèi)的信號的測量，分段法在理論上可以保證等精度測量，其中界頻率的確定也比較容易，但是隨著系統(tǒng)測量精度的提高，測試盲區(qū)可能會出現(xiàn)。方案三的核心是單片機(jī)，使用的元 器件少，原理電路簡單，調(diào)試簡單只要改變程序的設(shè)定值則可以實現(xiàn)不同頻率范圍的測試能自動選擇測試的量程。與方案三相比較其他方案則使用了大量的數(shù)字元器件，原理電路復(fù)雜，硬件調(diào)試麻煩。如要測量高頻的信號還需要加上分頻電路，價格相對高了點。基于上述比較，所以選擇了方案三。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 第三章 硬件電路設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，頻率計實際需要設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：主控制器模塊、顯示模塊、分頻模塊，下面將分別給予介紹。 AT89C52 主控制器模塊 AT89C52 概述 AT89S52是一種低功耗 、高性能 CMOS 8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash儲存器。使用 ATMEL公司高密度非易失性儲存器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序儲存器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 AT89C52 特殊功能 在 AT89C52片內(nèi)存儲器中， 80HFFH 共 128 個單元為特殊功能寄存器（ SFR），SFR 的地址空間映象。并非所有的地址都被 定義，從 80H— FFH 共 128個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當(dāng)一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應(yīng)將數(shù)據(jù)寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元數(shù)值總是“ 0”。 AT89C52除了有 AT89C51所有的定時 /計數(shù)器 0 和定時 /計數(shù)器 1 外，還增加了一個定時 /計數(shù)器 2。定時 /計數(shù)器 2 的控制和狀態(tài)位位于 T2CON（參見表 3） T2MOD（參見表 4），寄存器對（ RCAO2H、 RCAP2L）是定時器 2在 16位 捕獲方式或 16位自動重裝載方式下的捕獲 /自動重裝載寄存器。 AT89C52 開發(fā)板原理圖 單片機(jī)開發(fā)板原理如 。 第三章 硬件電路設(shè)計 8 圖 AT89C52引腳圖 分頻設(shè)計模塊 分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機(jī)頻率和周期測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差 ?？捎?4LS161進(jìn)行分頻 。 分頻電路分析 本頻率計的設(shè)計以 AT89C52單片機(jī)為核心，利用內(nèi)部的定時／計數(shù)器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機(jī) AT89C52 內(nèi)部具有 2 個 16 位定時／計數(shù)器，定時／計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內(nèi)，每來一個機(jī)器周期，計數(shù)器自動加 1（使用 12 MHz 時鐘時，每 1μs 加 1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從 1到 0的跳變時計數(shù)器加 1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測一次從 1到 0的跳變至少需要 2個機(jī)器周期（ 24個振蕩周期），所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的 1／ 24（使 用 12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為 500 kHz） ，因此采用 74LS161進(jìn)行外部十分頻使測頻范圍達(dá)到 1MHz。為了測量提高精度，當(dāng)被測信號頻率值較低時，直接使用單片機(jī)計數(shù)器計數(shù)測得頻率值；當(dāng) 被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數(shù)測得頻率值。這兩種情況使用 74LS151進(jìn)行通道選擇，由單片機(jī)先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據(jù)信號頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測得相應(yīng)頻率值。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 74LS161 芯片介紹 74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器 ，可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能 。 74LS161引腳如圖 。 圖 74LS161 引腳圖 時鐘 CP 和四個數(shù)據(jù)輸入端 P0~P3， 清零 /MR， 使能 CEP， CET， 置數(shù) PE， 數(shù)據(jù)輸出端 Q0~Q3， 以及進(jìn)位輸出 TC (TC=Q0Q1Q2Q3CE T)。表 74LS161的功能表。 表 74LS161 的功能表 清零 RD 預(yù)置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 A B C D 輸出 Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L L H L 上升沿 A B C D A B C D H H L 保 持 H H L 保 持 H H H H 上升沿 計 數(shù) 其中 RD 是異步清零端， LD 是預(yù)置數(shù)控制端， A、 B、 C、 D 是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端， EP 和 ET 是計數(shù)使能端， RCO(=)是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計數(shù)器的級聯(lián)提供了方便。計數(shù)過程中，首先加入一清零信號RD＝ 0，使各觸發(fā)器的狀態(tài)為 0，即計數(shù)器清零。 RD 變?yōu)?1 后，加入一置數(shù)信號 LD＝ 0，即信號需要維持到下一個時鐘脈沖的正跳變到來后。在這個置數(shù)信號和時鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器的輸出 狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同，這第三章 硬件電路設(shè)計 10 就是預(yù)置操作。接著 EP=ET=1,在此期間 74LS161 一直處于計數(shù)狀態(tài)。一直到EP=0， ET＝ 1，計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)結(jié)束。 從 74LS161 功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端 CR=“0”，計數(shù)器輸出 Q Q Q Q0 立即為全 “0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當(dāng) CR=“1”且 LD=“0”時，在 CP 信號上升沿作用后， 74LS161 輸出端Q Q Q Q0 的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端 D3， D2， D1， D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng) CR=LD=EP=ET=“1”、 CP 脈沖上升沿作 用后，計數(shù)器加 1 。 74LS161 還有一個進(jìn)位輸出端 CO ， 其 邏 輯 關(guān) 系 是 CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片 74LS161 可以組成 16 進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。 74LS151