【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 圖8 整流電路（3）濾波電路：各濾波電路C滿足 RLC=（3~5）T/2，式中T為輸入交流信號(hào)周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。圖9 濾波電路(4)穩(wěn)壓電路:常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。二者的工作原理有所不同。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會(huì)引起其電流有較大變化這一特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它一般適用于負(fù)載電流變化較小的場(chǎng)合。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋的原理來調(diào)節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實(shí)上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。 電源電路設(shè)計(jì)根據(jù)上述介紹設(shè)計(jì)，電源電路包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等模塊組成，使用 LED 進(jìn)行電源工作狀態(tài)指示。L M78XX 系 列 三 端 穩(wěn) 壓 IC 來 組 成 穩(wěn) 壓 電 源 所 需 的 外 圍 元件 極 少 [9]， 電 路 內(nèi) 部 還 有 過 流 、 過 熱 及 調(diào) 整 管 的 保 護(hù) 電 路 ， 使 用 起 來 可 靠 、 方 便 ， 而 且價(jià) 格 便 宜 ， 因 此 使用 LM7805 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行 5V 的電源電路設(shè)計(jì)。 具體的 5V 電源電路如下圖10 所示。 ~V圖 10 5V 直流電源電路 放大整形模塊由于輸入的信號(hào)可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測(cè)信號(hào)為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測(cè)量的時(shí)候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較大時(shí)，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，前級(jí)輸入衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時(shí)被測(cè)信號(hào)得以放大 [10]。根據(jù)上述分析，放大電路放大整形電路采用高頻晶體管 3DG100 與 74LS00 等組成。其中3DG100 為 NPN 型高頻小功率三極管，組成放大器將輸入頻率為 fx 的周期信號(hào)如正弦波、三角波及方波等波形進(jìn)行放大。與非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對(duì)放大器的輸出波形信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖 [11]。具體放大整形電路如圖 11 所示。 5VQ103DGKR2479ULSA6BuFC8x圖 11 放大整形電路 分頻設(shè)計(jì)模塊分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率和周期測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。可用 74161 進(jìn)行分頻。 分頻電路分析本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以 AT89S51 單片機(jī)為核心，利用他內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期／頻率的測(cè)量。單片機(jī) AT89S51 內(nèi)部具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。在定時(shí)器工作方式下，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，每來一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加 1（使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，每 1μs 加1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測(cè)量時(shí)間間隔。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從 1 到 0 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從 1 到 0 的跳變至少需要2 個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)振蕩周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的 1／24（使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為 500 kHz），因此采用 74LS161 進(jìn)行外部十分頻使測(cè)頻范圍達(dá)到2MHz。為了測(cè)量提高精度，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率值較低時(shí)，直接使用單片機(jī)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測(cè)得頻率值；當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率值較高時(shí)采用外部十分頻后再計(jì)數(shù)測(cè)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(jiǎn)單測(cè)得被測(cè)信號(hào)是高頻信號(hào)還是低頻信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測(cè)得相應(yīng)頻率值。 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(jì)數(shù)器 [12]，可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。74LS161 引腳如圖 12 所示。圖 12 74LS161 引腳圖時(shí)鐘 CP 和四個(gè)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=Q0Q1Q2Q3CET)。表 4 為 74161 的功能表。表 4 74161 的功能表清零RD預(yù)置LD使能EP ET時(shí)鐘CP預(yù)置數(shù)據(jù)輸入A B C D輸出Q0 Q1 Q2 Q3L L L L LH L 上升沿 A B C D A B C DH H L 保 持H H L 保 持H H H H 上升沿 計(jì) 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(jì) 數(shù) 使 能 端 ， RCO(=)是 進(jìn) 位 輸 出 端 ， 它 的 設(shè) 置 為 多 片 集 成 計(jì) 數(shù)器 的 級(jí) 聯(lián) 提 供 了 方 便 。 計(jì) 數(shù) 過 程 中 ， 首 先 加 入 一 清 零 信 號(hào) RD＝ 0， 使 各 觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài)為 0， 即 計(jì) 數(shù) 器 清 零 。 RD 變 為 1 后 ， 加 入 一 置 數(shù) 信 號(hào) LD＝ 0， 即 信 號(hào) 需 要 維 持 到 下 一個(gè) 時(shí) 鐘 脈 沖 的 正 跳 變 到 來 后 。 在 這 個(gè) 置 數(shù) 信 號(hào) 和 時(shí) 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 就 是 預(yù) 置 操 作 。 接 著 EP=ET=1,在 此 期 間 74161一 直 處 于 計(jì) 數(shù) 狀 態(tài) 。 一 直 到 EP=0， ET＝ 1， 計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 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(jì)數(shù)器輸出QQQQ0 立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng) CR=“1”且 LD=“0”時(shí)，在 CP 信號(hào)上升沿作用后，74LS161 輸出端 QQQQ0 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(jì)數(shù)器加 1。74LS161 還有一個(gè)進(jìn)位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系是 CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計(jì)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 芯片介紹數(shù)據(jù)選擇端（ABC）按二進(jìn)制譯碼，以從 8 個(gè)數(shù)據(jù)（D0D7）中選取 1 個(gè)所需的數(shù)據(jù)。只有在選通端 STROBE 為低電平時(shí)才可選擇數(shù)據(jù)。74LS151 有互補(bǔ)輸出端（Y、W） ，Y 輸出原碼，W 輸出反碼 [13]。74LS151 引腳如圖 13 所示。圖 13 74151 管腳圖74LS151 的功能如下表 所示。其中 A、B、C 為選擇輸入端，D0D7 為 數(shù)據(jù)輸入端，STROBE 為選通輸入端（低電平有效） ，W 為反碼數(shù)據(jù)輸出端，Y 為數(shù)據(jù)輸出端。表 5 74151 功能表 分頻電路根據(jù)以上分析，采用 74LS161 和 74LS151 設(shè)計(jì)分頻電路如圖 14 所示。A3B4C5D6ENP7T10LK2O9MRG8VQUXYIF圖 15 分頻電路原理圖 顯示模塊顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示頻率計(jì)被測(cè)數(shù)值，使用三極管 8550 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測(cè)量。量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、黃、綠三個(gè) LED 分別指示 Hz、KHz 及 MHz 檔，使讀數(shù)簡(jiǎn)單可觀。 數(shù)碼管介紹常見的數(shù)碼管由七個(gè)條狀和一個(gè)點(diǎn)狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型 [14].兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理如圖 16 所示。圖 16 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖LED 數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有 1～2 mA，最大極限電流也只有 10～30 mA，所以它的輸入端在 5 V 電源或高于 TTL 高電平( V)的電路信號(hào)相接時(shí)，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。 頻率值顯示電路數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)不加三極管驅(qū)動(dòng)時(shí)，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測(cè)量與調(diào)試。因此加入三極管 8550 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。使用 4 位數(shù)碼管進(jìn)行頻率值顯示，如果選擇共陰極數(shù)碼管顯示，則需要 8 個(gè)三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而采用共陽(yáng)極數(shù)碼管則需要 4 個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)，為了節(jié)約成本，因此選用共陽(yáng)極數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設(shè)計(jì)電路如圖 17 所示。ABCDEFGP3U?7LQ0KR6圖 17 數(shù)碼管顯示電路 檔位轉(zhuǎn)換指示電路根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用紅、黃、綠三個(gè) LED 分別指示 Hz、KHz 及 MHz 檔，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率值大小，可以自動(dòng)切換量程單位，無需手動(dòng)切換，便于測(cè)量和讀數(shù)，簡(jiǎn)單方便。具體設(shè)計(jì)的檔位轉(zhuǎn)換 LED 指示電路如圖 18 所示。 D7RE9GN8YLOW2056V13圖 18 LED 檔位指示電路第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)，敘述了各個(gè)模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil 和 Proteus 的使用方法和調(diào)試仿真。 軟件模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊，信號(hào)頻率測(cè)量模塊，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖 19 所示。頻率計(jì)開始工作或者完成一次頻率測(cè)量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測(cè)量初始化。測(cè)量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，即用來測(cè)量信號(hào)頻率 [15]。開始系統(tǒng)初始化頻率測(cè)量頻率是否超過 1 K H z硬件十分頻計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測(cè)頻率值測(cè)量數(shù)據(jù)顯示NY圖 19 系統(tǒng)軟件流程總圖首先定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0，運(yùn)行控制位 TR 置 1，啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，從計(jì)數(shù)閘門的最小值（即測(cè)量頻率的高量程）開始測(cè)量，計(jì)數(shù)閘門結(jié)束時(shí) TR 清 0，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為 0，滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為 0，將計(jì)數(shù)閘門的寬度擴(kuò)大 10 倍，重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，直到滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作被設(shè)置為定時(shí)器方式，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0，在判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來后，運(yùn)行控制位 TR 置為 1，以單片機(jī)工作周期為單位進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至信號(hào)的下跳沿到來，運(yùn)行控制位 TR 清 0，停止計(jì)數(shù)。16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為 65535，當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)，定時(shí)／計(jì)數(shù)器可以對(duì)被測(cè)信號(hào)直接計(jì)數(shù)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較高時(shí)，先由硬件十分頻后再有定時(shí)／計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，加大測(cè)量的精度和范圍。 中斷服務(wù)子程序T0中斷服務(wù)子程序流程如圖20所示。測(cè)頻時(shí),定時(shí)器T0 工作在定時(shí)方式,每次定時(shí)50mS ,則T0 中斷20 次正好為1秒,即T0用來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào),定時(shí)器T0 用作計(jì)數(shù)器,對(duì)待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù),每秒鐘的開始啟動(dòng)T0 ,每秒鐘的結(jié)束關(guān)閉T0 ,則定時(shí)器T0 之值乘以分頻系數(shù)就為待測(cè)信號(hào)的頻率。中斷開始關(guān)外部計(jì)數(shù)器中斷計(jì)數(shù)器裝初值開外部計(jì)數(shù)器選擇相應(yīng)檔位判斷計(jì)數(shù)是否為 1 s中斷返回Y圖20 T0中斷服務(wù)子程序定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1工作在計(jì)數(shù)方式, 對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器1中斷流程圖如圖21所示。中斷開始中斷開始計(jì)數(shù)器加 1圖21 計(jì)數(shù)器1中斷服務(wù)子程序 顯示子程序顯示子程序?qū)⒋娣旁陲@示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數(shù)碼管上顯示出來,由于所有 4 位數(shù)碼管的 8 根段選線并聯(lián)在一起由單片機(jī)的 P2 口 控制,因此,在每一瞬間 4 位數(shù)碼管會(huì)顯示相同的字符,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管,即在每一瞬間只點(diǎn)亮某一位顯示字符,在此瞬間,段選控制口 P2 輸出相應(yīng)字符。由 逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè)數(shù)碼管, 每位保持 1mS ,在 10mS～20mS 之內(nèi)再點(diǎn)亮一次,重復(fù)不止,利用人的視角暫留,好像 4 位數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮。數(shù)碼管顯示子程序流程如圖 22 所示。開始