【文章內容簡介】 電壓。再經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為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。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，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節(jié)與穩(wěn)壓管串聯的限流電阻上的壓降來達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它一般適用于負載電流變化較小的場合。串聯型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯負反饋的原理來調節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實上是串聯穩(wěn)壓電源的集成化。 電源電路設計根據上述介紹設計，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 部 還 有 過 流 、 過 熱 及 調 整 管 的 保 護 電 路 ， 使 用 起 來 可 靠 、 方 便 ， 而 且價 格 便 宜 ， 因 此 使用 LM7805 穩(wěn)壓芯片進行 5V 的電源電路設計。 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可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大 [10]。根據上述分析，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 的周期信號如正弦波、三角波及方波等波形進行放大。與非門 74LS00 構成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出波形信號進行整形，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 分頻設計模塊分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現單片機頻率和周期測量使用統一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統的測頻誤差。可用 74161 進行分頻。 分頻電路分析本頻率計的設計以 AT89S51 單片機為核心，利用他內部的定時／計數器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機 AT89S51 內部具有 2 個 16 位定時／計數器，定時／計數器的工作可以由編程來實現定時、計數和產生計數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，每來一個機器周期，計數器自動加 1（使用 12 MHz 時鐘時，每 1μs 加1），這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在計數器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從 1 到 0 的跳變時計數器加 1，這樣在計數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 個機器周期（24 個振蕩周期），所以最大計數速率為時鐘頻率的 1／24（使用 12 MHz 時鐘時，最大計數速率為 500 kHz），因此采用 74LS161 進行外部十分頻使測頻范圍達到2MHz。為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數器計數測得頻率值；當被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數測得頻率值。這兩種情況使用74LS151 進行通道選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據信號頻率值的高低進行通道的相應導通，繼而測得相應頻率值。 74LS161 芯片介紹74LS161 是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器 [12]，可以靈活的運用在各種數字電路，以及單片機系統種實現分頻器等很多重要的功能。74LS161 引腳如圖 12 所示。圖 12 74LS161 引腳圖時鐘 CP 和四個數據輸入端 P0~P3，清零/MR，使能 CEP，CET，置數 PE，數據輸出端Q0~Q3，以及進位輸出 TC (TC=Q0Q1Q2Q3CET)。表 4 為 74161 的功能表。表 4 74161 的功能表清零RD預置LD使能EP ET時鐘CP預置數據輸入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 數其 中 RD 是 異 步 清 零 端 ， LD 是 預 置 數 控 制 端 ， A、 B、 C、 D 是 預 置 數 據 輸 入 端 ， EP和 ET 是 計 數 使 能 端 ， RCO(=)是 進 位 輸 出 端 ， 它 的 設 置 為 多 片 集 成 計 數器 的 級 聯 提 供 了 方 便 。 計 數 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 器 清 零 。 RD 變 為 1 后 ， 加 入 一 置 數 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 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 置 的 輸 入 數 據 相 同 ， 這 就 是 預 置 操 作 。 接 著 EP=ET=1,在 此 期 間 74161一 直 處 于 計 數 狀 態(tài) 。 一 直 到 EP=0， ET＝ 1， 計 數 器 計 數 狀 態(tài) 結 束 。從 74LS161 功能表功能表中可以知道，當清零端 CR=“0”，計數器輸出QQQQ0 立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當 CR=“1”且 LD=“0”時，在 CP 信號上升沿作用后，74LS161 輸出端 QQQQ0 的狀態(tài)分別與并行數據輸入端D3，D2，D1，D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數功能。而只有當 CR=LD=EP=ET=“1”、CP 脈沖上升沿作用后，計數器加 1。74LS161 還有一個進位輸出端 CO，其邏輯關系是 CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片 74LS161 可以組成 16進制以下的任意進制分頻器。 74LS151 芯片介紹數據選擇端（ABC）按二進制譯碼，以從 8 個數據（D0D7）中選取 1 個所需的數據。只有在選通端 STROBE 為低電平時才可選擇數據。74LS151 有互補輸出端（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 數據輸入端，STROBE 為選通輸入端（低電平有效） ，W 為反碼數據輸出端，Y 為數據輸出端。表 5 74151 功能表 分頻電路根據以上分析，采用 74LS161 和 74LS151 設計分頻電路如圖 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換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數碼管動態(tài)顯示頻率計被測數值，使用三極管 8550 進行驅動，使數碼管亮度變亮，便于觀察測量。量程轉換指示電路由紅、黃、綠三個 LED 分別指示 Hz、KHz 及 MHz 檔，使讀數簡單可觀。 數碼管介紹常見的數碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數碼管，根據其結構的不同，可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管兩種。根據管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型 [14].兩種數碼管內部原理如圖 16 所示。圖 16 兩種數碼管內部原理圖LED 數碼管中各段發(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，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數碼管起輝電流只有 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)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。 頻率值顯示電路數碼管電路設計不加三極管驅動時，數碼管顯示數值看不清，不便于頻率值的測量與調試。因此加入三極管 8550 進行驅動數碼管。使用 4 位數碼管進行頻率值顯示，如果選擇共陰極數碼管顯示，則需要 8 個三極管進行驅動，而采用共陽極數碼管則需要 4 個三極管驅動，為了節(jié)約成本，因此選用共陽極數碼管進行動態(tài)顯示，具體數碼管設計電路如圖 17 所示。ABCDEFGP3U?7LQ0KR6圖 17 數碼管顯示電路 檔位轉換指示電路根據設計要求，采用紅、黃、綠三個 LED 分別指示 Hz、KHz 及 MHz 檔，根據被測信號的頻率值大小，可以自動切換量程單位，無需手動切換，便于測量和讀數，簡單方便。具體設計的檔位轉換 LED 指示電路如圖 18 所示。 D7RE9GN8YLOW2056V13圖 18 LED 檔位指示電路第四章 系統的軟件設計系統軟件設計主要采用模塊化設計，敘述了各個模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil 和 Proteus 的使用方法和調試仿真。 軟件模塊設計系統軟件設計采用模塊化設計方法。整個系統由初始化模塊，信號頻率測量模塊，自動量程轉換和顯示模塊等模塊組成。系統軟件流程如圖 19 所示。頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時／計數器的工作方式。定時／計數器的工作首先被設置為計數器方式，即用來測量信號頻率 [15]。開始系統初始化頻率測量頻率是否超過 1 K H z硬件十分頻計數器計數測頻率值測量數據顯示NY圖 19 系統軟件流程總圖首先定時／計數器的計數寄存器清 0，運行控制位 TR 置 1，啟動對待測信號的計數。計數閘門由軟件延時程序實現，從計數閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計數閘門結束時 TR 清 0，停止計數。計數寄存器中的數值經過數制轉換程序從十六進制數轉換為十進制數。判斷該數的最高位，若該位不為 0，滿足測量數據有效位數的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為 0，將計數閘門的寬度擴大 10 倍，重新對待測信號的計數，直到滿足測量數據有效位數的要求。定時／計數器的工作被設置為定時器方式，定時／計數器的計數寄存器清 0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位 TR 置為 1，以單片機工作周期為單位進行計數，直至信號的下跳沿到來，運行控制位 TR 清 0，停止計數。16 位定時／計數器的最高計數值為 65535，當待測信號的頻率較低時，定時／計數器可以對被測信號直接計數，當被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時／計數器對被測信號計數，加大測量的精度和范圍。 中斷服務子程序T0中斷服務子程序流程如圖20所示。測頻時,定時器T0 工作在定時方式,每次定時50mS ,則T0 中斷20 次正好為1秒,即T0用來產生標準秒信號,定時器T0 用作計數器,對待測信號計數,每秒鐘的開始啟動T0 ,每秒鐘的結束關閉T0 ,則定時器T0 之值乘以分頻系數就為待測信號的頻率。中斷開始關外部計數器中斷計數器裝初值開外部計數器選擇相應檔位判斷計數是否為 1 s中斷返回Y圖20 T0中斷服務子程序定時／計數器T1工作在計數方式, 對信號進行計數,計數器1中斷流程圖如圖21所示。中斷開始中斷開始計數器加 1圖21 計數器1中斷服務子程序 顯示子程序顯示子程序將存放在顯示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數碼管上顯示出來,由于所有 4 位數碼管的 8 根段選線并聯在一起由單片機的 P2 口 控制,因此,在每一瞬間 4 位數碼管會顯示相同的字符,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點亮各位數碼管,即在每一瞬間只點亮某一位顯示字符,在此瞬間,段選控制口 P2 輸出相應字符。由 逐位輪流點亮各個數碼管, 每位保持 1mS ,在 10mS～20mS 之內再點亮一次,重復不止,利用人的視角暫留,好像 4 位數碼管同時點亮。數碼管顯示子程序流程如圖 22 所示。開始