【文章內(nèi)容簡介】 源，結(jié)合D觸發(fā)器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051，計數(shù)器74LS90等數(shù)字處理芯片，主要控制兩大硬件模塊，量程切換以及顯示模塊。 1s定時的實現(xiàn)在頻率計設(shè)計過程當中,如何實現(xiàn)1s 的定時時間是一個關(guān)鍵。一般思路是利用AT89C51 本身的定時器的軟件中斷來實現(xiàn)1s 的定時。此種方法由于要達到1s 的定時,必須用AT89C51 的定時中斷的多次中斷來實現(xiàn)。若每次軟件定時50ms ,則需20 次中斷才能達到1s。由于定時器的軟件中斷響應(yīng)會存在延時,而且還會隨著AT89C51 外部晶振頻率的不同而不同,因此用軟件中斷很難調(diào)整到確定的1s 定時時間。并且由于內(nèi)部定時器的計數(shù)頻率是經(jīng)過晶振頻率的十二分頻以后得到的,因此也很難達到所需的精度。用硬件來實現(xiàn)定時的硬件電路可將圖3 中待測信號輸入換成標準信號輸入即可,本設(shè)計中為晶振輸入。因此在整個頻率計的設(shè)計中需用兩片74HC393 來計數(shù)。硬件實現(xiàn)定時的方法是對標準信號,如晶振產(chǎn)生的時鐘信號,用外部擴展的計數(shù)器和AT89C51 內(nèi)部的計數(shù)器共同計數(shù)來實現(xiàn)?？蓪⒂糜趯藴市盘栍嫈?shù)的外部擴展計數(shù)器的最高位引到AT89C51 的T1 端,利用AT89C51 單片機的T1 口計數(shù)溢出中斷可以實現(xiàn)對標準信號的計數(shù)和定時。若采用10MHz 晶振,要實現(xiàn)1s 定時,可由外部擴展的計數(shù)器和AT89C51 內(nèi)部計數(shù)器構(gòu)成的整個計數(shù)器計數(shù),當其計數(shù)到10 兆個數(shù)后利用T1 口的計數(shù)器計數(shù)溢出中斷來實現(xiàn)定時即可。要使用于定時的計數(shù)器達到10 兆個計數(shù),僅需對AT89C51 的T1 計數(shù)器設(shè)置計數(shù)初始值。同理,要實現(xiàn)0. 01s、0. 1s 和10s的定時,也僅需設(shè)置用于定時的標準計數(shù)器的初始值,這可用軟件來設(shè)定。實踐證明用此硬件計數(shù)器計數(shù)定時方法可使所設(shè)計的頻率計的精度得到提高,且易于對基準信號時鐘進行調(diào)整,便于產(chǎn)品的后期調(diào)試工作。 　同步問題的實現(xiàn)除了定時信號的確定之外,在設(shè)計頻率計時,還必須考慮基準信號和待測信號同步。若待測信號和基準時鐘信號不同步,也很難達到所需的精度。下面介紹用74HC74 來實現(xiàn)同步,圖6 是同步原理圖。圖6 　同步原理圖工作原理:先使CD 端和D 端為低電平,在測量開始前使CD 和D 為高電平,然后靠待測信號的脈沖來使Q 端輸出為高電平。用Q 端啟動待測信號到達計數(shù)器輸入端,同時也啟動用于定時的對標準信號計數(shù)的計數(shù)器計數(shù)。當對標準信號計數(shù)的計數(shù)器計數(shù)時間到達1 秒定時時間后,使CD 和D 端為低電平,即可達到標準信號與待測信號的同步。然后再在AT89C51 的定時器中斷子程序中處理兩個信號計數(shù)器的計數(shù)值可得到待測信號的頻率。利用此方法來實現(xiàn)信號的同步,可使設(shè)計的頻率計的精度得到進一步提高。 數(shù)據(jù)顯示電路顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測量結(jié)果經(jīng)過譯碼,通過89C51 的串行口送出。串行口工作于模式0 ,即同步移位寄存器方式。這時從89C51 的RXD(P3. 0) 輸出數(shù)據(jù),送至串入并出移位寄存器74164 的數(shù)據(jù)輸入口A 和B 。從TXD( P3. 1) 輸出時鐘,送至74164 的時鐘輸入口CP。74164 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù),進行鎖存。74164 輸出的8 位并行數(shù)據(jù)送至8 段L ED ,實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的顯示。使用這種方法主程序可不必掃描顯示器,從而單片機可以進行下一次測量。這種方法也便于對顯示位數(shù)進行擴展。 單元模塊設(shè)計 整形放大電路的設(shè)計整形放大電路采用如下圖所示電路，該電路的關(guān)鍵點在于開關(guān)管V的選擇，采用9018NPN型高頻開關(guān)三極管能很好的滿足題目要求。電路如下： 圖7 整形放大電路圖 標準頻率信號電路的設(shè)計標準頻率發(fā)生電路能產(chǎn)生12MHz的標準方波信號，其內(nèi)部由12MHz的晶振與74LS04共同產(chǎn)生12MHz的正弦波后經(jīng)過整形得到方波。圖8 標準頻率信號基本電路圖 等誤差計數(shù)電路的設(shè)計等誤差測量電路的硬件電路如下圖所示，其主要由單片機控制部分、同步門控部分、計數(shù)部分組成。單片機控制部分主要完成測量過程的控制、測量結(jié)果的處理和顯示。單片機選用STC89C51。74LS393產(chǎn)生的溢出位送單片機的T0與T1口，由單片機進行運算處理，并送出顯示。 圖9 等誤差測量電路的硬件電路圖在圖中OUT1為經(jīng)整形和放大的被測信號，UU5為兩個可控計數(shù)器，標準頻率信號從U5的時鐘輸入端CLK1輸入，其頻率為；經(jīng)整形后的被測信號從U4的時鐘輸入端CLK1輸入，其頻率為，測得。，它是一個寬度為的脈沖。當門控信號為低電平時，經(jīng)整形后的被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的CP端口則端的信號同時啟動計數(shù)器UU5。UU5分別對被測信號（頻率為）和標準信號(頻率為)同時計數(shù)；當門控信號為高電平時，經(jīng)整形后的被測信號的一個上升沿將使這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。設(shè)在一次預(yù)置門時間中對被測信號計數(shù)值，對標準信號的計數(shù)值為，即。對其兩邊微分得：。其測頻相對誤差為：由上式可知，測頻誤差取決于標準頻率和預(yù)置閘門寬度，與被測信號頻率無關(guān)。這是因為計數(shù)器U4和U5的計數(shù)閘門寬度恰好相等的原故。 學習好幫手第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 　AT89C51 測頻的軟件實現(xiàn)原理基準時鐘信號與待測信號同步實現(xiàn)以后,就可對AT89C51 編軟件來實現(xiàn)對待測信號頻率的測量。當用于定時的標準信號計數(shù)器計到所要定時如0. 01s ,0. 1s ,1s 或10s 的相應(yīng)的計數(shù)脈沖個數(shù)并產(chǎn)生中斷后,在定時器中斷子程序中分別讀取并計算用于定時的計數(shù)器和對待測信號計數(shù)的計數(shù)器的實際讀數(shù)值。若實際所計到的基準信號的計數(shù)器計到的值為Nf ,實際所計到的待測信號的計數(shù)器計到的值為N s ,此時假定基準信號的頻率為10MHz。則信號頻率f s 可用下式計算:fs =Ns/Nf10MHz在定時器中斷子程序里用上式計算出待測信號的頻率后可將其值送到顯示器如數(shù)碼管顯示。 AT89C51 測頻的軟件程序框圖 圖10 　主程序框圖 圖11 　中斷子程序框圖 數(shù)據(jù)處理過程頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時／計數(shù)器的工作方式。定時／計數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。首先定時／計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，運行控制位TR置1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計數(shù)閘門結(jié)束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)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(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到1 s（對應(yīng)的頻率測量范圍為100～999 Hz）時測量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時／計數(shù)器的工作被設(shè)置為定時器方式，定時／計數(shù)器的計數(shù)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(shù)，直至信號的下跳沿到來，運行控制位TR清0，停止計數(shù)。16位定時／計數(shù)器的最高計數(shù)值為65 535，當待測信號的頻率較低時，定時／計數(shù)器將發(fā)生溢出。產(chǎn)生溢出時，程序進入定時器中斷服務(wù)程序，對溢出次數(shù)進行計數(shù)。待測信號的周期由3個字節(jié)組成：定時／計數(shù)器溢出次數(shù)、定時／計數(shù)器的高8位和低8位。信號的頻率f與信號的周期T之間的關(guān)系為：　f＝1／T　　完成信號的周期測量后，需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度，采用浮點數(shù)算術(shù)運算。浮點數(shù)由3個字節(jié)組成：第1字節(jié)最高位為數(shù)符，其余7位為階碼；第2字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié)；第3字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點數(shù)通過截取高16位、設(shè)置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術(shù)運算對其進行處理，獲得用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值。再通過浮點數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值變換成本頻率計的顯示格式，送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。完成顯示后，頻率計都開始下一次信號的頻率測量。 系統(tǒng)軟件模塊系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率測量模塊等各種功能模塊組成(見圖12) 。上電后,進入系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)軟件開始運行。在執(zhí)行過程中,根據(jù)運行流程分別調(diào)用各個功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結(jié)果顯示。圖12 　系統(tǒng)軟件流程圖 浮點數(shù)學運算程序51系列單片機屬于微控制器,由于其CPU字長和指令功能的限制,它適用于控制領(lǐng)域,在信號處理方面不很擅長。在本頻率計中需要完成周期到頻率的換算,為保證測量結(jié)果的準確,這里應(yīng)用了浮點數(shù)數(shù)學運算。從周期到頻率的換算過程包括: 3字節(jié)定點數(shù)到浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點數(shù)數(shù)學運算和浮點數(shù)到BCD 碼的轉(zhuǎn)換。由于通過多次的轉(zhuǎn)換,整個換算過程精度還不是很高,通過實測,精度大約為千分之二左右。第五章 實測結(jié)果和誤差分析為了衡量這次設(shè)計的頻率計的工作情況和測量精度,我們對系統(tǒng)進