【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(jì)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(shí)現(xiàn)在頻率計(jì)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中,如何實(shí)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(shí)現(xiàn)1s 的定時。此種方法由于要達(dá)到1s 的定時,必須用AT89C51 的定時中斷的多次中斷來實(shí)現(xiàn)。若每次軟件定時50ms ,則需20 次中斷才能達(dá)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(jì)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(dá)到所需的精度。用硬件來實(shí)現(xiàn)定時的硬件電路可將圖3 中待測信號輸入換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸入即可,本設(shè)計(jì)中為晶振輸入。因此在整個頻率計(jì)的設(shè)計(jì)中需用兩片74HC393 來計(jì)數(shù)。硬件實(shí)現(xiàn)定時的方法是對標(biāo)準(zhǔn)信號,如晶振產(chǎn)生的時鐘信號,用外部擴(kuò)展的計(jì)數(shù)器和AT89C51 內(nèi)部的計(jì)數(shù)器共同計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)?？蓪⒂糜趯?biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)的外部擴(kuò)展計(jì)數(shù)器的最高位引到AT89C51 的T1 端,利用AT89C51 單片機(jī)的T1 口計(jì)數(shù)溢出中斷可以實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)和定時。若采用10MHz 晶振,要實(shí)現(xiàn)1s 定時,可由外部擴(kuò)展的計(jì)數(shù)器和AT89C51 內(nèi)部計(jì)數(shù)器構(gòu)成的整個計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),當(dāng)其計(jì)數(shù)到10 兆個數(shù)后利用T1 口的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)溢出中斷來實(shí)現(xiàn)定時即可。要使用于定時的計(jì)數(shù)器達(dá)到10 兆個計(jì)數(shù),僅需對AT89C51 的T1 計(jì)數(shù)器設(shè)置計(jì)數(shù)初始值。同理,要實(shí)現(xiàn)0. 01s、0. 1s 和10s的定時,也僅需設(shè)置用于定時的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的初始值,這可用軟件來設(shè)定。實(shí)踐證明用此硬件計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)定時方法可使所設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的精度得到提高,且易于對基準(zhǔn)信號時鐘進(jìn)行調(diào)整,便于產(chǎn)品的后期調(diào)試工作。 　同步問題的實(shí)現(xiàn)除了定時信號的確定之外,在設(shè)計(jì)頻率計(jì)時,還必須考慮基準(zhǔn)信號和待測信號同步。若待測信號和基準(zhǔn)時鐘信號不同步,也很難達(dá)到所需的精度。下面介紹用74HC74 來實(shí)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(dá)計(jì)數(shù)器輸入端,同時也啟動用于定時的對標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)對標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時間到達(dá)1 秒定時時間后,使CD 和D 端為低電平,即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可得到待測信號的頻率。利用此方法來實(shí)現(xiàn)信號的同步,可使設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的精度得到進(jìn)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(jìn)行鎖存。74164 輸出的8 位并行數(shù)據(jù)送至8 段L ED ,實(shí)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(jī)可以進(jìn)行下一次測量。這種方法也便于對顯示位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。 單元模塊設(shè)計(jì) 整形放大電路的設(shè)計(jì)整形放大電路采用如下圖所示電路，該電路的關(guān)鍵點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)頻率信號電路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生電路能產(chǎn)生12MHz的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)頻率信號基本電路圖 等誤差計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)等誤差測量電路的硬件電路如下圖所示，其主要由單片機(jī)控制部分、同步門控部分、計(jì)數(shù)部分組成。單片機(jī)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(jī)選用STC89C51。74LS393產(chǎn)生的溢出位送單片機(jī)的T0與T1口，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)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(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jì)數(shù)器UU5。UU5分別對被測信號（頻率為）和標(biāo)準(zhǔn)信號(頻率為)同時計(jì)數(shù)；當(dāng)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(jì)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(jì)數(shù)值，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)頻率和預(yù)置閘門寬度，與被測信號頻率無關(guān)。這是因?yàn)橛?jì)數(shù)器U4和U5的計(jì)數(shù)閘門寬度恰好相等的原故。 學(xué)習(xí)好幫手第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 　AT89C51 測頻的軟件實(shí)現(xiàn)原理基準(zhǔn)時鐘信號與待測信號同步實(shí)現(xiàn)以后,就可對AT89C51 編軟件來實(shí)現(xiàn)對待測信號頻率的測量。當(dāng)用于定時的標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)器計(jì)到所要定時如0. 01s ,0. 1s ,1s 或10s 的相應(yīng)的計(jì)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(jì)算用于定時的計(jì)數(shù)器和對待測信號計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器的實(shí)際讀數(shù)值。若實(shí)際所計(jì)到的基準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)器計(jì)到的值為Nf ,實(shí)際所計(jì)到的待測信號的計(jì)數(shù)器計(jì)到的值為N s ,此時假定基準(zhǔn)信號的頻率為10MHz。則信號頻率f s 可用下式計(jì)算:fs =Ns/Nf10MHz在定時器中斷子程序里用上式計(jì)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(jì)開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)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(jì)數(shù)器的工作方式。定時／計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。首先定時／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位TR置1，啟動對待測信號的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計(jì)數(shù)閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計(jì)數(shù)閘門結(jié)束時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(jì)數(shù)閘門的寬度擴(kuò)大10倍，重新對待測信號的計(jì)數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當(dāng)上述測量判斷過程直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)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(jì)則使用定時方法測量待測信號的周期。定時／計(jì)數(shù)器的工作被設(shè)置為定時器方式，定時／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，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／計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65 535，當(dāng)待測信號的頻率較低時，定時／計(jì)數(shù)器將發(fā)生溢出。產(chǎn)生溢出時，程序進(jìn)入定時器中斷服務(wù)程序，對溢出次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。待測信號的周期由3個字節(jié)組成：定時／計(jì)數(shù)器溢出次數(shù)、定時／計(jì)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(yùn)算才能獲得信號的頻率。為提高運(yùn)算精度，采用浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)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(diǎn)數(shù)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)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對其進(jìn)行處理，獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值。再通過浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值變換成本頻率計(jì)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(jì)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(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)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(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)軟件開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中,根據(jù)運(yùn)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(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算程序51系列單片機(jī)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(jì)中需要完成周期到頻率的換算,為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確,這里應(yīng)用了浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算。從周期到頻率的換算過程包括: 3字節(jié)定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和浮點(diǎn)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(shí)測,精度大約為千分之二左右。第五章 實(shí)測結(jié)果和誤差分析為了衡量這次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)的工作情況和測量精度,我們對系統(tǒng)進(jìn)