【文章內(nèi)容簡介】 圖 35 直流穩(wěn)壓電源框圖及波形 (1)電源變壓器 T 的作用是將 220V 的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n，式中 n 是變壓器的效率。 (2)整流電路： 整流電路將交流電壓 Ui 變換成脈動的直流電壓。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。 頻率計的設(shè)計 10 圖 36 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(fù)載電阻。 圖 37 濾波電路 圖 38 濾波 波形 (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，會引起其電流有較大變化這一特點，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)壓電源事實上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。 頻率計的設(shè)計 11 電源電路設(shè)計 根據(jù)上述介紹設(shè)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(jìn)行電源工作狀態(tài)指示。 LM78XX 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，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 。 具體的 5V電源電路如下圖 39所示。 T1TransD1Bridge2200uFC2100uFC4C3C5D2S1SWSPST220R1IN12OUT3GNDU2 LM7805~220V5V 圖 39 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(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)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(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強(qiáng)弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。 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 2N3904 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(jìn)行放大。與非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出 波形 信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。 具體放大整形電路如圖 310 所示。 頻率計的設(shè)計 12 圖 310 放大整 形電路 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?74161 進(jìn)行分頻 。 分頻電路分析 本頻率計的設(shè)計以 AT89S52 單片機(jī)為核心，利用他內(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) AT89S52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 2MHz。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)0011 22*U174ls000011 22*U274ls00Q12N390447KR3Res Adj210kR1Res2R2Res210kR5Res21KR6Res239KR4Res247uFC1Cap Pol1100uFC2Cap Pol1GNDUiD1Diode 1N5407U44049u0頻率計的設(shè)計 13 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 311 所示。 圖 311 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=Q0Q1Q2Q3CET) 。表 34為 74161 的功能表。 表 34 74161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，這就是預(yù)置操作。接著 EP=ET=1,在此期間 74161一直處于計數(shù)狀態(tài)。一直到 EP=0， ET＝ 1，計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)結(jié)束。 頻率計的設(shè)計 14 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 QQ 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。 分頻電路 根據(jù)以上分析，采用 74LS161 進(jìn)行 16 分頻 和 JK觸發(fā)器 512 分頻 設(shè)計分頻電路如圖312所示。 圖 312 分頻電路 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 采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài) 顯示頻率計被測數(shù)值，使用三極管 8550 進(jìn)行驅(qū)動，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測量。 數(shù)碼管介紹 常見的數(shù)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(shù)碼管 ， 根據(jù)其D0D1D2D3D4D5ENPENTCLKLOADMRQ0Q1Q2Q3RCOU174LS161U34049D0D1D2D3D4D5ENPENTCLKLOADMRQ0Q1Q2Q3RCOU274LS161GND GND5Vu0CPJKJKJKVCCMHZKHZ頻率計的設(shè)計 15 結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽極數(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 ， 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理如圖 313所示。 圖 313 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(shù)碼管電路設(shè)計不加驅(qū)動時，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率 值的測量與調(diào)試。因此加入 74LS246 進(jìn)行驅(qū)動數(shù)碼管。使用 8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個三極管進(jìn)行驅(qū)動，而采用共陽極數(shù)碼管則需要 74LS246 驅(qū)動，為了節(jié)約成本，因此選用共陽極數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設(shè)計電路如圖 314所示。 圖 314 數(shù)碼管顯示電路 a b c d e f gA02B018A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711CE19A B / B A1U47 4 L S 2 4 512345678161514131211109R N 12 2 0頻率計的設(shè)計 16 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計主要采用模塊化設(shè)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(diào)試仿真。 軟件模塊設(shè)計 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，信號頻率測量模塊，自動量程轉(zhuǎn)換和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖 41所示。 頻率計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。 圖 41系統(tǒng)軟件流程總圖 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，頻率計的設(shè)計 17 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(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，將計數(shù)閘門的寬度擴(kuò)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。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(jī)工作周期為單位進(jìn)行計數(shù)，直至信號的下跳