【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作為顯 示。 方案三： 采用 LCD 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，對(duì)于本設(shè)計(jì)而言一個(gè) LCD1602 的液晶屏即可，價(jià)格也還能接受，需要的借口線較多，但會(huì)給調(diào)試帶來諸多方便。 所以本設(shè)計(jì)中方案三中的 LCD1602 液顯示屏作為顯示模塊。 放大電路的選型和論證 方案一： 采用集成運(yùn)放作為放大電路，該電路只需要在外部配置少量電阻電容則能完成放大功能，十分方便設(shè)計(jì)，但是本設(shè)計(jì)需要放大 1HZ 到 10MHZ 的信號(hào)，通頻帶比較寬，因此對(duì)集成運(yùn)放的要求較高，一般能處理寬帶信號(hào)的集成運(yùn)放成本比較高。 方案二： 采用三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管作為放大電路，三極管放大電路所需要原件較為簡(jiǎn)單容易購(gòu)置，而且電路較為成熟，三極管的價(jià)格也十分低廉，而且三極管電路性能優(yōu)越，是作為一個(gè)低成本的放大電路的不二之選。 所以本設(shè)計(jì)中選用三極管為放大電路中使用。 軟件部分 軟件工具介紹 單片機(jī)程序編寫使用的是《 keil》，它 是 美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容 單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器 、第 2 章 設(shè)計(jì)方案 11 宏匯編 、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè) 集成開發(fā)環(huán)境 （ μVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行 Keil 軟件需要WIN9 NT、 WIN20xx、 WINXP 等操作系統(tǒng)。 電路設(shè)計(jì)使用的是《 protel 99se》，按照系統(tǒng)功能來劃分， Protel 99se 主要包含以下倆大部分和 6 個(gè)功能模塊 [14]。 電路工程設(shè)計(jì)部分： （ 1）電路原理設(shè)計(jì)部分（ Advanced Schematic 99）：電路原理圖設(shè)計(jì)部分包括電路圖編輯器（簡(jiǎn)稱 SCH 編輯器）、電路圖零件庫(kù)編輯器（簡(jiǎn)稱 Schlib 編輯器）和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫(kù)；查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫(kù)的各種報(bào)表。 （ 2）印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ Advanced PCB 99）：印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器（簡(jiǎn)稱 PCB 編輯器）、零件封裝編輯器（簡(jiǎn)稱 PCBLib 編輯器）和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路 板組件。 （ 3）自動(dòng)布線系統(tǒng)（ Advanced Route 99）：本系統(tǒng)包含一個(gè)基于形狀（ Shapebased）的無柵格自動(dòng)布線器，用于印刷電路板的自動(dòng)布線，以實(shí)現(xiàn) PCB設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。 電路仿真與 PLD 部分： （ 1）電路模擬仿真系統(tǒng)（ Advanced SIM 99）：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個(gè)數(shù)字 /模擬信號(hào)仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，以便對(duì)電路原理圖進(jìn)行信號(hào)模擬仿真，從而驗(yàn)證其正確性和可行性。 （ 2）可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ Advanced PLD 99）：可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含一個(gè)有語法功能的文 本編輯器和一個(gè)波形編輯器（ Waveform）。本系統(tǒng)的主要功能是；對(duì)邏輯電路進(jìn)行分析、綜合；觀察信號(hào)的波形。利用 PLD 系統(tǒng)可以最大限度的精簡(jiǎn)邏輯部件，使數(shù)字電路設(shè)計(jì)達(dá)到最簡(jiǎn)化。 （ 3）高級(jí)信號(hào)完整性分析系統(tǒng)（ Advanced Integrity 99）：信號(hào)完整性分析系統(tǒng)提供了一個(gè)精確的信號(hào)完整性模擬器，可用來分析 PCB 設(shè)計(jì)、檢查電路設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)超調(diào)量、阻抗和信號(hào)諧波要求等 [15]。 模塊流程圖 本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要完成液晶顯示、頻率電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì) 12 測(cè)量、放大整形濾波等功能的控制，起到總控和協(xié)調(diào)各模塊之間工作的作用。 圖 24 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，本設(shè)計(jì)可分為以下模塊：三極管放大電路、整形電路、分頻電路、液晶模塊。下面對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案逐一進(jìn)行論證分析。第 3 章 實(shí)現(xiàn)功能 13 第 3 章 實(shí)現(xiàn)功能 實(shí)現(xiàn)功能描述 （ 1）能夠?qū)?1HZ 對(duì) 10MHZ 正弦波、三角波、方波信號(hào)等周期信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量 （ 2）系統(tǒng)能夠把測(cè)量信號(hào)的頻率顯示在液晶屏幕上。 （ 3）系統(tǒng)能夠把測(cè)量信號(hào)的周期顯示在液晶屏幕上。 電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體原理圖 圖 31 系統(tǒng)整體原理圖 電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì) 14 主控模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40U3單片機(jī)+5V12Y112MHZ30pFC730pFC810uFC110KR1+5VS1SWPB1 2 3 4 5 6 7 8 9P1 10K 排阻+5V 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 圖 32 為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，單片機(jī)最小系統(tǒng)有單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成，時(shí)鐘電路選用了 12MHZ 的晶振提供時(shí)鐘，作用為給單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時(shí)間為一個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)的復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵之后可以使單片機(jī)進(jìn)入剛上電的起始狀態(tài)。圖中 10K 排阻為 P0 口的上拉電阻，由于 P0 口跟其他 IO 結(jié)構(gòu)不一樣為漏極開路的結(jié)構(gòu)，因此要加上拉電阻才能正常使用。 LCD 液晶顯示器 液晶顯示部分與 STC89C52 的接口 如圖 33 所示。用 STC89C52 的 P0 口作為數(shù)據(jù)線，用 、 、 分別作為 LCD 的 EN、 R/W、 RS。其中 EN 是下降沿觸發(fā)的片選信號(hào)， R/W 是讀寫信號(hào)， RS 是寄存器選擇信號(hào)本模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設(shè)置接口數(shù)據(jù)位 為 8 位，顯 示行 數(shù)為 1 行， 字型為 57 點(diǎn)陣，然后設(shè)置為整體顯示，取消光標(biāo)和字體閃爍 ,最后設(shè)置為正向增量方式且不移位。向 LCD 的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用 2 個(gè)字符數(shù)組，一個(gè)顯示字符，另一個(gè)顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示 .首先取一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到 LCD 的顯示緩沖區(qū)，程序延時(shí) ,判斷是否夠顯示的個(gè)數(shù)，不夠則地址加一取下一個(gè)要顯示的字符或數(shù)據(jù)。 第 3 章 實(shí)現(xiàn)功能 15 12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40U3單片機(jī)+5V1 2 3 4 5 6 7 8 9P1 10K 排阻VSS1VCC2VEE3RS4RW5EN6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714A15K16LCD1lcd1602+5V10KR21234P4 供電座子+5V+5V+5V+5VC6+5V 圖 33LCD1602 與 STC89C52 的接口 三極管放大電路設(shè)計(jì) U22SC3355 C31000uF C23KR41KR512P2300R368R6C41000uFC5+5V12P3頻率輸入頻率地端 圖 34 三極管放大電路 由于單片機(jī)只能讀取數(shù)字信號(hào)，當(dāng)輸入的信號(hào)比較小的時(shí)候單片機(jī)不能直接讀取，因此這里使用了一級(jí)三極管放大電路對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，其中電路中的 R4 和 R5 給三極管的基極提供和合適偏置。基極電壓可以由以下公式求得VD=。 由于三極管的基極和發(fā)射極之間的壓降為 ，因此發(fā)射機(jī)的電壓可以由以下公式求得 : 由于 IC≈IE,IE=Ve/R6≈,因此 Vc=VCCIe*R3=。因此三極管放大電路的集電極輸出端的直流靜態(tài)工作點(diǎn)為 。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)只處理信號(hào)，因此三極管放大電路的輸入端采用的大電容進(jìn)行交電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì) 16 流耦合進(jìn)而隔絕交流成分，為了使整個(gè)頻率計(jì)能測(cè)量更小幅值的周期信號(hào)，這個(gè)電路用旁路電容對(duì)發(fā)射極電阻進(jìn)行旁路從而提高其交流放大倍數(shù)，放大倍數(shù) A可以由以下公式求得。 A≈R3/(R6//RC4//RC5) 其中 RC4 為 C4 交流等效阻抗， RC5 為 C4 交流等效阻抗。但是放大倍數(shù)最終會(huì)受限于三極管的 β（三極管的電流放大系數(shù)）。因此最終放大倍數(shù)會(huì)限制在數(shù)百倍，由于這里只需要把輸入的周期信號(hào)放 大到足夠大就可以通過整形電路整形成方波，因此這里放大倍數(shù)不需要很精確，放大后的波形出現(xiàn)截止失真也不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成。 整形模塊設(shè)計(jì) 施密特觸發(fā)器芯片介紹 施密特觸發(fā)器也有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號(hào)電位維持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。 門電路有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時(shí)電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。原理示意圖如圖 35 所示。 圖 35 施密特觸發(fā)器原理示意圖 74HC14 是一款 高速 CMOS 器件， 74HC14 引腳兼容低功耗肖特基 TTL（ LSTTL）系列。 74HC14 遵循 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) 。 74HC14 實(shí)現(xiàn)了 6 路施密特觸發(fā)反相器，可將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動(dòng)的輸出信號(hào) 其芯片引腳圖如圖 38 所示，芯片真值表如表 31 所示。 第 3 章 實(shí)現(xiàn)功能 17 圖 36 74HC14 芯片引腳圖 表 31 74HC14 真值表 Input 輸入 output 輸出 A Y L H H L 電路設(shè)計(jì) 由于三極管放大電路輸出的信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，存在著上升沿不夠陡峭，波形類似于正弦波等問題，為了使單片機(jī)對(duì)信號(hào)更好的采集，這里使用了施 密特觸發(fā)器 74HC14 對(duì)三極管放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行整形。電路圖如圖37 所示。 1A11Y22A32Y43A53Y6GND74Y84A95Y105A116Y126A13VCC14U174HC14+5V 圖 37 施密特觸發(fā)器電路原理圖 其中輸入信號(hào)從芯片的 1 號(hào)腳輸入， 74HC14 本身是一個(gè)芯片內(nèi)部帶有 6 個(gè)施密特觸發(fā)器，我這里為了充分利用芯片使用了其中三個(gè)，實(shí)際上可以只使用一個(gè)。整形后的信號(hào)從芯片的 6 號(hào)腳輸出。 分頻模塊設(shè)計(jì) 74HC390 芯片介紹 分頻電路一般采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器如 74HC290、 74HC390 等來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)電子科技大學(xué)成都學(xué)院課程設(shè)計(jì) 18 單元的計(jì)數(shù)功能。本次設(shè)計(jì)中選擇 74HC390。由其內(nèi)部邏輯框圖 (如圖 3)可知，其為雙 2510 異步計(jì)數(shù)器，并每一計(jì)數(shù)器均有一個(gè)異步清零端（高電平有效）。由于我們要設(shè)計(jì)的是 100 分頻電路，因此 74HC390 內(nèi)部?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)器都用上，分別都設(shè)置成 10 計(jì)數(shù)器。 圖 38 74HC390 內(nèi)部邏輯框圖 74HC390 分頻電路設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)運(yùn)行速度有限，單片機(jī)運(yùn)行一條基礎(chǔ)指令需要 1 個(gè)機(jī)器周期即12 個(gè)是時(shí)鐘周期，換算成時(shí)間為 1us。因此當(dāng)頻率過高的時(shí)候單片機(jī)就不能很精確的換算出頻率。為了解決這個(gè)問題，這設(shè)計(jì)加入了一個(gè) 100 分頻的計(jì)數(shù)器。當(dāng)頻率高于 200KHZ 的時(shí)候單片機(jī)計(jì)算分頻后的信號(hào)，當(dāng)頻率低于 200KHZ 的時(shí)候計(jì)算分頻前的信號(hào)。這樣高低搭配可以擴(kuò)大單片機(jī)的測(cè)量頻率。最終換算出其真實(shí)對(duì)應(yīng)的頻率并在液晶上顯示。其中電路圖如圖 39 所示。 1CP01