【文章內(nèi)容簡介】 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大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，對于本設計而言一個 LCD1602 的液晶屏即可，價格也還能接受，需要的借口線較多，但會給調(diào)試帶來諸多方便。 所以本設計中方案三中的 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，十分方便設計，但是本設計需要放大 1HZ 到 10MHZ 的信號，通頻帶比較寬，因此對集成運放的要求較高，一般能處理寬帶信號的集成運放成本比較高。 方案二： 采用三極管或者場效應管作為放大電路，三極管放大電路所需要原件較為簡單容易購置，而且電路較為成熟，三極管的價格也十分低廉，而且三極管電路性能優(yōu)越，是作為一個低成本的放大電路的不二之選。 所以本設計中選用三極管為放大電路中使用。 軟件部分 軟件工具介紹 單片機程序編寫使用的是《 keil》，它 是 美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容 單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器 、第 2 章 設計方案 11 宏匯編 、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個 集成開發(fā)環(huán)境 （ μVision）將這些部分組合在一起。運行 Keil 軟件需要WIN9 NT、 WIN20xx、 WINXP 等操作系統(tǒng)。 電路設計使用的是《 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 個功能模塊 [14]。 電路工程設計部分： （ 1）電路原理設計部分（ Advanced Schematic 99）：電路原理圖設計部分包括電路圖編輯器（簡稱 SCH 編輯器）、電路圖零件庫編輯器（簡稱 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；查看和編輯有關電路圖和零件庫的各種報表。 （ 2）印刷電路板設計系統(tǒng)（ Advanced PCB 99）：印刷電路板設計系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器（簡稱 PCB 編輯器）、零件封裝編輯器（簡稱 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）自動布線系統(tǒng)（ Advanced Route 99）：本系統(tǒng)包含一個基于形狀（ Shapebased）的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現(xiàn) PCB設計的自動化。 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)包含一個數(shù)字 /模擬信號仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號和模擬信號，以便對電路原理圖進行信號模擬仿真，從而驗證其正確性和可行性。 （ 2）可編程邏輯設計系統(tǒng)（ Advanced PLD 99）：可編程邏輯設計系統(tǒng)包含一個有語法功能的文 本編輯器和一個波形編輯器（ Waveform）。本系統(tǒng)的主要功能是；對邏輯電路進行分析、綜合；觀察信號的波形。利用 PLD 系統(tǒng)可以最大限度的精簡邏輯部件，使數(shù)字電路設計達到最簡化。 （ 3）高級信號完整性分析系統(tǒng)（ Advanced Integrity 99）：信號完整性分析系統(tǒng)提供了一個精確的信號完整性模擬器，可用來分析 PCB 設計、檢查電路設計參數(shù)、實驗超調(diào)量、阻抗和信號諧波要求等 [15]。 模塊流程圖 本系統(tǒng)以單片機為控制核心，對系統(tǒng)進行初始化，主要完成液晶顯示、頻率電子科技大學成都學院課程設計 12 測量、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)結構框圖 本系統(tǒng)結構如圖 21 所示，本設計可分為以下模塊：三極管放大電路、整形電路、分頻電路、液晶模塊。下面對各個模塊的設計方案逐一進行論證分析。第 3 章 實現(xiàn)功能 13 第 3 章 實現(xiàn)功能 實現(xiàn)功能描述 （ 1）能夠對 1HZ 對 10MHZ 正弦波、三角波、方波信號等周期信號的頻率進行測量 （ 2）系統(tǒng)能夠把測量信號的頻率顯示在液晶屏幕上。 （ 3）系統(tǒng)能夠把測量信號的周期顯示在液晶屏幕上。 電路設計 系統(tǒng)整體原理圖 圖 31 系統(tǒng)整體原理圖 電子科技大學成都學院課程設計 14 主控模塊 單片機最小系統(tǒng)設計 12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40U3單片機+5V12Y112MHZ30pFC730pFC810uFC110KR1+5VS1SWPB1 2 3 4 5 6 7 8 9P1 10K 排阻+5V 圖 32 單片機最小系統(tǒng)電路圖 圖 32 為單片機最小系統(tǒng)電路圖，單片機最小系統(tǒng)有單片機、時鐘電路、復位電路組成，時鐘電路選用了 12MHZ 的晶振提供時鐘，作用為給單片機提供一個時間基準，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機的復位電路，按下復位按鍵之后可以使單片機進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 結構不一樣為漏極開路的結構，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， R/W 是讀寫信號， RS 是寄存器選擇信號本模塊設計要點如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設置接口數(shù)據(jù)位 為 8 位，顯 示行 數(shù)為 1 行， 字型為 57 點陣，然后設置為整體顯示，取消光標和字體閃爍 ,最后設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 個字符數(shù)組，一個顯示字符，另一個顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示 .首先取一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到 LCD 的顯示緩沖區(qū)，程序延時 ,判斷是否夠顯示的個數(shù)，不夠則地址加一取下一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)。 第 3 章 實現(xiàn)功能 15 12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40U3單片機+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 三極管放大電路設計 U22SC3355 C31000uF C23KR41KR512P2300R368R6C41000uFC5+5V12P3頻率輸入頻率地端 圖 34 三極管放大電路 由于單片機只能讀取數(shù)字信號，當輸入的信號比較小的時候單片機不能直接讀取，因此這里使用了一級三極管放大電路對輸入的信號進行放大，其中電路中的 R4 和 R5 給三極管的基極提供和合適偏置?；鶚O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)工作點為 。 因為本設計只處理信號，因此三極管放大電路的輸入端采用的大電容進行交電子科技大學成都學院課程設計 16 流耦合進而隔絕交流成分，為了使整個頻率計能測量更小幅值的周期信號，這個電路用旁路電容對發(fā)射極電阻進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)會限制在數(shù)百倍，由于這里只需要把輸入的周期信號放 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)截止失真也不會對測量結果造成。 整形模塊設計 施密特觸發(fā)器芯片介紹 施密特觸發(fā)器也有兩個穩(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)由輸入信號電位維持；對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。 門電路有一個閾值電壓，當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)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號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向閾值電壓。正向閾值電壓與負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 標準 。 74HC14 實現(xiàn)了 6 路施密特觸發(fā)反相器，可將緩慢變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號 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 電路設計 由于三極管放大電路輸出的信號不是標準的方波信號，存在著上升沿不夠陡峭，波形類似于正弦波等問題，為了使單片機對信號更好的采集，這里使用了施 密特觸發(fā)器 74HC14 對三極管放大電路輸出的信號進行整形。電路圖如圖37 所示。 1A11Y22A32Y43A53Y6GND74Y84A95Y105A116Y126A13VCC14U174HC14+5V 圖 37 施密特觸發(fā)器電路原理圖 其中輸入信號從芯片的 1 號腳輸入， 74HC14 本身是一個芯片內(nèi)部帶有 6 個施密特觸發(fā)器，我這里為了充分利用芯片使用了其中三個，實際上可以只使用一個。整形后的信號從芯片的 6 號腳輸出。 分頻模塊設計 74HC390 芯片介紹 分頻電路一般采用十進制計數(shù)器如 74HC290、 74HC390 等來實現(xiàn)時間計數(shù)電子科技大學成都學院課程設計 18 單元的計數(shù)功能。本次設計中選擇 74HC390。由其內(nèi)部邏輯框圖 (如圖 3)可知，其為雙 2510 異步計數(shù)器，并每一計數(shù)器均有一個異步清零端（高電平有效）。由于我們要設計的是 100 分頻電路，因此 74HC390 內(nèi)部兩個計數(shù)器都用上，分別都設置成 10 計數(shù)器。 圖 38 74HC390 內(nèi)部邏輯框圖 74HC390 分頻電路設計 由于單片機運行速度有限，單片機運行一條基礎指令需要 1 個機器周期即12 個是時鐘周期，換算成時間為 1us。因此當頻率過高的時候單片機就不能很精確的換算出頻率。為了解決這個問題，這設計加入了一個 100 分頻的計數(shù)器。當頻率高于 200KHZ 的時候單片機計算分頻后的信號，當頻率低于 200KHZ 的時候計算分頻前的信號。這樣高低搭配可以擴大單片機的測量頻率。最終換算出其真實對應的頻率并在液晶上顯示。其中電路圖如圖 39 所示。 1CP01