【正文】 液晶顯示器 （ LCD） 進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示 采用 LED 顯示管只能顯示 0～ 9 和一些簡(jiǎn)單的英文字母 ， 這使得頻率計(jì)的功能受到極大的限制 ， 而 LCD顯示管能夠解決 LED 的不足 ， 增強(qiáng)顯示功能。如果測(cè)量結(jié)果仍不具有 2位有效數(shù)字 ， 頻率計(jì)則使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。 高頻段測(cè)量和低頻段測(cè)量 選擇不同的測(cè)量量程。比如：按下 1 鍵 ， 單片機(jī)的指令執(zhí)行測(cè) 頻率的程序 ； 按下 2鍵 ， 單片機(jī)指令接到測(cè)周期命令后，中斷測(cè)頻率的 子 程序， 跳轉(zhuǎn)到 測(cè)周期的 子 程序 去響應(yīng) ， 實(shí)現(xiàn)周期的測(cè)量；同樣，按下3鍵，可以去測(cè)量占空比；按下 4 鍵 ， 可以去測(cè)量脈寬等等。 增加電源部分 在上面數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)工程中 ， 使用的是外部 干電池 電源對(duì)單片機(jī)和其他電路供電 ， 操作起來(lái)很方便 ， 但有一個(gè)缺點(diǎn)是 外部提供的電源準(zhǔn)確度不是很高。 （ 2） 減少觸發(fā)誤差的措施 若要減少觸發(fā)誤差只有兩個(gè)措施 ， 一個(gè)是提高被測(cè)信號(hào)的信號(hào)噪聲比 ， 這需保證硬件電路 受 外界 測(cè)量環(huán)境 和 條件的 影響小 。 使用前對(duì)石英晶體振蕩器進(jìn)行校準(zhǔn) 盡量減少石英晶體 振蕩器的關(guān)機(jī)次數(shù) 重現(xiàn)性是造成時(shí)基誤差的重要原因 。 而通過(guò)計(jì)數(shù)器直接測(cè) 頻時(shí)的閘門(mén)時(shí)間和測(cè)周期時(shí)的時(shí)標(biāo)脈沖都是由石英晶體振蕩器的輸出經(jīng)過(guò)分頻或倍頻得 到的。 兩個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1分別對(duì)被測(cè)信號(hào) xf 和時(shí)基信號(hào) cf 進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 當(dāng)同步控制器在單片機(jī)設(shè)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到xf 和 cf 同步時(shí)便產(chǎn)生閘門(mén)信號(hào) ， 打開(kāi)單片機(jī)計(jì)數(shù)器閘門(mén) ， 控制 T0、 T1開(kāi)始計(jì)數(shù)。但 數(shù)字頻率計(jì) 測(cè)周期時(shí) ， 計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻誤差的影響卻隨被測(cè)信號(hào)頻率降低而減少 。 （ 2） 計(jì)數(shù)誤差 的影響 直接測(cè)頻時(shí)計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻的影響 數(shù)字頻率計(jì) 直接 測(cè) 頻時(shí) ， 被測(cè)信號(hào)的 頻率 0f 為 ?Nf ?0 （ 52） 計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè) 頻誤差的影響可由對(duì) （ 52） 式求 N 的微分得出 NdNfdfxx ?????????? 11? （ 53） 由產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差的原因可知， 對(duì)于 NdN 部 分 ,無(wú)論閘門(mén)時(shí)間長(zhǎng)短 ,計(jì)數(shù)法測(cè)頻總存在 1個(gè)單位的量化誤差，即 計(jì)數(shù)誤差 dN 為177。如圖 51所示 。 數(shù)字頻率計(jì) 測(cè)量的誤差由 計(jì)數(shù)誤差 （ 1? ） ， 時(shí)標(biāo)信號(hào)的 誤差 （ 2? ） 和 被測(cè)信號(hào)噪聲引起的觸發(fā)誤差（ 3? ） 三部分組成 [13]， 即 321 ???? ??? （ 51） 下面我們將對(duì) 數(shù)字頻率計(jì) 測(cè)量頻率產(chǎn)生誤差的原因， 影響及減少測(cè)量誤差的措施加以分析。 另外高頻段和低頻段的分界頻率點(diǎn)的誤差較大，所以恰當(dāng)選擇分界頻率點(diǎn)可以減小平均相對(duì)誤差。 測(cè)試數(shù)據(jù) 分析 為了能夠更好地衡量設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)的工作情況和測(cè)量精度，我們將測(cè)得的頻率值與頻率發(fā)生器的準(zhǔn)確值作一個(gè)對(duì)比，以表格的形式表現(xiàn)出來(lái)，如表 51所示。 （ 3）頻率計(jì)測(cè)得的頻率值 與標(biāo)準(zhǔn)值之間有 大的 誤差。用萬(wàn)用表檢查的結(jié)果是單片機(jī)出現(xiàn)了短路，去掉短路線后，單片機(jī)能正常工作。如果電壓不正確 ， 電路將無(wú)法正常工作；如果電壓不穩(wěn)定 ， 將影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將萬(wàn)用表打到 20V 直流電壓檔 ， 檢測(cè)各個(gè)模擬元件和數(shù)字芯片是否處于正常工作狀況。首先將位選碼、段選碼初始化賦值，分別送單片機(jī)端口，通過(guò)查表將存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)送 LED 顯示；調(diào)延時(shí)程序，指向下一個(gè)顯示單元，直到所有位顯示完退出。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(hào)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(cè)信號(hào)的頻率值 。 為提高運(yùn)算精度 ， 這里采用浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算 。因?yàn)閱纹瑱C(jī) AT89C52 內(nèi)置計(jì)數(shù)器只能進(jìn)行二進(jìn)制計(jì)數(shù)， 而顯示部分不能識(shí)別二進(jìn)制數(shù)，所以 計(jì)數(shù)的 結(jié)果必須先進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制運(yùn)算，變成輸出顯示能夠識(shí)別的 BCD 碼 ， 然后 再 將結(jié)果 送到顯示緩沖區(qū)進(jìn)行顯示。 它解決了快速的CPU和慢速的外設(shè)之間的矛盾，使它們能夠同步工作，大大提高了 CPU資源的利用率。 T0/TI 初始化 啟動(dòng)定時(shí)器 T1 打開(kāi)計(jì)數(shù)閘門(mén) 關(guān)閉計(jì)數(shù)閘門(mén) 關(guān)閉計(jì)數(shù)器 讀入計(jì)數(shù)值 計(jì)數(shù)值修正 結(jié)果轉(zhuǎn)換成 BCD碼 送動(dòng)態(tài)顯示 輔助計(jì)數(shù)器加 1 定時(shí)時(shí)間到？ Y Y N N 計(jì)數(shù)器 T0溢出？ 延時(shí) 100μ s 開(kāi)始 24 利用測(cè)周期法 實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí) ， 外部的待測(cè)信號(hào)通過(guò)頻率計(jì)的預(yù)處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期的方波 ， 該方波同樣加至定時(shí) /計(jì)數(shù)器的輸入腳 [12]。 直接頻率測(cè)量模塊 這是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)模塊中最重要的一部分 。 數(shù)字頻率計(jì)的 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。第二 ， 單片機(jī)寄存器內(nèi)存放的是基準(zhǔn) 時(shí)鐘 脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù) ， 即就是待測(cè)脈沖信號(hào)的周期。因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能檢測(cè)到高電平的存在，所以 在脈沖 信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前，先通過(guò) Q0 MR MR 74HC00 74LS08 74LS393 AT89C52 CP 11 10 IN 顯示 13 22 74LS393的二分頻 電路 ，將脈沖信號(hào)變成全是高電平的信號(hào)， 再接到單片機(jī)的 （ 1INT ） ， 在高電平出現(xiàn)時(shí) T1開(kāi)始計(jì)數(shù) ， 在低電平出現(xiàn)時(shí)停止計(jì)數(shù) 。 在計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)使用 SETB （ 74LS08） ， 經(jīng) 74HC00整形后的脈沖信號(hào)通過(guò) 74LS08的一個(gè)與門(mén)至 74LS393進(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值作為頻率計(jì)頻率值的低 8位 （ DO～ D7） ， 1s后關(guān)閉閘門(mén)，其計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò) P1口讀入 ， D7位 （ 74LS393的其中一個(gè) Q3） 與 AT89C52的 T0引腳連接， T0計(jì)數(shù)值作為頻率計(jì)的 D8～ D23位。閘門(mén) 打 開(kāi) ， 矩形脈沖送到 74LS393進(jìn)行 計(jì)數(shù)和分 頻， AT89C52外接晶振 24MHz， 該晶振的頻率穩(wěn)定性 很 重要，因?yàn)樗彩情T(mén)控信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)。 前置放大器完成信號(hào)放大、電 平平移的任務(wù) ， 被測(cè)的交流信號(hào)被放大 、 平移成脈沖直流信號(hào)，再經(jīng) 74HC00反相器整形成矩形脈沖。 由于它需要兩個(gè)機(jī)器周 期 （ 24個(gè)時(shí)鐘周期 ） 來(lái)識(shí)別一個(gè)“ 1” 到“ 0” 的跳變信號(hào) ， 所以最高的計(jì)數(shù)頻率為時(shí)鐘頻率的 1/24。 當(dāng)控制信號(hào) 1/ ?TC 時(shí) ， 定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)方式 。 由 上 圖可以看出 ， 脈沖 f 是振蕩器時(shí)鐘頻率 0f 的 12分頻 ， 即脈沖頻率 f 為時(shí)鐘頻率 0f 的 1/12。 18 P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T / V P D9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17X T A L 218X T A L 119GND20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V pp31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39V C C40A T 89C 52A T 89C 52OE19T / R1A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711A02B018V C C20GND10S N 74L S 245NS N 74L S 245N1 2S N 74L S 06NU 1A3 4S N 74L S 06NU 1B5 6S N 74L S 06NU 1C9 8S N 74L S 06NU 1D1 2S N 74L S 06NU 2A3 4S N 74L S 06NU 2B5 6S N 74L S 06NU 2C9 8S N 74L S 06NU 2DY0Y1Y2 Y4Y5Y6Y7+5+5b0b1b2b3b4b5b6b7Y3 A111H12F102H93H8B74H6E1D2DP3C4G5L E D *4l e d2A111H12F102H93H8B74H6E1D2DP3C4G5L E D *4l e d1+5100R e s 2R 13100R e s 2R 14100R e s 2R 15100R e s 2R 16100R e s 2R 17100R e s 2R 18100R e s 2R 19100R e s 2R 20b0b1b2b3b4b5b6b7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7圖 47 測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電路 Survey data display circuit 19 硬件電路工作過(guò)程 首先 討論一下定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的工作原理 。另外，由于 51單片機(jī)的 P0口沒(méi)有上拉電阻，在將 P0口設(shè)置為輸出端時(shí)，必須考慮在段驅(qū)動(dòng)的每一段位上接入上拉電阻，使 LED顯示管能夠工作。 頻率計(jì)數(shù)結(jié)果以 BCD碼的形式存放在 89C52的存儲(chǔ)單元中，通過(guò) P0口接到 74LS245上，控制 8位 LED的段選碼；通過(guò) P2口接到 74LS06上，控制 8位 LED的位選碼。對(duì)于每一位 LED顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通和截止。 單片機(jī)復(fù)位端（ RST）17 可采用內(nèi)部軟件復(fù)位，也可采用外部手動(dòng)復(fù)位，實(shí)際操作也很方便。將 P3口設(shè)置為第二功能。另外引腳在程序控 制下有第二功能，可供設(shè)計(jì)者靈活選擇。 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量或者待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。 74LS393的最大計(jì)數(shù)速率可達(dá) 50MHz，與 AT89C52內(nèi)的 T0組成 24位的計(jì)數(shù)器，其最大計(jì)數(shù)值為 242 1=16777215，分辨率將大大提高 [10]。 如圖 45所示。同樣，在實(shí)際應(yīng)用中 ， 僅僅用到一個(gè)與門(mén)，它的 1腳接 74HC00的輸出信號(hào)， 2腳接到單片機(jī)的 ，通過(guò)單片機(jī)控制 2腳是高電平還是低電平。 在實(shí)際應(yīng)用中，僅僅用到一個(gè)與非門(mén)，它的一腳接高電平 ， 二腳接通過(guò) 放大作用放大的輸入信號(hào) ， 三腳輸出高低電平的數(shù)字信號(hào) 。在數(shù)字系統(tǒng)中 ，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往會(huì)發(fā)生波形畸變 ， 例如：當(dāng)傳輸線上電容較大時(shí)，波形的上升沿和下降沿將明顯變壞；當(dāng)傳輸線較長(zhǎng)，而且接收端的阻抗與傳輸線上的阻抗不匹配時(shí) ， 在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象 ； 當(dāng)其他脈沖信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號(hào)上時(shí) ，信號(hào)上將出現(xiàn)附加的噪聲 。后一個(gè)三極管采用共發(fā)射極方式，主要作用是放大非常弱的輸入脈沖信號(hào)，一般通 過(guò)它的放大后，其電壓可以達(dá)到 3伏以上。系統(tǒng)硬件 實(shí)現(xiàn) 框圖如圖 41所示。 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 功能實(shí)現(xiàn) 本次采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能： （ 1） 用 8位數(shù)碼管顯示 HZ、 KHZ、 MHZ 三個(gè)頻段的 待測(cè)脈沖信號(hào)的頻率值。在 平 均周期測(cè)量法中 ， N 值的大小與測(cè)量時(shí)間的長(zhǎng)短成正比 ， 可根據(jù)測(cè)量精度要求而定。 圖 32 測(cè)周期法的原理框圖 Principle frame diagram of testing cycle law 它與測(cè)頻基本結(jié)構(gòu)是相同的，只是把晶體振蕩產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的位置互換了一下。 若 要求 達(dá)到一定的測(cè)量精度， 則需要 閘門(mén)開(kāi)放時(shí)間 更大，對(duì)數(shù)字頻率計(jì)而言，就 失去了使用 價(jià)值 。閘門(mén)開(kāi) 啟 時(shí) ， 經(jīng)放大整形后的測(cè)量信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 閘門(mén)關(guān)閉時(shí) ， 停止計(jì) 數(shù) 。 直接測(cè)頻法是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 周期測(cè)量法是在被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) 。該頻率計(jì)硬件較為簡(jiǎn)單，但 需要 注意的是單片機(jī)所測(cè)量的電平信號(hào)必須是直流 TTL信號(hào) ， 所以在測(cè)量前必須把非 TTL信號(hào)轉(zhuǎn)化為 TTL信號(hào) [7]。單片機(jī)外接 24MHz晶振， 它的機(jī)器周期為 s， T0的初值為 0， 產(chǎn)生一次溢出中斷時(shí)記錄的脈沖個(gè)數(shù)為 65535。也就是采用先測(cè)信號(hào)的周期 ， 然后再通過(guò)單片機(jī)求周期的倒數(shù)的方法 ， 從而得到我們所需要的低頻信號(hào)的 測(cè)量精度。 方案一采用的是 中小規(guī)模數(shù)字集成電路 ，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的測(cè)量，但其功能擴(kuò)展不易實(shí)現(xiàn)，智能化程度也不高，不符合 目前 數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展要求。由于使用了單片機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)具