【正文】 由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精度高，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計(jì)。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字，顯示被測(cè)信號(hào) 頻率 的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。I 鄭州科技學(xué)院 專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 所 在 系 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2022 年 3 月 6 日 II 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì) 摘 要 數(shù)字頻率計(jì)是采用數(shù)字電路制成的實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性變化信號(hào)的頻率的測(cè)量。 數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)字頻率計(jì)， 正弦信號(hào) ,方波信號(hào) ,數(shù)字測(cè)量?jī)x器 III THE DESIGN OF DIGITAL FREQUENCY METER ABSTRACT Digital frequency meter is the use of digital circuit implementation of the cyclical changes in the signal frequency measurement. Digital frequency meter is the puter, munications equipment, audio, video and other essential areas of scientific research and production of measuring instruments. It is a decimal figures, displaying measured the number of signal frequency measuring instruments. Its basic function is to measure the sinusoidal signal, square wave signal and other physical changes in unit time quantity. In the simulation, digital circuit design, installation, missioning process, due to its use decimal number display, rapid measurement, high precision, visual display, so often used in digital frequency meter. KEYWORDS:digital frequency meter, sinusoidal signal, square wave signals, digital measuring instruments 1 目 錄 摘要 ............................................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 數(shù)字 頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器，它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)、尖脈沖信號(hào)以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量，因此它的用途十分廣泛：數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。這種方法免去了實(shí)測(cè)以前的預(yù)測(cè)，同時(shí)節(jié)省了劃分頻段的時(shí)間，克服了原來(lái)高頻段采用測(cè)頻模式而低頻段采用測(cè)周期模式的測(cè)量方法存在換擋速度慢的缺點(diǎn)。閘門時(shí)間也可以大于或 小于一秒。閘門時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。測(cè)量頻率的方法有多種 ,其中電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。直接測(cè)頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測(cè)量，間接測(cè)頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測(cè)量。數(shù)字集成電路廣泛用于計(jì)算機(jī)、控制與測(cè)量系統(tǒng)，以及其它電子設(shè)備中。 本文 講述了數(shù)字頻率計(jì)的工作原理以及其各個(gè)組成部分 ，記述了我在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各部分電路設(shè)計(jì)方案的選擇、對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)思路、元器件的篩選、以及對(duì)2 它們的調(diào)試、對(duì)調(diào)試結(jié)果的分析，到 最后得到比較滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的 過(guò)程。以物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者為例，百分之五十的工作是得益于新的儀器或測(cè)試手段的發(fā)明創(chuàng)造。 50 年代初期，儀器儀表取得了重大突破，數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使各種數(shù)字儀器得以問(wèn)世，把模擬儀器的精度、分辨力與測(cè)量速度提高了幾個(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化打下了良好的基礎(chǔ) 。 70 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表中的進(jìn)一步滲透，使電子儀器在傳統(tǒng)的時(shí)域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域（ Data domain）測(cè)試。測(cè)量系統(tǒng)的主要模式，是采用機(jī)柜形式，全部通過(guò) IEEE488總線送到一個(gè)控制器上。不同于傳統(tǒng)獨(dú)立儀器模式的個(gè)人儀器（ Personal instrument）已經(jīng)得到了發(fā)展。這個(gè)進(jìn)展的主要標(biāo)志是儀器儀表智能化程度的提高。 單片機(jī)在智能儀器中的應(yīng)用 隨著微處理器或微計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展 ,越來(lái)越多的、功能更加完善的智能儀器儀表將應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是在工業(yè)控制方面的應(yīng)用 ,前景將更廣大。因?yàn)樗哂泄δ軓?qiáng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，因此很適 合用于智能儀器儀表中。它的應(yīng)用正在不斷地走向深入，帶動(dòng)了傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月異的更新。在設(shè)計(jì)單片機(jī)和數(shù)字電路時(shí)經(jīng)常需要測(cè)量脈沖數(shù)量、脈沖寬度、脈沖周期、脈沖頻率等參數(shù)，雖然使用邏輯分析儀可以很好的測(cè)量這些參數(shù)，但其價(jià)格昂貴。且實(shí)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化已成為各類儀器儀表設(shè)計(jì)的方向。設(shè)計(jì)要求所需外圍元件較少，擴(kuò)展性能強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試準(zhǔn)確度高，有很好的開(kāi)發(fā)前景。下面我將首先對(duì)這種方案的組成框圖和實(shí)現(xiàn)原理分別進(jìn)行說(shuō)明。其中信號(hào)預(yù)處理電路包含信號(hào)放大、波形變換和波形整形。信號(hào)預(yù)處理電路中的放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度的要求；波形變換和波形整形電路將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)變成可與單片機(jī)接口的 TTL信號(hào)；單片機(jī)通過(guò)設(shè)置使 T1引腳控制內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T1工作，這樣能精確地測(cè)出加到 T1引腳的正脈沖的個(gè)數(shù)；頻率顯示部分采用并行 LED顯示模塊 ,精簡(jiǎn)了外圍器件 [2]。 圖 關(guān)于 TTL信號(hào)的點(diǎn)滴介紹： TTL電平信號(hào)被利用的最多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定， +5V等價(jià)于邏輯 1， 0V等價(jià)于邏輯 0，這被稱做 TTL（晶體管 晶體管邏輯電平）信號(hào)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于超過(guò) 10英尺的距離就不適合了。因?yàn)樵诓⑿薪涌谥写嬖谥嗪筒粚?duì)稱的問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)可靠性均有影響；另外對(duì)于并行數(shù)據(jù)傳輸，電纜以及連接器的費(fèi)用比起串行通信方式來(lái)也要高一些。用單片機(jī)計(jì)頻率通常采用兩種辦法， 1）單片機(jī)外部使用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 計(jì)數(shù)值再由單片機(jī)讀??； 2）使用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，或者測(cè)量信號(hào)的周期。 單片機(jī) AT89S51有兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，其中 T0用作定時(shí)器，每次定時(shí) 100ms，利用中斷使它實(shí)現(xiàn) 10次定時(shí)，得到 1s定時(shí)； T1用作計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。單片機(jī)讀取 T1的計(jì)數(shù)值 N，存于兩個(gè)存儲(chǔ)器中，這是個(gè) 16位二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)十進(jìn)制 BCD碼 轉(zhuǎn)換后，分別取數(shù)據(jù)的千，百，十，個(gè)位，把它們分別存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 40H— 43H中，然后用軟件將數(shù)據(jù)分別送 P2口并行輸出顯示。 信號(hào)預(yù)處理電路 頻率計(jì)的信號(hào)預(yù)處理電路如圖 ，它由兩級(jí)電路構(gòu)成，第一級(jí)為由開(kāi)關(guān)三極管組成的零偏置放大器，三極管采用開(kāi)關(guān)三極管，以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。 當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降，這使得頻率計(jì)既可測(cè)量任意方波信號(hào)的頻率，也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。第二級(jí)采用NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，把放大放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能檢測(cè)到的TTL信號(hào) [3]。它對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)是否正常工作起著至關(guān)重要的作用。 7805 直流穩(wěn)壓電路圖見(jiàn)圖 這里所有芯片都是用 5V 電壓供電。無(wú)論是7 在單片機(jī)剛開(kāi)始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要 復(fù)位，所以我們必須弄清楚 MCS51型單片機(jī)復(fù)位的條件、復(fù)位電路和復(fù)位后狀態(tài)。例如，若時(shí)鐘頻率為 12MHz，每機(jī)器周期為 1μs，則只需 2μs以上時(shí)間的高電平，在 RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位 。 圖 (a)為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要保證 RESET為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按圖(b)的 RESET鍵，此時(shí)電源 VCC經(jīng)電阻 R R2分壓， RESET端產(chǎn)生復(fù)位高電平。表明單片機(jī)復(fù)位期間不會(huì)有任何取指操作。段控制從 P2口輸出，用 74LS244作驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示管。 8 圖 顯示電路 主要元件介紹 AT89S51 單片機(jī) AT89S51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，它是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4kbytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失 性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。 89C51 受到了 PIC 單片機(jī)陣營(yíng)的挑戰(zhàn)， 89C51 最致命的缺陷在于不支持 ISP（在線更新程序）功能，必須加上 ISP 功能等新功能才能更好延續(xù) MCS51 的傳奇。 一、主要性能參數(shù)： 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫(xiě)周期 9 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式： 0Hz33MHz 三級(jí)程序加密鎖 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/O 口線 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 全雙工串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP字節(jié)或頁(yè)寫(xiě)模式） 二、功能特性概述： AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 10 圖 AT89S51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖 三、 引腳功能說(shuō)明（圖 ）： Vcc：電源電壓 GND：地 11 圖 AT89S51 引腳圖 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8 位地址。 表 21 P1 口第二功能表 端口引腳 第二功能 MOSI（用于 ISP 編程） MISO（用于 ISP 編程） SCK（用于 ISP 編程） P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端12 口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ ILI ）。在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX Ri 指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對(duì) P3 口寫(xiě)入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如（表 22）所示。 RST：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 DISRTO 位缺省為 RESET 輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。而且由于具有