【正文】 混頻電路，另外還包含多個時間基準、合成器、中頻放大器等。我們應該視測試需要正確的選擇，以達到最經濟和最佳的應用效果。現(xiàn)如今，數(shù)字頻率計已經不僅僅是測量信號頻率的裝置了，用它還可以測量方波脈沖的脈寬。 除此之外，它還可以應用于工業(yè)控制等其它領域。頻率儀可以準確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時的跟蹤捕捉到被測信號的頻率變化。在傳統(tǒng)生產制造企業(yè)中，頻率計被廣泛應用在產線的生產測試中。在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設備的本地振蕩器進行校準。 對于頻率計的設計目前也有專用芯片可以實現(xiàn)，如利用 MAXIM 公司的ICM7240 來 設計頻率計。提出的用AT8C52 單片機設計頻率計的方法可以解決這些問題，實現(xiàn)精度較高、等精度和寬范圍頻率計的設計。 4 第二章 系統(tǒng)總體方案設計 頻的原理 實現(xiàn)時間參數(shù)的數(shù)字化測量的儀器是電子計數(shù)器。 已知頻率的測量表達式為： /f N T? 從其測量原理和頻率的數(shù)學表達式中不難看出，計數(shù)器測頻必須具備以下三個條件： （ 1）測量是一個比較的過程，被 測信號要和基準信號作比較，必須有一個標準的單位時間。 （ 3）被測信號采樣后的量化由電子計數(shù)器完成，以獲得量化值 N。 時間基準產生電路的作用是用來產生計數(shù)器所使用的標準頻率。 （ 3）計 數(shù)顯示電路 計數(shù)顯示電路的作用是對主門輸出的脈沖進行計數(shù)，其結果顯示在數(shù)碼管上。 1量化誤差和標準頻率誤差。 1 量化誤差，第二項為標準頻率誤差。在測頻時候，由于主門開啟時刻與計數(shù)脈沖之間的時間關系是不相關的，它們在時間軸上的相對位置是隨機的，門控信號很難精確的是被測信號的整數(shù)倍所以量化會帶來誤差，可知對于計數(shù)誤差最大為 1個數(shù)，所以計數(shù)器計數(shù)的最大的相對誤差為： 11xNN N f T? ? ? ? ? 式中， xf 是被測頻率； T是閘門時間。 （ 2）標準頻率誤 差 標準頻率誤差又稱為閘門時間誤差，它是由晶振信號本身通過分頻輸出的信號頻率不穩(wěn)定性導致的閘門時間的不穩(wěn)定，而造成測頻誤差。該表達式表明閘門相對誤差在數(shù)值上等于晶振頻率的相對誤差。 6 設計任務的分析及方案的論證 本設計是一個基于單片機平臺的時間參數(shù)（頻率）測量系統(tǒng)。 （ 1）直接測頻法（閘門時間計數(shù)法） 直接測頻法就是在確定的閘門時 間內，通過計數(shù)器記錄待測信號的周期變化次數(shù)，并根據(jù)頻率的定義來計算待測信號的頻率。如圖 中閘門 1和閘門 2時間長度不一樣，但是計數(shù)值相同。但是低頻達不到所要達到的要求。原理恰好與直接測頻法相對應，當測量的信號周期越長，即其頻率越低，測量的精度就越高，但對于高頻信號就不能適用。 7 （ 4）相關計數(shù)測頻法 相關計數(shù)測頻法采用多周期同步測量原理，測 量輸入信號的整數(shù)個周期值而求得頻率的一種測量方法。 其實，等精度測量并非嚴格意義上的等精度，閘門信號在測量中的開啟和關閉受控于被測信號的上升沿或下降沿。若系統(tǒng)要求測量精度為 610? ，那么基準源的開機穩(wěn)定度和溫度穩(wěn)定度應該較高，其綜合性能應優(yōu)于 710? 。而相關計數(shù)測頻法雖同時對于未知待測信號和基準信號兩路信號進行計數(shù)，且對于閘門控制和頻標信號的穩(wěn)定度有很高的要求，卻可以滿足在整個測量頻段的等精度測量。 1 的量化誤差，可得到下式： 00()xxf N ff N f? ? ?? ? ? 式中， 00ff? 為 0f 的頻率準確度。 8 圖 相關計數(shù)法測頻原理框圖 頻率計是我們經常會用到的實驗儀器之一 ， 頻率的測量實際上就是在 單位 時間內對信號進行計數(shù) ,計數(shù)值就是信號頻率。該頻率計實現(xiàn) 1HZ~1MHZ 的 頻率測量 ，八位共陰極動態(tài)顯示測量結果，可以測量正弦波、三角波及方波的頻率值、周期值以及脈沖 寬度。各模塊作用如下： 單片機控制模塊： 以 AT89C52 單片機為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。單片機 AT89C52 內部具有 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)和產生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。 整形電路是對一些不是方波的待測信號轉化成方波信號，便于測量。 分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。 顯示模塊： 顯示電路采用八位共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示。 信 號 放 大整 形數(shù) 碼 管 顯示分 頻 電 路驅 動 電 路A T 8 9 C 5 2 5 V 電 源 圖 頻率計總體設計框圖 10 第三章 硬件電路具體設計 根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，頻率計實際需要設計的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分： AT89C52 單片機開發(fā)板、放大整形模塊、分頻模塊，下面將分別給予介紹。 圖 獨立按鍵電路圖 圖 AT89C52 引腳圖 11 引腳功能及單片機端口分配 引腳 功能 及單片機端口分配 如下表 ： 引腳功能表，表 ： P3 口的第二種功能說明表，表 ：單片機端口分配表所示。對 P3 端口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 P3 口亦作為 AT89C52 特殊功能（第二功能）使用， P3 口功能如表 所示。 圖 8 位數(shù)碼管顯示電路圖 12 表 P3 口的第二種功能說明表 引腳號 第二功能 RXD（串行輸入） TXD (串行輸出 ) INT0 （外部中斷 0） （外部中斷 1） T0(定時器 0 外部輸入 ) T1(定時器 1 外部輸入 ) WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) 根據(jù)系統(tǒng)設計及各模塊的分析得出，單片機的引腳分配如表 所示。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化成矩形波。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入 13 衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。其中 3DG100 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行放大。具體放大整形電路如圖 所示?？捎?4LS161 進行分頻 。單片機 AT89C52內部具有 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)和產生計數(shù)溢出時中斷要求的功 能。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。為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數(shù)器計數(shù)測得頻率值；當 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。 74LS161 芯片介紹 74LS161 是常用的四位二進制可預置的同步加法計數(shù)器，可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能 。 圖 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， 以及進位輸出 TC (TC=Q0Q2CET) 。 15 表 74LS161 的功能表 清零 RD 預置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預置數(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 是預置數(shù)控制端， A、 B、 C、 D 是預置數(shù)據(jù)輸入端， EP 和 ET 是計數(shù)使能端， RCO(=)是進位輸出端，它的設置為多片集成計數(shù)器的級聯(lián)提供了方便。 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。接著 EP=ET=1,在此期間 74LS161一直處于計 數(shù)狀態(tài)。 從 74LS161 功能表功能表中可以知道，當清零端 CR=“0” ，計數(shù)器輸出 Q Q0立即為全 “0” ，這個時候為異步復位功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1” 、 CP 脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加 1。Q1Q3合理應用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片 74LS161 可以組成 16進制以下的任意進制分頻器。只有在選通端 STROBE 為低電平時才可選擇數(shù)據(jù)。 74LS151 引腳如圖 所示。其中 A、 B、 C 為 選擇輸入端 ， D0D7為 數(shù)據(jù)輸入端 ， STROBE 為 選通輸 入 端（低電平有效 ）， W為 反碼數(shù)據(jù)輸出端 ， Y為 數(shù)據(jù)輸出端 。 A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1GND8VCC16RCO15Q311Q212Q113Q014U1674161X04X13X22X31X415X514X613X712A11B10C9E7GND8VCC16Y5Y6U1474151I111I122O13I214I225O26GND7O38I319I3210O411I4112I4213VCC14U1374005VCLEAR5VP355V5VCLEARADDR0ADDR1ADDR2F1 圖 分頻電路原理圖 74LS00 74LS151 74LS161 18 顯示模塊 頻率值顯示電路采用八位共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值。 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)其結構的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。 圖 兩種數(shù)碼管內部原理圖 19 第四章 系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件設計主要采用模塊化設計，敘述了各個模塊的程序流程圖，并介紹了軟件 Keil 和 Proteus 的使用方法和調試仿真。整個 系統(tǒng)由初始化模塊，信號頻率測量模塊和顯示模塊等模塊組成。 頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。定時／計數(shù)器的工作首先被設置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。計數(shù)閘門由軟件延時程序實現(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值（即測量 頻率的高量程）開始測量，計數(shù)閘門結束時 TR 清 0，停止計數(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 20 位為 0，將計數(shù)閘門的寬度擴大 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。 16 位定時／計數(shù)器的最高計數(shù)值為 65535，當待測信號的頻率較低時，定時／計數(shù)器可以對被測信號直接計數(shù)，當被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時／計數(shù)器對被測信號計數(shù)，加大測量的精度和范圍。測頻時 ,定時器 T0 工作在定時方式 ,每次定時 50mS ,則 T0 中斷 20 次正好為 1秒 ,即 T0用來產生標準秒信號 ,定時器 T0 用作計數(shù)器 ,對待測信號計數(shù) ,每秒鐘的開始啟動 T0 ,每秒鐘的結束關閉 T0 ,則定時器 T0 之值乘以分頻系數(shù)就為待測信號的頻率 。 21 中 斷 開 始中 斷 開 始計 數(shù) 器 加 1 圖 計數(shù)器 1中斷服務子程序 顯示子程序 顯示子程序將存放在顯示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數(shù)碼管上顯示出來 ,由于所有 4 位數(shù)碼管的 8 根段選線并聯(lián)在一起由單片機的 P2 口 控制 ,因此 ,在每一瞬間 4 位數(shù)碼管會顯示相同的字符 ,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪 流點亮各位數(shù)碼管 ,即在每一瞬間只點亮某一位顯示字符 ,在此瞬間 ,段選控制口 P2輸出相應字符。數(shù)碼管顯示子程序流程如圖 所示。工作高電平是否加至定時／計數(shù)器的輸入腳；當判定高電平加至定時／計數(shù)器的輸入腳，運行控制位 TR 置 1，啟動定時／計數(shù)器對單片機的機器周期的計數(shù)，同時檢測方波高電平是否結束；當判定高電平結束