【正文】 ................ 24 程序流程圖 .............................................................................................. 24 計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率流程 .............................................................................. 25 測(cè)寬法測(cè)量頻率流程 .............................................................................. 27 其他關(guān)鍵程序 ........................................................................................... 29 第五章 結(jié)論 ................................................................................................................... 33 軟件仿真結(jié)果 ................................................................................................... 33 硬件的制作和測(cè)試 結(jié)果 ................................................................................... 34 硬件的制作 .............................................................................................. 34 硬件的測(cè)試 .............................................................................................. 34 本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 的收獲與不足 ........................................................................... 36 致 謝 ............................................................................................................................. 39 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 41 第一章 緒論 1 第一章 緒論 課題背景 頻率計(jì) 是一種使用計(jì)數(shù)法、 測(cè)寬法來 等方法 來測(cè)量信號(hào) 頻率的一種測(cè)量儀器 。 示波器測(cè)量頻率是一種經(jīng)典的測(cè)量頻率 方法 ，但是 它的功能基本依靠硬件系統(tǒng)完成，所以 它 體積大，響應(yīng)速度比較慢 ，成本非常高 。而現(xiàn)在的數(shù)字頻率計(jì)則有體較小，測(cè)量速度快，誤差 小的 優(yōu)點(diǎn) 。 在電子企業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中 ， 其 生產(chǎn)線 測(cè)試中廣泛的用到了頻率計(jì) ， 數(shù)字 頻率計(jì)測(cè)量信號(hào)的速度非常快，在生產(chǎn)線上，它能以極快的速度測(cè)量出晶振的頻率，發(fā)現(xiàn)有故障的產(chǎn)品，從而 提高了效率還保證了產(chǎn)品的質(zhì)量 。 在無線通訊的領(lǐng)域，頻率計(jì)還能對(duì)各種無線電 設(shè)備進(jìn)行測(cè)量和分析，以保證無線通信設(shè)備正常高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，一個(gè)精準(zhǔn)的頻率計(jì)必不可少。 頻率計(jì)的功能也進(jìn)一步增加 ，除了 能測(cè)量 頻率、頻率比、周期、時(shí)間、相位、相位差等 頻率的基本 參數(shù) 以外 ，還具有自撿、自校、自診斷、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算方均根值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等功能 [2]。 目前使用的數(shù)字頻率計(jì)的分類很多。 (1)通用型計(jì)數(shù)器：是一種具有多種測(cè)量功能、多種用途的萬能計(jì)數(shù)器。 (2)專用計(jì)數(shù)器：指專門用來測(cè)量某種單一功能的計(jì)數(shù)器。 數(shù)字頻率計(jì)按頻段分類 ： (1)低速計(jì)數(shù)器：最高計(jì)數(shù)頻率＜ 10MHz； (2)中速計(jì)數(shù)器：最高計(jì)數(shù)頻率 10~100MHz； (3)高速計(jì)數(shù)器：最高計(jì)數(shù)頻率＞ 100MHz； (4)微波頻率計(jì)數(shù)器：測(cè)頻范圍 1~80GHz 或更高。 當(dāng)今科技的 發(fā)展越來越快 ， 同時(shí)人們對(duì)于產(chǎn)品的要求也提高了很多，就拿頻率計(jì)來說， 如 過還是用硬件來設(shè)計(jì)制作完成一些簡單的功能，不但研發(fā)周期長，而且成本非常高 ，升級(jí)難度大 ， 這 顯然不能 滿足企業(yè) 開發(fā)周期短，成本低 的要求 。 這些優(yōu)點(diǎn)正 好符合企業(yè)的要求，研發(fā)周期短，成本低，易于維護(hù)和開發(fā)升級(jí)新產(chǎn)品， 在很多情況下，軟件的升級(jí)空間 非常 變大，有時(shí)候 僅僅 升級(jí)軟件就能得到更多更好的功能，這是示波器和頻譜儀所不具有的特點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)， 可以 實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的 基本 檢測(cè)功能。 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)與要 求 單片機(jī)數(shù)字頻率 測(cè)量儀設(shè)計(jì) 任務(wù)與要求 ： 參數(shù) ： ~15MHz。 ： 頻率的測(cè)量。 4 基于單片機(jī)的頻率測(cè)量儀的設(shè)計(jì) 第二章 總體設(shè)計(jì) 5 第二章 總體設(shè)計(jì) 方案論證 方案一： 此 方案主要以數(shù)字器件為核心 ，完全由硬件電路自動(dòng)完成頻率的測(cè)量。其原理框圖如 所示。 譯碼顯示電路 鎖存器 計(jì)數(shù)器 閘門電路 時(shí)基電路 放大整形電路 輸入信號(hào) 邏輯 控制 電路 6 基于單片機(jī)的頻率測(cè)量儀的設(shè)計(jì) 圖 方案二原理框圖 方案比較 方案一： 該 方案使用 了 大量的數(shù)字器件 ，頻率的測(cè)量完全由硬件系統(tǒng)自動(dòng)完成 ， 首先，被測(cè)信號(hào)進(jìn)入波形放大整形電路 ， 將信號(hào)中無用的雜波濾除， 然后將其他各種形式的信 號(hào)處理成標(biāo)準(zhǔn)的方波 ， 這個(gè)方波的頻率 與被 測(cè) 信號(hào)的頻率 一致 。 假設(shè) 在時(shí)基電路的 1 秒 高電平 時(shí)間內(nèi)， 計(jì)數(shù)器 一共計(jì)數(shù)到 方波 總個(gè)數(shù) 是 N 個(gè) ， 則 被測(cè)信號(hào) 的 頻率 F =（ N） Hz。 方案二：本方案主要以 STC89C52 單片機(jī)為核心， 被測(cè)信號(hào)先進(jìn)入低通濾波器濾除高頻雜波，以減少外界對(duì)被測(cè)信號(hào)的干擾 ， 經(jīng)過濾波的信 號(hào)再 通過電壓比較器，使用一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行 比較 ，把被測(cè)的 信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn) 方波。 單片機(jī)通過測(cè)量到的脈沖和分頻系數(shù)對(duì) 頻率進(jìn)行計(jì)算，然后控制顯示電路 顯示測(cè)量結(jié)果 。 而方案一則使用了大量的數(shù)字元件，需要各個(gè)模塊有機(jī)的配合起來讓 硬件電路自行進(jìn)行頻率的測(cè)量，功能單一，調(diào)試周期較長，升級(jí)難度大， 所以本次設(shè)計(jì)選擇了方案二。該系統(tǒng)的功能是將信號(hào)輸入到過零比較器 MAX9012 進(jìn)行信號(hào)整形，然后使用 74LS161 進(jìn)行分頻，再使用單片機(jī)進(jìn)行頻率的測(cè)量和計(jì)算， 最 后使用 LCD1602對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行顯示。圖 為單片機(jī)數(shù)字頻率計(jì)硬件 方案框圖。 選擇此芯片的最重要的原因是它支持在線 ISP 編程，10 基于單片機(jī)的頻率測(cè)量儀的設(shè)計(jì) 可以方便的進(jìn)行程序的下載， 其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器 FLASH 可擦寫次數(shù)為 10 萬次以上，大大縮短了頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和調(diào)試周期 。 圖 STC89C52RC 管腳 芯片主要參數(shù) ⑴ .STC89C52 與 MCS51 單片機(jī)兼容 ⑵ .工作電壓： ~ ⑶ .工作頻率范圍： 0~40MHz ⑷ .用戶程序空間： 8Kb ⑸ .32 個(gè)可編程 I/O 口 ⑹ .3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ⑺ .工作溫度： 0℃ ~70℃ ⑻ .全雙工 UART 串行 接口 芯片主要引腳功能 VCC:電源正極 。 ： P0 口是一個(gè) 8 位 開 漏極的雙向 I/O 口 。 當(dāng) P0 口用作普通 I/O 口 的時(shí)候，內(nèi)部上拉電阻斷開，外部必須連 接上拉電阻 （ ） [5]。同時(shí) 也可以用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部輸入。 ： P2 口也是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 ： P3 口也是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 為串口 1 是串口 1 數(shù)據(jù)接收端。 位外部中斷 0 輸入端。 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器0 的外部輸入。 RST：單片機(jī)復(fù)位腳。 ALE:地址鎖存允許信號(hào)輸出端 /編程脈沖輸入端，也可當(dāng)做普通 I/O 口使用。 單片機(jī)定時(shí)器介紹 STC89C52RC 單片機(jī)內(nèi)部具有 3 個(gè) 16 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0、 T1 與 T2， 它可以通過編程來獲得自己所需要的功能 。 定時(shí)器 \計(jì)數(shù)器的初值可以通過程序來設(shè)定 ， 這樣就可以得到所期望的計(jì)數(shù)值和定時(shí)時(shí)間。通過這個(gè)原理就可以對(duì)被12 基于單片機(jī)的頻率測(cè)量儀的設(shè)計(jì) 測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 STC89C52RC單片機(jī)的時(shí)鐘頻率可以在 0Hz~40MHz 內(nèi)自行 選擇 ，當(dāng)使用 12MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率約為 12MHz247。該設(shè)計(jì)中使用 74LS161 構(gòu)成了一個(gè) 256 分頻的分頻器，所示所能測(cè)量的頻率 在不考慮器件響應(yīng) 時(shí)間 的情況下理論 應(yīng) 為 500KHz 256=128MHz。 單片機(jī)部分電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)要正常工作，需要兩部分基本電路，它們分別是晶振電路和復(fù)位電路 [7]。 圖 MCU 電路的設(shè)計(jì) 首先單片機(jī)上電之后需要復(fù)位才能正常運(yùn)行。 當(dāng)單片機(jī)引腳RST 變成低電平，單片機(jī) 會(huì) 自動(dòng) 結(jié)束復(fù)位狀態(tài) ，然后 并從 頭開始執(zhí)行用戶的程序 。C2,C3,X1 構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路，給單片機(jī)提供工作所需要的時(shí)鐘， C2,C3 為負(fù)載電容，需要小于 47pF，這里選用了 22pF。如圖 所示 。 過零比較電路 由于 頻率測(cè)量儀 用途較廣，經(jīng)常會(huì)碰到小信號(hào)的測(cè)量。 下面有 兩個(gè)方案。這個(gè)方案使用兩個(gè)三極管互補(bǔ) ，以增大 放大 倍數(shù)，使三極管工作在飽和區(qū)而得到方波 ，由于兩個(gè)三極管互補(bǔ)放大倍數(shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù) β 的乘積，所以三極管 Q2 會(huì)趨于飽和狀態(tài)，當(dāng)做開關(guān)管使用 。反之，當(dāng) INPUT 為低電平的時(shí)候 Q1， Q2 截止，這時(shí)候 OUTPUT 輸出為低電平。可以將小信號(hào)的三角波，鋸齒波， 正弦波 等轉(zhuǎn)換成 5V 幅度的標(biāo)準(zhǔn)的方波。其電路如圖 所示。當(dāng)正相端的電壓 比 負(fù)相端的電壓 高 ，輸出高電平，當(dāng)正相端的電壓低于負(fù) 相端 的 電壓 時(shí) ，電壓比較器輸出低電平。其中 R11 和 R12 組成一個(gè)分壓電路，得到一個(gè) 的參考電壓，當(dāng)輸入信號(hào)低于 的時(shí)候，電壓比較器輸出高電平，當(dāng)輸入信號(hào)高于 的時(shí)候，電壓比較器輸出低電平。 圖 比較器構(gòu)成的放大整形電路 方案一雖然沒有使用集成芯片，但是它的響應(yīng)速度非?？?，準(zhǔn)確度也很高，抗干擾能力也比較強(qiáng)，但是它有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，因?yàn)槭怯萌?jí)管做放大整形，所以要求被測(cè)信號(hào)必須大于 ，這樣測(cè)量信號(hào)的幅度就無法滿足要求。 分頻電路設(shè)計(jì) 第三章 硬件設(shè)計(jì)原理 15 74LS161 芯片介紹 74LS161 芯片管腳如圖 所示。 他可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路中，以及單片機(jī)系統(tǒng) 中 實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。當(dāng) ENP為低電平的時(shí)候，輸出保持不變 。當(dāng) ENP,ENT,LOAD,MR都等于 1，在 CLK 的上升沿計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)，當(dāng)溢出的時(shí)候進(jìn)位 位 從 RCO 輸出，以方便級(jí)聯(lián)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過濾波整形之后，施加到第一片 74LS161（ U2）的 CLK 腳進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于 74LS161 的時(shí)鐘腳是反相端，所以級(jí)聯(lián)的時(shí)候需要加一個(gè)反相器。單片機(jī)的 是計(jì)數(shù)器 0 的外部脈沖輸入端， U3 的溢出次數(shù)就被計(jì)數(shù)器 0 記錄了下來。這樣兩片 74LS161 級(jí)聯(lián)就構(gòu)成了一個(gè)簡單穩(wěn)定的 256 分頻的分頻器。假設(shè)單片機(jī)使用的晶振是 12M，它的計(jì)數(shù)器能測(cè)的頻率上限大約為 500KHz 左右，而進(jìn)過 256 分頻之后，如果不考慮器件的頻率特性，則其理論可測(cè)頻率達(dá)到了 128Mhz 左右，完全能滿足本次 畢業(yè)設(shè)計(jì) 要求的 ~15MHz 的性能指標(biāo) 。 圖 74LS161 管腳圖 16 基于單片機(jī)的頻率測(cè)量儀的設(shè)計(jì) 圖 74LS161 分頻電路 測(cè)量結(jié)果顯示電路設(shè)計(jì) LCD1602 液晶介紹 這里使用了 LCD1602 液晶來對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示輸出。它是一個(gè)工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x2 即 32 個(gè)字符。 LCD1602 由若干個(gè) 5 7 或者 5 11 等點(diǎn)陣字符 組成， 每個(gè)位上都能顯示一個(gè)單獨(dú)的字符，每個(gè)字符中間都會(huì)有一定的間隔。 芯片主要參數(shù)介紹 或 5V 工作電壓，對(duì)比度可調(diào)，內(nèi)含復(fù)位電路。有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DDRAM。 8 個(gè)可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM。 圖 LCD1602 液晶模塊管腳 第三章 硬件設(shè)計(jì)原理 17 芯片管腳功能 第 1 腳： VSS 為 電源地 。 第 3 腳： V0 是 LCD1602 液晶 對(duì)比度調(diào)整 輸入引腳 ， 在此引腳輸入一個(gè)電壓信號(hào)來調(diào)整對(duì)比度， 0V 的時(shí)候?qū)Ρ榷茸罡撸S著電壓的升高，對(duì)比度下降。 第 4 腳： RS 是 寄存器選擇 使能端 ，