【正文】 號(hào)頻率測(cè)量模塊、周期測(cè)量模塊、定時(shí)器中 斷服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等功能模塊實(shí)現(xiàn)。 I 摘 要 頻率計(jì)作為一件很普遍的的電子器件，在很多領(lǐng)域都能夠用到，目前大部分頻率計(jì)的測(cè)頻范圍都很窄，有時(shí)不能滿足所要測(cè)的頻率。因此，本文提出寬頻帶頻率計(jì)的的設(shè)計(jì)方案，以單片機(jī) AT89C52 為控制核心，實(shí)現(xiàn)測(cè)量多種波形的頻率值。應(yīng)用單片機(jī)的控制功能和數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能和頻率、周期的換算。 關(guān)鍵詞 ： AT89C52；寬頻帶；頻率計(jì) ABSTRACT As a very mon electronic ponents， The frequency meter is used in many areas. At present, most of the frequency meter measuring frequency range is very narrow, and sometimes it can39。 Hardware consists of amplifying circuit, wave transform and plastic circuit, gate, and the control circuit, points frequency circuit, SCM and data display circuit posed。 Broadband belt。由于頻率信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、易于傳輸，可以獲得較高的測(cè)量精度，能用多種測(cè)量方法測(cè)量。 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化。 運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì) ,并采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄈ〈鷤鹘y(tǒng)電路，并采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄈ〈鷤鹘y(tǒng) 電路，克服了傳統(tǒng)頻率計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、精度不高的弊端，其體積小、保密性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，不僅大大降低了設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，而且頻率計(jì)性能也將大幅提高 ,可實(shí)現(xiàn)精度較高、等精度和寬范圍頻率計(jì)的要求。 20世紀(jì) 70年代，美國(guó)仙童 (Fairchild)公司研制出世界上第一臺(tái)單片微型機(jī) F8。 但此后，單片機(jī)的發(fā)展迅速，各種功能不斷增強(qiáng)和完善，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣，現(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支。 從 80年代單片機(jī)引入我國(guó)至今，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)中 。 目的及意義 目前頻率計(jì) 大部分 都是采用專用計(jì)數(shù)芯片和數(shù)字邏輯電路組成，這些芯片本身的工作頻率不高 ,從而限制了產(chǎn)品工作頻率的提高 。 因此，本設(shè)計(jì)提出寬頻帶頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。降低了設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜度，比傳統(tǒng)的性能更好，運(yùn)用范圍更廣。 2 2 頻率計(jì)總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期信號(hào)的頻率。在給定的時(shí)間內(nèi)，對(duì)通過(guò)的信號(hào)波形進(jìn)行計(jì)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)值，就是要測(cè)頻率的大小。頻率計(jì)的作用是先獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確時(shí)間，同時(shí)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后將這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)顯示出來(lái)，得 到所要測(cè)的頻率，這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理 。原理框圖如圖21 所示。 圖 21 方案一的原理框圖 該方案采用的是中小規(guī)模數(shù)字集成電路，用機(jī)械式功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)換檔，完成測(cè)頻率、測(cè)周期及測(cè)脈寬等功能。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶頻率的測(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。所以不選擇此方案。頻率計(jì)由單片機(jī)控制，采用可編程邏輯器件，配合相應(yīng)的前置電路，接口電路以及相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、脈寬、占空比的測(cè)量，對(duì)輸入信號(hào)的頻率范圍自動(dòng)判斷，并選擇相應(yīng)的的測(cè)量方法，從而實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的智能化提高。 3 圖 22 方案二的原理框圖 該方案在設(shè)計(jì)方法、硬件電路的實(shí)現(xiàn)上都要比方案一簡(jiǎn)潔、新穎，而且采用可編程邏輯器件（ PLD）的 EDA 技術(shù)也是現(xiàn)代電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方向，應(yīng)用這種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)是可行的。該方案利用了 PLD 的可編程和大規(guī)模集成的特點(diǎn)，使電路大為簡(jiǎn)化，但測(cè)量精度不夠高，導(dǎo)致系統(tǒng)性價(jià)比降低，系統(tǒng)功能擴(kuò)展受到限制。單片機(jī)的最小系統(tǒng)采用 24M 的晶振，計(jì)數(shù)頻率約為 500KHZ，上限頻率較低。由于使用了單片機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的靈活性更高，也可以用多種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)編程，能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展與改進(jìn)。 圖 23 方案三的原理框圖 該方案 使用了功能較強(qiáng)的 AT89C52 芯片 ，單片機(jī)完成運(yùn)算控制功能， 使本系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì) 軟件改進(jìn)而擴(kuò)展功能 ， 提高 測(cè) 量精度 ，而且可以用 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，使軟件的脈沖形 成電路 分頻電路 74LS393 主 控 AT89C52 單片機(jī) LED 顯示 閘門開(kāi)關(guān) 74LS08 門控信號(hào) 0f 4 設(shè)計(jì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。 測(cè)量方法分析 常用頻率計(jì)的測(cè)量方法有三種：直接測(cè)量法、間接測(cè)量法、直接與間接測(cè)量結(jié)合法。如圖 24。 間接測(cè)量法（測(cè)周期法 ） 直接測(cè)量法可以直接測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)即頻率，但對(duì)于低頻率的信號(hào)測(cè)量誤差會(huì)很大。為了減小低頻段信號(hào)頻率的測(cè)量誤差，采用測(cè)周期法，也就是間接測(cè)量法。在單位時(shí)間內(nèi)，已知標(biāo)準(zhǔn)的短周期間隔的較高頻率的信號(hào)通過(guò)，通過(guò)數(shù)字電路 或微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算，單位時(shí)間的已知信號(hào)頻率的個(gè)數(shù)越多，其被測(cè)頻率也就越低。 直接與間接相結(jié)合的方法 本設(shè)計(jì)是測(cè)量寬頻帶頻率的測(cè)量，頻率測(cè)量范圍很大，能夠測(cè)量從 2HZ～ 1MHZ 之間的任意一個(gè)頻率；又需要盡可能地提高測(cè)量頻率的準(zhǔn)確度和精確度，所以對(duì)頻率的測(cè)量通過(guò)分段，采用直接與間接相結(jié)合的方法。 （ 2） 在 HZfx 410? 的低頻段采用測(cè)周期法。系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖 31所示。 電 路中用兩個(gè)三極管（ 9018）。在三極管之前加入一個(gè) 47K的電阻，增大輸入電阻，可以減輕被放大信號(hào)的信號(hào)源負(fù)擔(dān)，少索取信號(hào)源電流，使信號(hào)源有效的信號(hào)電壓盡量加在放大器上。不具有實(shí)質(zhì)性的放大作用。 共射級(jí)放大電路的電壓和電流增益都大于 1，輸入電阻 在 三級(jí)組態(tài)中，輸出電阻和集電極電阻有關(guān) ,輸出電阻小一些好 ， 可以使放大器帶負(fù)荷的能 力強(qiáng)一些。 適用于低頻。為了消除不必要的噪聲信號(hào)干擾，在兩級(jí)放大電路中都加入了濾波電容，保證待測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。 9018參數(shù)如下： NPN 集電極 發(fā)射極電壓 15V 集電極 基電壓 30V 射極 基極電壓 5V 集電極電流 耗散功率 結(jié)溫 150℃ 特 征 頻率 平均 620MHZ 放大倍數(shù)： D2845 E3960 F5480 G72108 H97146 I132198 待測(cè)信號(hào) 放大電路 波形變換、整形 閘門控制 分頻電路 單片機(jī) 顯示電路 7 放大信號(hào)5v 電源L11 0 0 u hC11 0 4C21 0 4C31 0 4C41 0 4G NDRB1KRC4 7 KRA4 7 KRD4 .7 K9 0 1 8 1NP N9 0 1 8 2NP NC1( 1 ) 圖 32 放大電路 波形變換和整形電路 為了把要檢測(cè)的正弦波、三角波、方波等各種波形的正負(fù)交替的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的 TTL/CMOS兼容信號(hào)。 數(shù)字芯片（ 74HC00)是 TTL2輸入端四與非門，高電平 4V，低電平 1V。 74HC00功能表，如圖表 32所示 。在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往會(huì)發(fā)生畸變。前一種比較普遍。也可能由于傳輸線較長(zhǎng)引起振蕩現(xiàn)象；還有可能信號(hào)上出現(xiàn)附加的噪聲。 74HC00芯片可以很好地解決這些問(wèn)題，得到比較理想的矩形脈沖波形。在實(shí)際應(yīng)用中，僅僅用到一個(gè)與非門，它的 1腳接高電平， 2腳接通過(guò)放大作用放大的輸入信號(hào)， 3腳輸出高低電平的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)波形的變換和整形。 74LS08是兩輸入端四與門 ，其管腳如圖 35，其功能表如表 33。當(dāng) 2腳是低電平時(shí)，無(wú)論 74HC00輸出的是高電平，還是低電平，在 74LS08的 3腳都沒(méi)有信號(hào)輸出；當(dāng) 2腳是高電平時(shí)，從 74HC00的3腳出來(lái)的信號(hào)就通過(guò) 74LS08的 1腳傳送到 3腳，然后進(jìn)入下一個(gè)控制電路。低電平時(shí)，則無(wú)效。 有效信號(hào)高低電平數(shù)字信號(hào)放大輸入信號(hào)高電平P 3 .11237 4 L S 0 87 4 L S 0 81237 4 H C 0 07 4 H C 0 0 圖 36 閘門時(shí)基電路 分頻電路 為了擴(kuò)展單片機(jī)的頻率測(cè)量范圍實(shí)現(xiàn)寬頻的目地，也為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量和周期測(cè)量的使用統(tǒng)一的輸入信號(hào)。 74LS393是雙 4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)時(shí)序如表 34。每個(gè)計(jì)數(shù)器又有個(gè)清除輸入和一個(gè)時(shí)鐘輸入。 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。 另外，采用 74LS393的好處還在于它的清零端口可以與單片機(jī)的一個(gè)引腳相連， 通過(guò)對(duì)單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)分頻器 74LS393的自動(dòng)清零和重新計(jì)數(shù)，就不再需要硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。 2腳與 74LS393B的 2腳相連接到單片機(jī)的 ，作為輸入。 74LS393的輸出端口分別連接到單片機(jī)的 P0口上作為輸入。在眾多的單片機(jī)系列中，AT89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系列可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 AT89C52 的管腳如圖 38。 AT89C52 包含 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 1個(gè)具有同步移位寄存器方式的串行輸入 /輸出口和 8K 8位片內(nèi) FLASH 程序存儲(chǔ)器。同步移位寄存器方式的串行輸入 /輸出口用于把測(cè)量結(jié)果送到顯示電路。 32個(gè) I/O口線使單片機(jī)外圍能最大可能的擴(kuò)展。如當(dāng)需要系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，則數(shù)據(jù)線和地址線低8位分時(shí)復(fù)用通道 P0口，地址高 8位和其他信號(hào)可合用通道 P2口，功能變換和選擇由相應(yīng)的指令完成。 圖 38 AT89C52管腳圖 P1口設(shè)置為接收數(shù)據(jù)端口，通過(guò)分頻器 74LS393分頻后依次接到 P1口的 8個(gè)引腳。 開(kāi)啟； ； ； 用于定時(shí)。單片機(jī)復(fù)位端（ RST）可采用采用外部手動(dòng)復(fù)位，實(shí)際操作也很方便。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL邏輯電平。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0 口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。 P1口： P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位是雙向 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邏輯電平。 P2口： P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P2輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流 4個(gè) TTL邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部 拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。對(duì) P3 口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入端口使用。 P3口除了作為一般、的 I/O 口線外，更重要的是它的第二功能，如表 35 所示。晶振工作時(shí)， RST腳持續(xù) 2個(gè)機(jī)器周期以高電平將使用單片機(jī)復(fù)位。在 Flash 編程時(shí)，此引腳（ PROG）也使用作編程輸入脈沖。當(dāng) AT89C52 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)， PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器時(shí)， PSEN 將不被激活。為使能從 0000H— FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， EA 端必須保持低電平（接地）。 XTA L1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位電路（如圖 39）在最小系統(tǒng)中有很重要的作用。它的作用是將工作狀態(tài)初始化到空狀態(tài)， 在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。 （ 1）上電復(fù)位： AT89C52單片機(jī)為高電平復(fù)位，在復(fù)位引腳 RST上連接一個(gè)電容到 VCC，再連接一個(gè)電阻到 GND，由此形成一個(gè) RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí) RST腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的值為 8K和。 14 RS TC70 .1 u FR 2 13 0 0R 2 28KGND+5 圖 39 單片機(jī)復(fù)位電路 晶振電路 在 AT89C52的最小系統(tǒng)中，晶振電路的作用非常大。單片機(jī)運(yùn)行速度的快慢決定于晶振提供的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī) 晶振提供的時(shí)鐘頻率。如圖 310所示。 74LS245用來(lái)驅(qū)動(dòng) led或者其他的設(shè)備，它是 8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器 ,可雙向傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng) AT89C52單片機(jī)的 P0口總線負(fù)載達(dá)到或超過(guò) P0最大負(fù)載能力時(shí)，必須接入 74LS245等總線驅(qū)動(dòng)器。其管腳如圖 311。一般而言，數(shù)據(jù)顯示有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。它的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，顯示亮度大；缺點(diǎn)是使用的數(shù)碼管數(shù)量少。所謂動(dòng)態(tài) 顯示，就