【正文】 信號，通過輸入通道的放大器放大后，進(jìn)入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端。若在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)累計(jì)周期性的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率的表達(dá)式為式： （2—1）圖21說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。但從圖中可以看出，≈%。1之間。顯然，減小誤差的方法，就是增大N。通過計(jì)算，對1KHZ以下的信號用測頻法，反應(yīng)的時(shí)間長于或等于10S。頻率計(jì)數(shù)器嚴(yán)格地按照公式進(jìn)行測頻。為了增加單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達(dá)到。頻率計(jì)是我們經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)驗(yàn)儀器之一，頻率的測量實(shí)際上就是在單位時(shí)間內(nèi)對信號進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值就是信號頻率。該頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)1HZ~40MHZ的頻率測量,而且可以實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換功能，8位共陽極動(dòng)態(tài)顯示測量結(jié)果，可以測量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率值。各模塊作用如下：單片機(jī)控制模塊：以AT89S52單片機(jī)為控制核心，來完成它待測信號的計(jì)數(shù)，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。單片機(jī)AT89S52內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。)電源模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機(jī)、信號調(diào)理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小及性價(jià)高的電源。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。顯示模塊：我們測量的頻率最終要顯示出來八段LED 數(shù)碼管顯示器由8 個(gè)發(fā)光二極管組成。LED 數(shù)碼管顯示器有兩種形式：一種是8 個(gè)發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED 數(shù)碼管顯示器；另一種是8 個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED 數(shù)碼管顯示器。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED 數(shù)碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。8個(gè)筆劃段 h g f e d c b a 對應(yīng)于一個(gè)字節(jié)（8 位）的DDD中動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)數(shù)碼管顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O 接口用于筆劃段字形代碼。在單片機(jī)系統(tǒng)顯示電路采用8位共陽極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使用74LS246進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，便于觀測。 圖22 頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖第三章 硬件電路具體設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，頻率計(jì)實(shí)際需要設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊，下面將分別給予介紹。該設(shè)備是采用Atmel的高密度非易失性存儲器技術(shù)和符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C52指令集合引腳。通過結(jié)合通用8位中央處理器的系統(tǒng)內(nèi)課編程閃存的單芯片，AT89S52是一個(gè)功能強(qiáng)大的微控制器提供了高度靈活的和具有成本效益的解決辦法，可在許多嵌入式控制中應(yīng)用。與此同時(shí)，世界上其他的著名公司也通過基本的51內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如51F020等高性能單片機(jī)。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在033M之間。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插DIP40的封裝。圖31 AT89S52引腳圖 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。 圖32 上電復(fù)位 圖33 手動(dòng)復(fù)位有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位。高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。并聯(lián)2個(gè)30pF陶瓷電容幫助起振。圖34單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 引腳功能VCC:電源電壓；GND:地；P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。對P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。對 P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。此外，P1口功能具體如表31所示。表3—1 P1口的第二種功能說明表引腳號第二功能T2(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入)，時(shí)鐘輸出T2EX(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制)MOSI(在系統(tǒng)編程用)MISO(在系統(tǒng)編程用)SCK(在系統(tǒng)編程用)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輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)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。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。對P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)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32所示。表32 P3口的第二種功能說明表引腳號第二功能引腳號第二功能RXD（串行輸入）T0(定時(shí)器0外部輸入)TXD (串行輸出)T1(定時(shí)器1外部輸入)（外部中斷0）(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)（外部中斷1）(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)RST:復(fù)位輸入?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 表 33 單片機(jī)端口分配表模 塊端口功能顯示模塊、 數(shù)碼管頻率值顯示LED單位顯示分頻模塊通道選擇清零 電源模塊 直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流、濾波及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖35所示。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器的效率。再經(jīng)濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓U1。 圖36 整流電路（3）濾波電路：各濾波電路C滿足 RLC=（3~5）T/2，式中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。二者的工作原理有所不同。它一般適用于負(fù)載電流變化較小的場合。集成穩(wěn)壓電源事實(shí)上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。LM78XX系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜，因此使用LM7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行5V的電源電路設(shè)計(jì)。圖39 5V直流電源電路由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。在整形之前由于不清楚被測信號的強(qiáng)弱的情況。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時(shí)，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。根據(jù)上述分析，放大電路放大整形電路采用高頻晶體管3DG100與74LS00等組成。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出波形信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。 圖310 放大整形電路 分頻設(shè)計(jì)模塊分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率和周期測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。 分頻電路分析本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心，利用他內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測信號周期／頻率的測量。在定時(shí)器工作方式下，在被測時(shí)間間隔內(nèi)，每來一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1（使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，每1μs加1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時(shí)間間隔。外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的1／24（使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz），因此采用74LS161進(jìn)行外部十分頻使測頻范圍達(dá)到2MHz。這兩種情況使用74LS151進(jìn)行通道選擇，由單片機(jī)先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據(jù)信號頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測得相應(yīng)頻率值。74LS161引腳如圖311所示。Q1Q3表34為74161的功能表。計(jì)數(shù)過程中，首先加入一清零信號RD＝0，使各觸發(fā)器的狀態(tài)為0，即計(jì)數(shù)器清零。在這個(gè)置數(shù)信號和時(shí)鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同，這就是預(yù)置操作。一直到EP=0，ET＝1，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài)結(jié)束。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0Q2CET。 分頻電路根據(jù)以上分析，采用74LS161進(jìn)行16分頻和JK觸發(fā)器512分頻設(shè)計(jì)分頻電路如圖312所示。頻率值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示頻率計(jì)被測數(shù)值，使用三極管8550進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測量。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型，兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理如圖313所示。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。 頻率值顯示電路數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)不加驅(qū)動(dòng)時(shí)，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測量與調(diào)試。使用8位數(shù)碼管進(jìn)行頻率值顯示，如果選擇共陰極數(shù)碼管顯示，則需要8個(gè)三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而采用共陽極數(shù)碼管則需要74LS246驅(qū)動(dòng)，為了節(jié)約成本，因此選用共陽極數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設(shè)計(jì)電路如圖314所示。 軟件模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)軟件流程如圖41所