【正文】 源下可直接點(diǎn)亮 LED。該方案利用了 PLD的可編程和大規(guī)模集成的特點(diǎn)，使電路大為簡化，但測量 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。 通道放大 主門 計(jì)數(shù)、鎖存、顯示 電源 門控 晶體振蕩源 分頻 0f ICM7216 顯示 晶 振 模擬信號(hào) 9 圖 23 方案三的原理框圖 Principle frame diagram of scheme 方案 四 ： 系統(tǒng) 采用單片機(jī) AT89C52 作為控制核心，門控信號(hào) 由 AT89C52 內(nèi)部的計(jì)數(shù) /定時(shí)器產(chǎn)生。由于使用了單片機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展與改進(jìn)。 圖 24 方案四的原理框圖 Principle frame diagram of scheme 以上方案均需使用小信號(hào)放大、整形通道電路來提高系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。 方案一采用的是 中小規(guī)模數(shù)字集成電路 ，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的測量，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。 但從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求上看，要 能 實(shí)現(xiàn) 測量 頻 率是 2HZ～ 50MHZ 的范圍 ， 以頻率下限 2HZ為例， 要達(dá)到誤差 小于 ％的目的，必須顯 示 3位的有效數(shù)字，而使用直接 測 頻的方法，要達(dá)到達(dá)個(gè)測量精度，需要主門連續(xù)開啟 100 秒 。也就是采用先測信號(hào)的周期 ， 然后再通過單片機(jī)求周期的倒數(shù)的方法 ， 從而得到我們所需要的低頻信號(hào)的 測量精度。 3 頻率測量原理 測量頻率的 原理 在測量過程中用了兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0、 T1。單片機(jī)外接 24MHz晶振， 它的機(jī)器周期為 s， T0的初值為 0， 產(chǎn)生一次溢出中斷時(shí)記錄的脈沖個(gè)數(shù)為 65535。 為了擴(kuò)大頻率測量范圍，可將雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器與單片 機(jī)的 T0口級(jí)連 ， 測量的頻率將 可 達(dá) 242 。該頻率計(jì)硬件較為簡單，但 需要 注意的是單片機(jī)所測量的電平信號(hào)必須是直流 TTL信號(hào) ， 所以在測量前必須把非 TTL信號(hào)轉(zhuǎn)化為 TTL信號(hào) [7]。 設(shè)置一個(gè)頻率分界值 xf ， 在 HZfx 410? 的 高頻段采用直接測頻法 ，在 HZfx 410? 的 低頻段采用測周期法 。 直接測頻法是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 周期測量法是在被測信號(hào)周期內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) 。 直接測頻法 頻率測量的基本原理如 圖 31所示。閘門開 啟 時(shí) ， 經(jīng)放大整形后的測量信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù) ， 閘門關(guān)閉時(shí) ， 停止計(jì) 數(shù) 。 用這種頻率測量原理，對(duì)于頻率較低的被測信號(hào)來說 ， 存在著測量實(shí)時(shí)性與測量精度之間的矛盾，由圖可以看出分頻系數(shù) rg TTM /? （ Tr 為參考晶振的周期 ） 本身是沒有誤差的 （ 若電路工作正常的話 ） ，測量誤差主要由以下兩種因素產(chǎn)生：計(jì)數(shù) 誤 差和參考晶體振蕩的誤差，即 rfNNff ????? ()/(/ rf/ )rrr ffmfNf /()/( ???? ) （ 31） 為減少第二項(xiàng)誤差，可采用高精 度 的參考晶體振蕩器。 若 要求 達(dá)到一定的測量精度， 則需要 閘門開放時(shí)間 更大，對(duì)數(shù)字頻率計(jì)而言，就 失去了使用 價(jià)值 。 測周期法 由于單片機(jī)具有程序運(yùn)算功能，且頻率為周期的倒數(shù)， 這樣 使 得 頻率測量與周期測量可以互通。 圖 32 測周期法的原理框圖 Principle frame diagram of testing cycle law 它與測頻基本結(jié)構(gòu)是相同的，只是把晶體振蕩產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)與被測信號(hào)的位置互換了一下。利用周期測量法在一定信號(hào)頻率范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù) M ， 可以較好地解決測量精度與實(shí)時(shí)性的矛盾。在 平 均周期測量法中 ， N 值的大小與測量時(shí)間的長短成正比 ， 可根據(jù)測量精度要求而定。對(duì)于不同范圍的被測周期信號(hào) ，可以通過調(diào)節(jié)分頻系數(shù) M 的大小，達(dá)到相近的測量精度，也就有相近的測量時(shí)間 ，晶體振蕩 時(shí)間閘門 計(jì)數(shù)器 顯示 控制過 程 分頻器 放大整形 0f 13 且不會(huì)太長。 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 功能實(shí)現(xiàn) 本次采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能： （ 1） 用 8位數(shù)碼管顯示 HZ、 KHZ、 MHZ 三個(gè)頻段的 待測脈沖信號(hào)的頻率值。 （ 3） 能測量正弦波 ， 三角波，鋸齒波等多種波形信號(hào) 的頻率值 。系統(tǒng)硬件 實(shí)現(xiàn) 框圖如圖 41所示。 如圖 42所示。后一個(gè)三極管采用共發(fā)射極方式，主要作用是放大非常弱的輸入脈沖信號(hào)，一般通 過它的放大后，其電壓可以達(dá)到 3伏以上。 待測信號(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 14 104C a pC1104C a pC2104C a pC3104C a pC447KR e s 2R11KR e s 2R247KR e s 2R3R e s 2R4N P N90 18 1N P N90 18 2+5100uHI nd uc t orL1GNDGND 圖 42 放大電路 Magnify circuit 波形變換和整形電路 采用數(shù)字芯片（ 74HC00）實(shí)現(xiàn)把正弦波 、 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) 。在數(shù)字系統(tǒng)中 ，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往會(huì)發(fā)生波形畸變 ， 例如：當(dāng)傳輸線上電容較大時(shí)，波形的上升沿和下降沿將明顯變壞；當(dāng)傳輸線較長，而且接收端的阻抗與傳輸線上的阻抗不匹配時(shí) ， 在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象 ； 當(dāng)其他脈沖信號(hào)通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號(hào)上時(shí) ，信號(hào)上將出現(xiàn)附加的噪聲 。使用 74HC00芯片可以很好地解決這些困難 ， 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，它的一腳接高電平 ， 二腳接通過 放大作用放大的輸入信號(hào) ， 三腳輸出高低電平的數(shù)字信號(hào) 。 123M C 74 H C 00 A N74 H C 00 A+5 圖 43 波形變換和整形電路 The circuit of Profile switching and Reshaping 15 閘門時(shí)基電路 采用數(shù)字芯片（ 74LS08）實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的控制。同樣，在實(shí)際應(yīng)用中 ， 僅僅用到一個(gè)與門，它的 1腳接 74HC00的輸出信號(hào)， 2腳接到單片機(jī)的 ，通過單片機(jī)控制 2腳是高電平還是低電平。所以 74LS08就等同于一個(gè)開關(guān)電路，只有在高電平有效時(shí)，才能進(jìn)行信號(hào)的傳輸，起到了控制的作用。 如圖 45所示。采用 74LS393的理由是： 52內(nèi)有 2個(gè) l6位的二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，一個(gè)用作定時(shí)器，另一個(gè)用作脈沖計(jì)數(shù)。 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 [10]。 16 C L R2C L K1QA3QB4QC5QD6S N 74 L S 39 3N74 L S 39 3A820R5820R6820R7820R8820R9820R 10820R 11820R 12C L R12C L K13QA11QB10QC9QD8S N 74 L S 39 3N74 L S 39 3BP P P P P P P P I N T 1T0P 3 . 0 圖 45 分頻電路 Frequency dividing circuit 單片機(jī) AT89C52 頻率測量電路選用 AT89C52 作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測信號(hào)的頻率測量或者待測信號(hào)的周期測量。 8K 8位片內(nèi) FLASH 程序存儲(chǔ)器用于放置系統(tǒng)軟件。另外引腳在程序控 制下有第二功能，可供設(shè)計(jì)者靈活選擇。單片機(jī) I/O引腳一線多功能的特點(diǎn)方便了用戶的設(shè)計(jì)，在組成系統(tǒng)時(shí)可自行選擇 [11]。將 P3口設(shè)置為第二功能。將 P0口和 P2口設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)端口。 單片機(jī)復(fù)位端（ RST）17 可采用內(nèi)部軟件復(fù)位，也可采用外部手動(dòng)復(fù)位，實(shí)際操作也很方便。 10uFC a pC7300R e s 2R 218KR e s 2R 22K E Yk1+5GNDR S T 圖 46 單片機(jī)復(fù)位電路 The monolithic integrated circuit repositions the electric circuit 測量數(shù)據(jù)顯示電路 如圖 47所示。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通和截止。正是因?yàn)樗倪@個(gè)缺點(diǎn)和本設(shè)計(jì)的要求，數(shù)字頻率計(jì)的顯示電路選擇了采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。對(duì)于每一位 LED顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。通過調(diào)整 LED顯示器的導(dǎo)通電流和時(shí)間比例參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較高亮度且穩(wěn)定的顯示 [11]。 頻率計(jì)數(shù)結(jié)果以 BCD碼的形式存放在 89C52的存儲(chǔ)單元中，通過 P0口接到 74LS245上，控制 8位 LED的段選碼；通過 P2口接到 74LS06上，控制 8位 LED的位選碼。當(dāng) T/R =1時(shí)，數(shù)據(jù)從 A端傳送到 B端；當(dāng) T/R =0時(shí)，數(shù)據(jù)從 B端傳送 到 A端。另外，由于 51單片機(jī)的 P0口沒有上拉電阻，在將 P0口設(shè)置為輸出端時(shí)，必須考慮在段驅(qū)動(dòng)的每一段位上接入上拉電阻，使 LED顯示管能夠工作。 74LS06是六與非門反相驅(qū)動(dòng)器，正好符合我們的設(shè)計(jì)要求。 18 P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T / V P D9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17X T A L 218X T A L 119GND20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V pp31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39V C C40A T 89C 52A T 89C 52OE19T / R1A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711A02B018V C C20GND10S N 74L S 245NS N 74L S 245N1 2S N 74L S 06NU 1A3 4S N 74L S 06NU 1B5 6S N 74L S 06NU 1C9 8S N 74L S 06NU 1D1 2S N 74L S 06NU 2A3 4S N 74L S 06NU 2B5 6S N 74L S 06NU 2C9 8S N 74L S 06NU 2DY0Y1Y2 Y4Y5Y6Y7+5+5b0b1b2b3b4b5b6b7Y3 A111H12F102H93H8B74H6E1D2DP3C4G5L E D *4l e d2A111H12F102H93H8B74H6E1D2DP3C4G5L E D *4l e d1+5100R e s 2R 13100R e s 2R 14100R e s 2R 15100R e s 2R 16100R e s 2R 17100R e s 2R 18100R e s 2R 19100R e s 2R 20b0b1b2b3b4b5b6b7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7圖 47 測量數(shù)據(jù)顯示電路 Survey data display circuit 19 硬件電路工作過程 首先 討論一下定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的工作原理 。 圖 48 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1的邏輯結(jié)構(gòu) Timer/Counter T0、 T1 logical anization 當(dāng)控制信號(hào) 0/ ?TC 時(shí) ， 定時(shí)器工作在定時(shí)方式 。 由 上 圖可以看出 ， 脈沖 f 是振蕩器時(shí)鐘頻率 0f 的 12分頻 ， 即脈沖頻率 f 為時(shí)鐘頻率 0f 的 1/12。 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的是機(jī)器周期脈