頻率計EDA設(shè)計

1、遼東學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院可編輯邏輯器件原理及應(yīng)用教學(xué)課程實習(xí)報告頻率計EDA設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 班 級： B1106 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 2014年07月【摘要】該系統(tǒng)以STC89S51單片機為核心, 應(yīng)用單片機的運算和控制功能并采用 LCD 顯示器實時地將所測頻率顯示出來, 通過測量結(jié)果對比,分析了測量誤差的來源,提出了減小誤差應(yīng)采取的措施。頻率計具有電路結(jié)構(gòu)簡單、 成本低、 測量方便、 精度較高等特點,適合測量低頻信號。關(guān)鍵詞:單片機，頻率測量【Abstract】The paper introduces one cymometer system Based on sing

2、lechip which applys the singlechips function of operation and control and displays the result by LCD. By comparing results, the source of measurement error is analysed, the measures are proposed for reducing errors. T he frequency meter has characteristics of simple circuit, low cost, easy measureme

3、nt and high precision, it fits for measuring low frequency signals.Key words : Singlechip,frequency- measure目錄引言11 課程設(shè)計概述11.1 課程設(shè)計任務(wù)及要求11.2 主要儀11.3 數(shù)字頻率計.11.4 測頻基本設(shè)計.12 方案論證.22.1 總體方案.22.2 測頻方案選擇.23硬件設(shè)計.33.1系統(tǒng)功能描述.33.2硬件電路設(shè)計框架33.3單片機部分.33.4 放大整形部分43.5分頻部分.53.6 LCD顯示和鍵盤部分.64 軟件設(shè)計.64.1 主程序流程圖設(shè)計74.2 子程

4、序流程圖設(shè)計.74.2.1 顯示程序.74.2.2頻率測量程序框圖.84.2.3 中斷服務(wù)流程圖.85 系統(tǒng)調(diào)試.85.1顯示調(diào)試.95.2鍵盤調(diào)試.95.3前置放大整形調(diào)試.95.4軟件調(diào)試.96結(jié)論.97總結(jié).9參考文獻(xiàn)10參考附錄10引言：在工業(yè)生產(chǎn)、儀器儀表行業(yè)及實驗教學(xué)中，經(jīng)常會遇到頻率的測量，我們經(jīng)常使用的及目前市場上所售的頻率測量裝置，大多數(shù)是采用小規(guī)模集成電路及分離元件組成。在現(xiàn)代電子學(xué)的各個領(lǐng)域，要求頻率計精度高且能夠直接讀出頻率值。頻率計由89S52單片機控制電路、信號處理電路、鍵盤電路以及測量數(shù)據(jù)的顯示電路還有系統(tǒng)軟件所構(gòu)成的，在信號處理電路當(dāng)中包含了待測信號放大、限幅、

5、波形變換、波形整形以及分頻電路。信號的予處理電路當(dāng)中的放大器所實現(xiàn)的是對待測信號的一個放大的功能，能夠降低對待測信號的幅度的一個要求，波形的變換和整形電路實現(xiàn)將正弦波樣的一個正負(fù)交替的號波形轉(zhuǎn)換成為能夠被單片機所接受的一個信號，分頻電路所用于擴展的單片機的頻率測量范圍以及提高測量精度，并且通過實現(xiàn)單片機頻率測量以及周期測量使用統(tǒng)一的一個輸入的信號。系統(tǒng)的軟件包括有測量初始化的模塊、顯示的模塊以及信號頻率測量的模塊等等。1 課程設(shè)計概述1.1 課程設(shè)計任務(wù)及要求題目：數(shù)字頻率計要求：LCD顯示，測量范圍0100KHZ，帶前置放大、整形電路，可測周期信號的頻率。1.2 主要儀器設(shè)備函數(shù)信號發(fā)生器

6、1臺示波器 1臺直流穩(wěn)壓電源（030V） 1臺數(shù)字萬用表 1塊PC機 1臺1.3數(shù)字頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。1.4 測頻基本設(shè)計原理所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將

7、被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進行控制，當(dāng)秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。 2 方案論證2.1 總體方案本次設(shè)計包含硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分，根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，采用AT89S52單片機，配置時鐘電路，復(fù)位電路構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，配置前置放大電路，人機對話通道中的鍵盤，L CD顯示，從而構(gòu)成設(shè)計要求的單片機應(yīng)用

8、測頻系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-1所示：圖2-1結(jié)構(gòu)框圖圖2.12.2 測頻方案選擇方案一：直接測頻法。直接測頻法是把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個輸入端, 只有在閘門開通時間T ( 以秒計) 內(nèi), 被計數(shù)的脈沖被送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設(shè)計數(shù)器的值為N , 由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率為: f = N / T 。方案二：高精度恒誤差測頻法。通過對傳統(tǒng)測量方法的研究, 結(jié)合高精度恒誤差測量原理, 設(shè)計一種測量精度與被測頻率無關(guān)的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。方案三：倍頻法。直接測頻法在高頻段有著很高的精度?？梢园杨l率測量范圍分成多個頻段, 使用倍

9、頻技術(shù), 根據(jù)頻段設(shè)置倍頻系數(shù)將經(jīng)整形的低頻信號進行倍頻后再進行測量, 高頻段則進行直接測量。從編程難易及單片機資源利用情況和測量誤差角度考慮，選擇方案一，盡管在測量低頻段時的相對測量誤差較大。但是可以通過增大 T 來提高測量精度。3 硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)功能描述本次課程設(shè)計主要完成功能有：(1）長按設(shè)置鍵可選擇測量頻率或者周期。(2）短按則是選擇設(shè)置閘門時間（0.05s10s）。(3）測量頻率范圍：0.1Hz4MHz。3.2硬件電路設(shè)計框架根據(jù)設(shè)計要求，數(shù)字頻率計整個系統(tǒng)硬件框架圖如下3-1圖3-1本系統(tǒng)實用LM318對待測信號進行放大，在用穩(wěn)壓二極管1N4733對信號進行限幅，然后經(jīng)74LS

10、14反向器整形得到TTL信號，送74LS161分頻，最后送單片機P35內(nèi)部計數(shù)器進行計數(shù)，單片機處理數(shù)據(jù)后送LCD顯示。3.3單片機部分P0口經(jīng)上拉后做LCD數(shù)據(jù)接口P2.1P2.3作為LCD控制端口P2.4-P2.5作為分頻選擇端口P1.6-P1.7作為鍵盤設(shè)置端口P3.5作為被測信號輸入端口圖3-23.4 放大整形部分待測信號經(jīng)過第一級放大后，進入第二級放大限幅電路，再由7414組成的施密特觸發(fā)器整形，得到標(biāo)準(zhǔn)方波信號。LM318是高數(shù)運放，工作電壓±5-±20V，輸入帶寬15MHZ，足夠處理高頻信號。 放大倍數(shù)：n=RL2/RL1(RL2用50K，RL1用10K)。限

11、幅原理：限幅電路的穩(wěn)壓管跨接在集成運放的輸出端和反相輸入端之間。假設(shè)穩(wěn)壓管截止，則集成運放必然工作在開環(huán)狀態(tài)，輸出電壓不是+UOM，就是-UOM。這樣，必將導(dǎo)致穩(wěn)壓管擊穿而工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，DZ構(gòu)成負(fù)反饋通路，使反相輸入端為“虛地”，限流電阻上的電流iR等于穩(wěn)壓管的電流iZ，輸出電壓u O=±UZ。圖3-33.5分頻部分74HC161與74ls161功能兼容，是常用的四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，他可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能.其管腳圖如圖3-4所示：圖3-474HC161 圖3-5 74HC153管腳圖圖3-574HC153是一個雙4選

12、1數(shù)據(jù)選擇器，其管腳圖如圖3-5所示：74LS161對整形后的防波信號進行分頻，Q1為四分頻輸出，Q3為16分頻輸出。未經(jīng)分頻、經(jīng)過四分頻和經(jīng)過16分頻的三路信號作為74LS153的一個4選1數(shù)據(jù)選擇器低三位輸入，由單片機控制選擇分頻數(shù)，然后再送單片機內(nèi)部計數(shù)器T1（如圖3-6）.圖3-63.6 LCD顯示和鍵盤部分LCD顯示，通過調(diào)節(jié)變阻器調(diào)節(jié)LCD背光亮度，八位數(shù)據(jù)口接單片機P0口，讀寫控制端接P2.0-P2.2口。三個按鍵中，設(shè)置鍵接P3.2單片機按外部中斷0接口，當(dāng)按鍵按下后，置P3.2口低電平，單片機中斷。S1、S2為頻率/周期、閘門時間加/減選擇按鍵（如圖3-7）。 圖3-74 軟

13、件設(shè)計4.1 主程序流程圖設(shè)計本次程序設(shè)計采用的是C語言程序設(shè)計，其設(shè)計流程圖4-1所示：圖-主程序流程圖4.2 子程序流程圖設(shè)計4.2.1 顯示程序LCD顯示程序設(shè)計流程如圖4-2圖4-2顯示程序流程圖4.2.2頻率測量程序框圖頻率測量程序的整體架構(gòu)如圖4-3所示：圖4-3頻率測量框架圖4.2.3 中斷服務(wù)流程圖圖4-4中斷程序流程圖5 系統(tǒng)調(diào)試5.1顯示調(diào)試調(diào)節(jié)變阻器改變LCD背光亮度，直到亮度合適且顯示正常。去掉前置放大整形部分，送數(shù)據(jù)LCD顯示看是否正常顯示，能夠正常顯示，說明顯示電路正常工作。5.2鍵盤調(diào)試在顯示正常情況下調(diào)試鍵盤，按設(shè)置鍵，看是否能正常進入中斷，若能，進入中斷后，按

14、下頻率/周期、閘門時間設(shè)置鍵，看是否能正常設(shè)置。在調(diào)試過程中遇到能夠進入中斷，但是不能進行設(shè)置，經(jīng)檢查電路、程序后發(fā)現(xiàn)，兩個選擇按鍵之間短路，當(dāng)其中一個按鍵按下，相當(dāng)于兩個同時按下，只是單片機CPU不能正常識別。消除短路后電路正常工作了。5.3前置放大整形調(diào)試去掉LCD、單片機調(diào)試放大器是否正常工作。給定輸入信號，用示波器分別測量各級輸入輸出信號，看是否和放大相應(yīng)倍數(shù)，限幅在指定范圍。調(diào)試結(jié)果：第一級放大五倍與符合預(yù)想要求。第二級限幅在±6.2V，與理論值±5.1伏有所出入，但仍然滿足后面電路要求。5.4軟件調(diào)試單片機軟件調(diào)試主要是調(diào)試本次課程設(shè)計的主程序。其調(diào)試過程如下：

15、（1）新建一個工程。單擊Project菜單，在彈出的下拉菜單中選New Project。（2）然后選擇你要保存的路徑，輸入工程文件的名字，保存。（3）新建一個工程后彈出一個對話框，根據(jù)你的需要選擇你使用的單片機型號。然后點擊確定。（4）單擊“File”，選擇“New”，新建文件并在其中輸入程序代碼，然后保存為c語言文件。（5）回到編輯界面后，單擊“Target 1”前面的“+”號，然后在“Source Group 1”單擊右鍵選擇“Add File To Group Source Group 1”,選中Test.c文件。（6）單擊“Project”菜單，選中“Built Target”，完成程

16、序的編譯，在工程文件夾中找到*.hex文件即可。6結(jié)論結(jié)論：整個系統(tǒng)完成測試后，性能穩(wěn)定，由于所用函數(shù)發(fā)生器輸出最大頻率為10KHz，沒有測試更高頻率；從測量結(jié)果對比分析可知本次設(shè)計的頻率計基本滿足課程設(shè)計要，并且功能有所擴展。7 總結(jié)在整個課程設(shè)計的過程中每一步都是自己親自做過的，遇到的問題也非常多，在經(jīng)過遇到問題，思索問題到解決問題的過程中，收獲是最多的。以往沒有注意到的問題，都在這一次的課程設(shè)計中得以體現(xiàn)，這培養(yǎng)了我的細(xì)心，耐心和專心。我覺得能夠在這次的課程設(shè)計中學(xué)到很多的東西，以往不注意的細(xì)節(jié)，在這一次中是必須讓自己去注意的。對實際經(jīng)驗的不足在設(shè)計過程中出現(xiàn)了不少的問題，得到了老師的耐

17、心指導(dǎo)，在此表示感謝。參考文獻(xiàn)1 張義和.例說51單片機.人民郵電出版社2 馬淑華. 王鳳文等著.單片機原理與接口技術(shù). 北京郵電大學(xué)出版社3 華成英.童詩白著. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) . 高等教育出版社4 閻石著.數(shù)字電子技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社5 譚浩強. C語言程序設(shè)計 . 清華大學(xué)出版社6 陳尚松等.電子測量與儀器（第二版）.電子工業(yè)出版社參考附錄程序清單#include <AT89x52.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#include <intrins.h>float f; /頻率float

18、 p; /周期float sj; /閘門時間char idata buff20;char flag=0; /頻率周期選擇標(biāo)志位char xs=0; /設(shè)置閘門時間結(jié)束后是否顯示結(jié)果的標(biāo)志位unsigned char m=0,n=0,yichu=0,fenpin; /m定時中斷次數(shù) n計數(shù)中斷次數(shù) yichu判斷是定時器還是計數(shù)器溢出#define Key_Set P1#define K1 0xbf /1011_1111 P16#define K2 0x7f /0111_1111 P17#define NO_Set 0xff#define Freq 0#define Peri 1sbit B15

19、3=P24;sbit A153=P23;sbit P17=P17;sbit P16=P16;sbit P35=P35;sbit Set=P32;unsigned char LCD_Wait(void);void LCD_Write(bit style, unsigned char input);void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode);void LCD_SetInput(unsigned char InputMode);void LCD_Initial();void GotoXY(unsigned char x, unsigned char

20、y);void Print(unsigned char *str);void C52_Initial();void Delay(unsigned int t);void display(float f);void cepin();void panduan();void timedisplay(float sj);void Time_Set1();void Time_Set2();void t0();void t1();/* 模塊名稱：LCD1602顯示程序 */*Port Definitions*/sbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn= P22;

21、sfr DBPort= 0x80; /P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.數(shù)據(jù)端口/*內(nèi)部等待函數(shù)*/unsigned char LCD_Wait(void)LcdRs=0; /寄存器選擇輸入端 1:數(shù)據(jù) 0：指令LcdRw=1; _nop_(); /RW：為0：寫狀態(tài);為1：讀狀態(tài);LcdEn=1; _nop_(); /使能輸入端,讀狀態(tài),高電平有效;寫狀態(tài),下降沿有效 LcdEn=0;return DBPort;/*向LCD寫入命令或數(shù)據(jù)*/#define LCD_COMMAND 0 / Command#define LCD_DATA 1 / Data#defi

22、ne LCD_CLEAR_SCREEN 0x01 / 清屏#define LCD_HOMING 0x02 / 光標(biāo)返回原點void LCD_Write(bit style, unsigned char input)LcdEn=0;LcdRs=style;LcdRw=0; _nop_();DBPort=input; _nop_();/注意順序LcdEn=1; _nop_();/注意順序LcdEn=0; _nop_();LCD_Wait();/*設(shè)置顯示模式*/#define LCD_SHOW 0x04 /顯示開#define LCD_HIDE 0x00 /顯示關(guān)#define LCD_CURSO

23、R 0x02 /顯示光標(biāo)#define LCD_NO_CURSOR 0x00 /無光標(biāo)#define LCD_FLASH 0x01 /光標(biāo)閃動#define LCD_NO_FLASH 0x00 /光標(biāo)不閃動void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);/*設(shè)置輸入模式*/ #define LCD_AC_UP 0x02#define LCD_AC_DOWN 0x00 / default#define LCD_MOVE 0x01 / 畫面可平移#define LCD_NO

24、_MOVE 0x00 /defaultvoid LCD_SetInput(unsigned char InputMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);/*初始化LCD*/ void LCD_Initial()LcdEn=0;LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); /8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣 LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); /開啟顯示, 無光標(biāo) LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCRE

25、EN); /清屏LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE); /AC遞增, 畫面不動 /*/ void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y)if(y=0)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y=1)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40);void Print(unsigned char *str)while(*str!='0')LCD_Write(LCD_DATA,*str);str+;/* / * * * 模塊名稱： 頻率測量程序 * * 主要

26、技術(shù)指標(biāo)： 測量范圍：0.1Hz4M * * 閘門時間：0.05s10s可調(diào)。 * * * */*89c52初始化*/ void C52_Initial()sj=1000000.00;Key_Set=0xff;TMOD=0x51; / 01010001 T1為計數(shù)器,T0為定時器 EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;PX0=1; /外部中斷0設(shè)置為高優(yōu)先級 IT0=0; /電平觸發(fā)方式/*ms延時子程序*/ void Delay(unsigned int t) /t隨著數(shù)值越大,誤差趨于平衡. unsigned char i;while(t-)for(i=0;i<123;i+)

27、;/*計數(shù)中斷*/ void t1(void) interrupt 3 /計數(shù)器1溢出，yichu=1n+;yichu=1;TH1=0;TL1=0;/*定時中斷*/ void t0(void) interrupt 1m+;yichu=2; /定時器0溢出，yichu=2 TH0=0x3c; /定時50msTL0=0xb0;/*頻率顯示*/ void Fdisplay(float f)if(f>999400.00)if(f<4000400.00)sprintf(buff," Freq:%2.4fmHz ",(f/1000000.00);elseif(f>10

28、40.00)sprintf(buff," Freq:%4.2fkHz ",(f/1000.00); elseif(f>0.06)sprintf(buff," Freq:%3.2fHz ",f);GotoXY(0,1);Print(buff);/*周期顯示*/ void Pdisplay(float p)if(p>999400.00)if(p<10004000.00)sprintf(buff," Cycle:%2.4fs ",(p/1000000.00); elsesprintf(buff,"error(Ti

29、me or F)",p);elseif(p>9950.00)sprintf(buff," Cycle:%4.2fms ",(p/1000.00);elseif(p>0.248)sprintf(buff," Cycle:%3.3fus ",p);elsesprintf(buff,"error(Time or F)",p);GotoXY(0,1);Print(buff);/*測試頻率*/void cepin()unsigned char a;unsigned long js;m=0;n=0;TMOD=0x51;TH0

30、=0x3c; /定時50msTL0=0xb0;TH1=0;TL1=0;a=sj/50000.00;TCON=0x50; /啟動定時器和計數(shù)器while(m!=a);TCON=0;js=TH1*256+n*65536+TL1;f=(js/(sj/1000000.00)*fenpin;p=sj/(js*fenpin);if(xs=0) /設(shè)置結(jié)束后第一次不顯示結(jié)果if(flag=Freq) Fdisplay(f);else Pdisplay(p);/*判斷頻率*/void panduan()xs=0; /設(shè)置結(jié)束后第二次循環(huán)顯示結(jié)果B153=1; /選擇16分頻A153=0;yichu=0;TMO

31、D=0x51;TH0=0xff; /定時器0 200usTL0=0x38;TH1=0xff; /計數(shù)器1 100脈沖TL1=0x9c;TR0=1; /啟動定時器0和計數(shù)器1TR1=1;while(yichu=0); /如果沒有溢出一直循環(huán)TR0=0; /已經(jīng)溢出關(guān)閉定時器0和計數(shù)器1TR1=0;if(yichu=1) /計數(shù)器先溢出：在200ms內(nèi)測得的脈沖過多，說明頻率較高(f>500khz)fenpin=16; /轉(zhuǎn)為測16分頻后的頻率 16cepin();else /定時器先溢出：100個脈沖的時間比較短，即頻率較低，可以減少分頻數(shù)yichu=0;B153=0;A153=1;TH0

32、=0xfc; /定時器0 1msTL0=0x18;TH1=0xff; /計數(shù)器1 100個脈沖TL1=0x9c;TR0=1; /啟動定時器0和計數(shù)器1TR1=1;while(yichu=0); /如果沒溢出一直循環(huán)TR0=0; /已經(jīng)溢出關(guān)閉定時器0和計數(shù)器1TR1=0;if(yichu=1) /計數(shù)器先溢出：在1ms內(nèi)測得的脈沖過多，說明頻率較高(1khz<f<500khz)fenpin=4; /轉(zhuǎn)為測4分頻后的頻率 4cepin();else /定時器先溢出：100個脈沖的時間比較短，即頻率較低 fenpin=1;B153=0;A153=0;cepin();/*顯示閘門時間*/

33、void timedisplay(float GTime)sprintf(buff,"GTime=%7.0fus ",GTime);GotoXY(0,1);Print(buff);Delay(50);/*減按鍵*/void Time_Set2()Delay(1000);if(P17=1) sj=sj-50000.00;if(sj>50000.00) timedisplay(sj);elsesj=50000.00;timedisplay(sj); elsewhile(P17=0) Delay(500);sj=sj-500000.00;if(sj>50000.00) timedisplay(sj);elsesj=50000.00;timedisplay(sj); /*加按鍵*/void Time_Set1()Delay(1000);if(P16=1)sj=sj+50000.00;if(sj<10000000.00) timedisplay(sj);els