自適應數(shù)字頻率計綜述報告（信處112王薪博小組）

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電子技術綜合

設計

自適應數(shù)字頻率計設計

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：2023年12月26日

信處112自適應數(shù)字頻率計電子綜合設計

目錄

第一章背景和意義4

1.1頻率計概述21.2頻率計發(fā)浮現(xiàn)狀及研究概況31.3本課題研究背景及主要研究意義41.4數(shù)字頻率計的種類5其次章方案設計5

2.1總體方案62.2各模塊方案設計72.2.1分頻模塊92.2.2選擇模塊102.2.3控制模塊112.2.4顯示模塊12第三章詳細設計13

3.1硬件詳細設計143.1.1單片機AT89C52153.1.2測量數(shù)據(jù)顯示電路163.1.3分頻選擇電路173.2軟件詳細設計183.2.1定時器設計流程193.2.2中斷服務設計流程213.2.3顯示部分設計流程233.2.4切換量程設計流程24第四章調(diào)試與結果25

4.1調(diào)試環(huán)境264.2調(diào)試與結果分析264.2.1分模塊調(diào)試29

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4.2.2系統(tǒng)聯(lián)調(diào)30第五章結論31結語32

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差倍增法和差拍法相結合的測量方法，這種方法是將被測信號和參考信號經(jīng)頻差倍增使被測信號的相位起伏擴大，再通過混頻器獲得差拍信號，用電子計數(shù)器在低頻下進行多周期測量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時間狀況下，得到比測頻法更高的系統(tǒng)分辯率和測量精度???，但是依舊存在著時標不穩(wěn)而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。

在電子系統(tǒng)廣泛的應用領域中，四處看見處理離散信息的數(shù)字電路。供消費用的冰箱和電視、航空通訊系統(tǒng)、交通控制雷達系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設計過程中都用到數(shù)字技術。數(shù)字頻率計是現(xiàn)代通信測量設備系統(tǒng)中必不可少的測量儀器，不但要求電路產(chǎn)生頻率的確鑿度和穩(wěn)定度都高的信號，也要能便利的改變頻率。

數(shù)字頻率計的實現(xiàn)方法主要有：直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式（1）直接式

優(yōu)點：速度快、相位噪聲低，但結構繁雜、雜散多，一般只應用在地面雷達中。（2）鎖相式

優(yōu)點：相位同步的自動控制，制作頻率高，功耗低，簡單實現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工

程化。

（3）直接數(shù)字式

優(yōu)點：電路穩(wěn)定、精度高、簡單實現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。

1.3本課題研究背景及主要研究意義

數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域必不可少的測量儀器，所以頻率的測量就顯得更為重要。在數(shù)字電路中，頻率計屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構成。在計算機及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應用。本課題采用的是直接測頻式的頻率計，設計原理簡單、電路穩(wěn)定、測量精度高，大大的縮短了生產(chǎn)周期與研發(fā)周期。

１.４數(shù)字頻率計的種類

現(xiàn)在市面上尋常使用的數(shù)字頻率計主要有的計數(shù)器。此種數(shù)字頻率計是較早時期的電子產(chǎn)品，到現(xiàn)在中小規(guī)模集成電路應用技術不斷完善時，它的應用也不斷得到加強。但很明顯，此種

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數(shù)字頻率計已處于淘汰階段，由于其自身不具備智能化、自動化，完全借助于機械示的操作，對一些智能的頻率計功能已無法完成，所以，現(xiàn)在使用這種數(shù)字頻率計的已經(jīng)很少。

（2）采用現(xiàn)場可編程門陣列（CPLD/FPGA）作為系統(tǒng)控制核心制成的數(shù)字頻率計。它通過EDA

技術和硬件描述語言（VHDL）對進行數(shù)字頻率計的設計。這種技術是在近幾年才發(fā)展起來的新技術，具有很大的發(fā)展空間和應用價值。

（3）采用單片機為系統(tǒng)控制核心的數(shù)字頻率計。這種數(shù)字頻率計具有十明顯顯的優(yōu)勢：體積小，

所用芯片少，精度高，測量范圍廣，易于擴展功能，智能化、自動化強度高，便于控制。因此采用單片機技術設計數(shù)字器件已逐漸成為主流。

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其次章方案設計

2.1總體方案設計

本課題設計的是一種以單片機為主控制的自適應頻率計。可以實現(xiàn)自動判別輸入周期信號（1-9999kHz）的特點。要求輸入信號為方波，正向輸入峰值為5V（實測為4.93V）。該頻率計首先將不同頻率范圍的方波信號直接由接口電路送給單片機,由單片機的計數(shù)器對其進行計數(shù),最終通過顯示電路顯示數(shù)值。數(shù)字頻率計主要由以下幾部分組成：（1）分頻電路；（2）頻率測量電路；（3）顯示電路。由于單片機內(nèi)部振蕩頻率很高,所以一個機器周期的量化誤差相當小,可以提高低頻信號的測量的確鑿性。

本課題主要是以單片機AT89C52為核心,通過分頻、測頻電路,以及軟件程序的編寫,實現(xiàn)方波頻率的顯示。整體設計思路可用框圖2.1表示?？驁D中各部分的作用及所采用的器件說明如下：

圖2-1設計方案框圖

2.1.1分頻模塊

測頻的原理歸結成一句話，就是“在單位時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)〞。被測信號，通過

輸入通道的放大器放大后，進入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當?shù)木幋a規(guī)律便得到相應的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進制計數(shù)電路進行直接計數(shù)和顯示。若在一定的時間間隔T內(nèi)累計周期性的重復變化次數(shù)N，則頻率的表達式為式：

fx=N（2-1）T

圖2-2說明白測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。

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時基信號待測信號

丟失（少計一個脈沖）計到N個脈沖多余（比實際多出了0.x個脈沖）

圖2-2測頻原理

本設計要求自動判別輸入周期頻率為1Hz-9999KHz信號。

由于單片機的計數(shù)頻率上限較低（12MHz晶振時，約為500KHz），所需要對高頻被測信號進行硬件欲分頻處理，采用74LS393進行分頻處理。74LS393有兩套完全一致的4位二進制計數(shù)器，因此一片393可實現(xiàn)2分頻、4分頻、8分頻、直到256分頻。其連接方法為：CLK腳接需被分頻的信號；MR腳為清零信號（高電平有效），一般直接接地；而Q0，Q1，Q2，Q3腳分別為2，4，8，16分頻輸出腳。

74LS393芯片介紹：

雙四位二進制計數(shù)器（異步清零），異步清零端為高電平日，不管時鐘1A，2A狀態(tài)如何，即可以完成清除功能。

當異步清零端為低電平日，在1A、2A脈沖下降沿作用下進行計數(shù)操作。外接納腳如圖2-3所示。

圖2-374LS393外接納腳

其真值表如圖2-4所示。

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圖2-474LS393真值表

對應原理圖如圖2-5。

圖2-5分頻模塊

2.1.2選擇模塊

設計采用74LS393進行分頻處理后，需要再用CD4051將輸入信號送入核心控制器件

單片機中完成運算、控制及其顯示功能。CD4051就是一種單端8通道多路開關，它帶有三個輸入端A,B,C，和一個阻止輸入端INH。從A,B,C輸入的信號來選擇8個通道中的一個。當阻止端INH為1時，譯碼器輸出為全0，此時八個通道全部斷開，即阻止輸入。當INH輸入為0時，譯碼器正常工作，[6]此時工作如如表2-1。

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圖3-2晶體振蕩器電路

圖3-3單片機復位電路

3.1.2測量數(shù)據(jù)顯示電路

如圖2-10所示。一般而言，數(shù)據(jù)顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定地導通和截止。優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，顯示亮度大；缺點是使用的數(shù)碼管數(shù)量少。正是由于這個缺點和本設計的要求，數(shù)字頻率計的顯示電路選擇了采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)顯示，就是LED顯示器一位一位地輪番電亮（掃描）。對于每一位LED顯示器來說，一段時間點亮一次[10]。LED顯示器的亮度既與導通電流有關，也與LED顯示器點亮時間和間隔時間的比例有關。通過調(diào)整LED顯示器的導通電流和時間比例參數(shù)，實現(xiàn)較高亮度且穩(wěn)定的顯示。LED顯示器采用共陰極動態(tài)顯示形式，4LED用一四位集成的數(shù)碼管連接組成。頻率計數(shù)結果以BCD碼的形式存放在89C52的存儲單元中，通過P0口接到74LS245上，控制4位LED的段選碼；通過P3.3口接到CD4051上，控制4位LED的位選碼。根據(jù)本設計的原理圖知，數(shù)據(jù)是

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從A端傳送到B端，因此設T/R=1，即是高電平有效。另外，由于51單片機的P0口沒有上拉電阻，在將P0口設置為輸出端時，必需考慮在段驅(qū)動的每一段位上接入上拉電阻，使LED顯示管能夠工作。我們知道，單片機的P1口掃描輸出時總有一位為高電平，假使沒有反相驅(qū)動器將這一位的高電平變成低電平，那在LED上顯示出來的將是亂碼。所以在編程與設計電路的時候特別注意段選與位選碼的設定。由于，當?shù)匾淮螌嵨镒龀鰜砗螅瑪?shù)碼管是沒有任何顯示的（位選碼，與原理圖不符）。

下圖4-5便是測量數(shù)據(jù)顯示電路。

圖3-4測量數(shù)據(jù)顯示電路

3.1.3分頻選擇電路

分頻模塊：考慮單片機外部計數(shù)，使用12MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500kHz，因此

需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。可用74LS393進行外部八分頻。

74LS393是常用的四位二進制可預置的同步加法計數(shù)器

[11]

，可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，

以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等好多重要的功能。74LS161引腳如圖3-5所示。

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圖3-574LS393引腳圖

時鐘CP和四個數(shù)據(jù)輸入端P0~P3，清零/MR，使能CEP，CET，置數(shù)PE，數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3，以及進位輸出TC(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)。表4為74LS393的真值表。

表3-174LS393的真值表清零RDLHHHH預置LD×LHHH使能EPET××××L××LHH時鐘CP×上升沿××上升沿預置數(shù)據(jù)輸入ABCD××××ABCD××××××××××××輸出Q0Q1Q2Q3LLLLABCD保持保持計數(shù)其中RD是異步清零端，LD是預置數(shù)控制端，A、B、C、D是預置數(shù)據(jù)輸入端，EP和ET是計數(shù)使能端，RCO(=ET.QA.QB.QC.QD)是進位輸出端，它的設置為多片集成計數(shù)器的級聯(lián)提供了便利。計數(shù)過程中，首先參與一清零信號RD＝0，使各觸發(fā)器的狀態(tài)為0，即計

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數(shù)器清零。RD變?yōu)?后，參與一置數(shù)信號LD＝0，即信號需要維持到下一個時鐘脈沖的正跳變到來后。在這個置數(shù)信號和時鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預置的輸入數(shù)據(jù)一致，這就是預置操作。接著EP=ET=1,在此期間74LS393一直處于計數(shù)狀態(tài)。一直到EP=0，ET＝1，計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)終止。

從74LS393功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0〞，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0馬上為全“0〞，這個時候為異步復位功能。當CR=“1〞且LD=“0〞時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0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。而只有當CR=LD=EP=ET=“1〞、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其規(guī)律關系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS393可以組成16進制以下的任意進制分頻器。

3.1軟件詳細設計

本設計中軟件流程如圖3-6所示。為使圖1所示流程能順利地完成預期的功能,在初始化部分,分頻部分,頻率測量,數(shù)據(jù)顯示部分都分別設計了流程圖???。

軟件設計流程圖如圖3-6。

開始系統(tǒng)初始化適合的通道頻率計數(shù)顯示

圖3-6軟件設計流程圖

首先定時／計數(shù)器的計數(shù)寄放器清0，運行控制位TR置1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計數(shù)閘門終止時TR清0，中止計數(shù)。計數(shù)寄放器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。判

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斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。定時／計數(shù)器的工作被設置為定時器方式，定時／計數(shù)器的計數(shù)寄放器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位TR置為1，以單片機工作周期為單位進行計數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運行控制位TR清0，中止計數(shù)。16位定時／計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535，當待測信號的頻率較低時，定時／計數(shù)器可以對被測信號直接計數(shù)，當被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時／計數(shù)器對被測信號計數(shù)，加大測量的精度和范圍。

3.2.1定時器部分設計流程

開始AT89C52初始化啟動定時器，開TO/T1中斷定時，計數(shù)

圖3-7系統(tǒng)程序流程圖

程序設計內(nèi)容

（1）．定時/計數(shù)器T0和T1的工作方式設置，由圖可知，T0是工作在計數(shù)狀態(tài)下，對輸入的頻率信號進行計數(shù)，但對工作在計數(shù)狀態(tài)下的T0，最大計數(shù)值為fOSC/24，由于fOSC＝12MHz，因此：T0的最大計數(shù)頻率為250KHz。對于頻率的概念就是在一秒只數(shù)脈沖的個數(shù)，即為頻率值。所以T1工作在定時狀態(tài)下，每定時1秒中到，就中止T0的計數(shù)，而從T0的計數(shù)單元中讀取計數(shù)的數(shù)值，然后進行數(shù)據(jù)處理。送到數(shù)碼管顯示出來。

（2）．T1工作在定時狀態(tài)下，最大定時時間為65ms，達不到1秒的定時，所以采用定時5ms，共定時200次，即可完成1秒的定時功能。

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3.2.2中斷服務設計流程

T0中斷服務子程序流程如圖20所示。測頻時,定時器T0工作在定時方式,每次定時50mS,則T0中斷20次正好為1秒,即T0用來產(chǎn)生標準秒信號,定時器T0用作計數(shù)器,對待測信號計數(shù),每秒鐘的開始啟動T0,每秒鐘的終止關閉T0,則定時器T0之值乘以分頻系數(shù)就為待測信號的頻率。

中斷開始關外部計數(shù)器判斷計數(shù)是否為1sY選擇相應檔位開外部計數(shù)器中斷計數(shù)器裝初值中斷返回

圖3-8T0中斷服務子程序

定時／計數(shù)器T1工作在計數(shù)方式,對信號進行計數(shù),計數(shù)器1中斷流程圖如圖21所示。

中斷開始計數(shù)器加1中斷開始

圖3-9計數(shù)器1中斷服務子程序

3.2.3顯示程序設計流程

顯示子程序?qū)⒋娣旁陲@示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數(shù)碼管上顯示出來,由于所有4位數(shù)碼管的8根段選線并聯(lián)在一起由單片機的P2口控制,因此,在每一瞬間4位數(shù)碼管會顯示一致的字

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符,要想每位顯示不同的字符就必需采用掃描方法輪番點亮各位數(shù)碼管,即在每一瞬間只點亮某一位顯示字符,在此瞬間,段選控制口P2輸出相應字符。由P0.0-P0.3逐位輪番點亮各個數(shù)碼管,每位保持1mS,在10mS～20mS之內(nèi)再點亮一次,重復不止,利用人的視角暫留,好像4位數(shù)碼管同時點亮。數(shù)碼管顯示子程序流程如圖22所示。

開始選擇檔位數(shù)據(jù)各位分開延時送數(shù)據(jù)顯示終止

圖3-10顯示子程序流程圖

在通過軟件實現(xiàn)動態(tài)顯示的時候???，需要用到字型碼查表圖，現(xiàn)將表1列出下：

表3-2七段LED顯示器共陰極字型碼

顯示字符gfedcbadp字型碼（共陰極）

01234567

00111110

10001110

10100010

10110110

11011111

11111001

10110111

00000000

3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H

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89ABCDEF.全亮全滅

11110111010

11111011010

10111111010

11011110010

11110100010

11100100010

11101011010

00000000110

7FH6FH77H7CH39H5EH79H71H80HFFH00H

要顯示的數(shù)據(jù)以BCD碼的方式存放在單片機RAM的存儲單元中。首先將位選碼、段選碼初始化賦值，分別送單片機端口，通過查表將存儲單元的數(shù)據(jù)送LED顯示；調(diào)延時程序，指向下一個顯示單元，直到所有位顯示完退出。

3.2.4切換量程設計流程

使用定時方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號通過頻率計的預處理電路變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波同樣加至定時／計數(shù)器的輸入腳（P3.5）。工作高電平是否加至定時／計數(shù)器的輸入腳；當判定高電平加至定時／計數(shù)器的輸入腳，運行控制位TR置1，啟動定時／計數(shù)器對單片機的機器周期的計數(shù)，同時檢測方波高電平是否終止；當判定高電平終止時TR清0，中止計數(shù)，然后從計數(shù)寄放器讀出測量數(shù)據(jù)。由顯示電路顯示測量結果，根據(jù)測量結果判斷，進行頻率計比較后，進行檔位的自動切換，具體檔位自動切換流程圖如圖23所示。

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開始測量頻率值X判斷X值XNewproject〞菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立的工程起一個名字，你可以在編緝框中輸入一個名字,點擊“保存〞按鈕，出現(xiàn)其次個對話框，按要求選擇目標器件片。建立新文件并增加到組。分別設置“target1〞中的“Target,output,debug〞各項，使程序匯編后產(chǎn)生HEX文件。

（2）匯編，調(diào)試系統(tǒng)程序

Keil單片機模擬調(diào)試軟件內(nèi)集成了一個文本編輯器，用該文本編輯器可以編輯源程序。在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“File→New...〞、單擊對應的工具按鈕或者快捷鍵Ctrl+N將開啟一個新的文本編輯窗口，完成匯編語言源文件的輸入，并且完成源程序向當前工程的添加。

然后在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“File→SaveAs...〞可以完成文件的第一次存儲。注意，匯編語言源文件的擴展名應當是“ASM〞，它應當與工程文件存儲在同一文件夾之內(nèi)。在完成文件的第一次存儲以后，當對匯編語言源文件又進行了修改，再次存儲文件則應選中擇菜單“File→

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2設計硬件PCB圖

硬件設計PCB圖

3自適應數(shù)字頻率計測量頻率程序：

#include

#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint

sbitA0=P1^5;sbitA1=P1^6;sbitA2=P1^7;

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longFREQUENCY=0;//ucharcount=0;ucharflag=0;

//頻率定義

//溢出標志

//定時次數(shù)20

ucharqian,bai,shi,ge;

ucharflag1=0;//判斷頻率是否超出數(shù)碼管顯示范圍

ucharFREQUENCY_DIVIDE_MODE;//定義分頻模式從低到高，依次判斷ucharDISBUF[4]={0,0,0,0};

//定義位選

ucharflag2=0;//判斷是否完成一次一秒測頻ucharflag3=0;

voidDisPlay(void);//voidDelay(uintz);voidTimeinit(void);

voidUNIT_SWITCH(longx);voidCHANEL_SET(uchary);voidchuankouInit(void);voidtx_str(longx);voidjishu(void);

ucharFREQUENCY_DIVIDE_MODE_CULCULATE(void);//分頻模式判定調(diào)理ABC開關，改變通道

voidmain(void){

//發(fā)送完成標志

//單位轉(zhuǎn)換//通道選擇

//串口定義//串口發(fā)送

Timeinit();chuankouInit();

FREQUENCY_DIVIDE_MODE=0;//初始化通道，先使用最低分頻進行判定CHANEL_SET(FREQUENCY_DIVIDE_MODE);while(1){

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適

if(flag2==1)

{

flag2=0;

//完成了一次頻率測量

if(FREQUENCY_DIVIDE_MODE_CULCULATE())//若返回值為1，證明數(shù)據(jù)范圍合

{

switch(FREQUENCY_DIVIDE_MODE)

//在數(shù)據(jù)范圍適合的前提下，進行頻

率復原}

voidDelay(uintz)//yanshi{}

voidDisPlay(void){

}

}

{}

//單位交換

case0:FREQUENCY=FREQUENCY*2;break;case1:FREQUENCY=FREQUENCY*4;break;case2:FREQUENCY=FREQUENCY*8;break;case3:FREQUENCY=FREQUENCY*16;break;case4:FREQUENCY=FREQUENCY*32;break;case5:FREQUENCY=FREQUENCY*6