简易多功能计数器1文档格式.docx

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2、各部分电路的选取及硬件实现

2.1单片机控制电路

其电路原理图如图2所示

图2控制电路原理图

单片机控制电路是以单片机89C52为核心，整个系统的控制和操作全部由单片机控制电路完成，如各项性能指标的测量、各种参数测量之间的切换、LED显示、实时语音播报等。

凌阳单片机SPCE061A是一款16位单片机，时钟频率在32768Hz～49MHz范围内可选择。

内部具有8路A/D通道，其中一路为MIC音频通道，2路D/A通道，具有语音录制和语音播放功能，可以完成自由发挥部分的测试参数实时语音播放和语音提示功能。

2.2频率、周期测量模块设计

（1）频率、周期测量原理：

在某个已知的标准时间间隔T（如1s）内，测出被测信号重复的次数N，f=N/T就是信号频率。

基本原理框图如图3所示

图3周期频率测量电路原理方框图

图中晶振提供测量的时间基准，经分频后产生准确地时间间隔T，作为门控信号去开启与关闭时间闸门。

闸门开启时，被测信号经过放大整形后，进入计数器进行计数，闸门关闭时，停止计数。

若在时间间隔T内，计数值为N，则被测信号的频率f=N/T。

由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，测的频率值，即可通过运算得到周期数。

（2）理论计算与分析

当f≥10KHz时，采用计时1到10ms，同时测量脉冲个数n；

1MHz≤f≤10MHz，定时200ms，测量脉冲个数n

100KHz≤f≤1MHz，定时500ms，测量脉冲个数n

10KHz≤f≤100KHz，定时1000ms，测量脉冲个数n

当f≤10KHz，采用计1到1000个脉冲，同时测量所用时间t

1KHz≤f≤10KHz，计1000个脉冲，同时测量所用时间t

100Hz≤f≤1KHz，计100个脉冲，同时测量所用时间t

10Hz≤f≤100Hz，计10个脉冲，同时测量所用时间t

④0.01Hz≤f≤10Hz，计1个脉冲，同时测量所用时间t

总结以上两种测量方式，形式虽然不同，但其原理一样，总结其计算公式如下：

…………

（1）

…………

（2）

…………（3）

由以上

（1）

（2）（3）式可以计算出所需的频率与周期

所选芯片74ls00典型的时间延时为几ns到十几ns；

74ls74典型的时间延时为几ns到十几ns；

74HC4040典型时间延时为几ns到十几ns，频率高达79MHz。

理论计算结果可得精度0.01%，符合题目要求。

2.3时间间隔测量模块设计

（1）时间间隔测量原理：

信号输入后经过放大整形处理，再经由高频积分电路积分输出积分电压，积分电压通过12位模数转换器AD574转换输出，利用其输出计算信号的占空比，然后算出信号脉宽。

其原理图如图3所示

（2）理论计算及分析

占空比计算公式：

…………（4）

时间间隔计算公式P=ρ*T…………（5）

由以上两式可以计算出时间间隔

D为AD574十二位模数转换输出，ρ为信号占空比，P为时间间隔，T为信号周期

①当信号频率f≤1KHz时，根据误差0.1%要求时间间隔大于1μs，可直接测量时间间隔。

②当信号频率f≥1KHz时，信号经过高频积分得到的电压经过AD574十二位模数转换后经过公式（4）（5）计算出时间间隔

假设当ρ=1时，Vi=10vD=0FFFH

当ρ=0.5时Vi=5vD=07FFH

当ρ=0时Vi=0vD=00H

采用芯片AD574十二位模数转换可以满足时间间隔1μs到10s的要求。

2.4Vpp测量电路

（1）由采样保持集成电路LF398和电压比较器LM393、场管等组成峰值电压采样保持电路，其原理是：

输入的电压进入采样集成，对电容充电，电压达到最大值（峰值）之后，输出的电压和输入的电压作比较，电压达到最大值（峰值）之后，由于输出电压大于圆锥形入电压，比较器的输出使采样集成禁止电压的输入而保持峰值不变。

运放OP07用于对信号进行两倍的电压放大，满足A/D转换器ADC0832的最大电压分辩条件。

ADC0832是一个8位串行A/D转换器，用于采集正弦信号的Vpp值。

电路原理图4所示

图4峰值测量电路

2.5键盘与显示

本简易多功能计数器采用8×

2键盘，采用八位数码显示所测参数的名称、符号、数值和单位。

实现电路如图5所示

图5键盘与显示电路

键盘功能

1号键表示测量频率，2号键表示测量周期，3号键表示测量时间间隔，4号键表示显示环境温度，8号键表示存频率数据，9号键表示存周期数据，A键表示存时间间隔数据，B键表示存全部数据，C键表示取频率数据，D键表示取周期数据，E键表示取时间间隔数据。

显示说明

本系统采用8位LED显示，前两位显示测量的类型及单位，F表示频率，T表示周期，P表示时间间隔，F与L组合表示单位Hz，T与L组合表示μs，P与L组合表示μs，F与H组合表示单位KHz，T与H组合表示ms，P与H组合表示ms

1、频率显示

当f<

10000Hz时，单位是Hz，显示为：

FL######

例如：

0.01Hz显示为FL0.01000

例如:

9999.99Hz显示为FL9999.99

当10KHz≤f<

100MHz时，单位为KHz，显示为FH<

######

10.1234KHz显示为FH10.1234

9999.99KHz显示为FH9999.99

2、周期显示

①当T<

10000μs时，单位是μs，显示为：

0.01μs显示为TL0.01000

9999.99μs显示TL9999.99

当10ms≤T<

100s时，单位为ms，显示为FH<

10.1234ms显示为TH10.1234

9999.99ms显示为TH9999.99

3、脉宽显示

PL######

0.01μs显示为PL0.01000

9999.99μs显示PL9999.99

当10ms≤f<

100s时，单位为ms，显示为PH<

10.1234ms显示为PH10.1234

9999.99ms显示为PH9999.99

2.6电源电路

电源电路作用是为整个系统提供稳定的工作电源，本系统使用12V直流电源。

电源电路原理图如图6

图6电源电路原理图

2.7自由发挥部分

（1）语音模块：

放音模块是由音频放大电路和扬声器组成，和凌阳单片机SPCE061A配合完成实时语音播报。

录音模块：

录音模块是由MIC和音频放大电路组成，和凌阳单片机SPCE061A配合完成语音的录制。

可以录制需要播报的语音信息。

（2）环境温度测量模块：

用数字式测温芯片DS18B20测量环境温度，测量结果送显示部件显示

（3）通过按键选择可显示实时时钟：

年月日时分秒

三、单片机系统软件设计

1、软件功能

⑴主程序实现题目中测量频率、周期、时间间隔、环境温度、时间显示等功能，初始化主要完成单片机外围电路参数设置及LED显示；

并测试和显示执行结果；

工作参数设置可支持各个功能之间选择……

（2）软件流程图

四、制作与抗干扰措施

系统要测量信号范围跨度非常大，从最小数级几μs和0.01Hz到10s和10MHz，作为精密测量电路，抗干扰能力显得极为重要。

因此采用以下几种措施增强抗干扰能力。

1、电源隔离。

由于系统要有供电，而电源对测量电路会造成一定影响而使测量结果产生误差，我们产用了独立电源供电，有效减小对测量电路的影响。

2、软件校准。

由于硬件采集系统无法达到全频段的稳定性，再接收到信号后我们通过软件对其进行一定的校准处理以便达到更好的效果。

3模数隔离。

由于数字电路有很大的高频对地干扰，非常容易对模拟电路产生影响。

在电路板制作中我们产用了模拟地数字地一点接地。

五、系统测试与分析

（1）测量环境：

28℃

日期：

2008年9月15日星期一

（2）测量仪器

DS5152CA数字示波器NW1641B信号发生器

HC-F1000L频率计MS8085万用表

（3）测量方法

在测量频率与周期时，用信号发生器产生标准信号，用本设计的系统进行测试，与信号发生器上的标准信号进行比较，测试过程中不断改变信号频率，由于进行测试的数据很多这里摘取其中典型值并记录到下表中。

在测量时间间隔时，用信号发生器产生标准信号，用本设计的进行测试，同时用数字示波器进行比较测试，在测试过程中不断改变标准信号的频率及时间间隔，这里摘取部分典型值记录在下表。

（4）测量数据

①频率测量数据

标准信号输入

0.01Hz

1Hz

10Hz

100Hz

1KHz

10KHz

100KHz

1MHz

10MHz

实际仪器测量

0.01

1

10

100

本设计仪器测量

10.05

误差

0.05%

②周期测量数据

1μs

10μs

100μs

1ms

10ms

100ms

1s

10s

0.9994

9.996

0.06%

0.04%

③时间间隔测量数据

0.9994μs

9.996μs

（4）测量结果及分析

通过上述测试数据，可以得出，在信号的低频范围内基本达到零误差，在高频范围内误差控制在0.05%±

0.01%以内，大大超过了题目要求的0.1%。

测量系统的误差主要来自于高频信号产生的电路电容，以及所用器件和仪器产生的不可避免的误差系统误差。

六、结论

经测试，本系统基本完成了基本及发挥部分的要求，在某些方面性能有极大的提高，大大超过了所要求的精度，还增添了特色设计音频播放、时间显示和温度测量等，但由于时间紧张、实验条件有限等原因，整个系统还存在着设计简陋等问题。

由于本系统采用了模块化设计，系统还有很大的升级扩展空间。

经过进一步完善，完全可以应用于实际测量中。

参考文献

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