数字显示频率计电路设计制作.docx

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数字显示频率计电路设计制作

本科毕业设计/论文

题目：

数字频率计

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年级：

指导教师：

数字显示频率计电路设计制作

摘要：

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。

为了实现智能化的计数测频，实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是将单片机用于频率计的设计当中。

本课题介绍以51单片机作为核心器件，另外还包括信号输入、信号放大、信号选择、时钟提供、数据显示等功能模块的数字频率计的设计方法。

频率计的硬件电路是用Protel绘图软件绘制而成，软件部分的单片机控制程序，是用汇编语言编写而成。

由于本设计采用了模块化的设计方法，提高了测量频率的范围。

关键词：

测量；频率计；单片机；汇编

DesignofadigitalfrequencymeterbasedonSCM

Abstract：

Amongelectronictechnology,frequencyisoneofthemostbasicparameters,andresultofmeasuringhaveaverycloserelationtoalotofelectricparameters,sothemeasurementoffrequencyseemsevenmoreimportant.Inordertorealizethecountingofintellectualityexaminesfrequently,realizeawide-range,high-accuracycymometer,aneffectivemethodistouseone-chipcomputerforthedesignofthecymometer.Thissubjectrecommendsregarding51Single-Chipcomputerasthekeydevice,includesignalinput,signalamplify,signalchoose,clockoffer,datapersonwhorevealfunctiondigitaldesignmethodofcymometerofmodulestillinaddition.ThehardwarecircuitofthecymometerisdrawingwithProtelmappingsoftware,theone-chipcomputercontrolprocedureofthesoftwarepart,wrotetheassemblerlanguage.Becauseoriginallydesignthedesignmethodtoadoptmodule,improvetherangeofmeasuringfrequency.

Keywords:

Measurement,Cymometer,Single-Chipcomputer,Compilation

第1章绪论

1.1概述

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。

传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。

因此频率测量方法的优化也越来越受到重视。

测量频率的方法有很多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。

另外，由于把微型计算机的功能引入到了数字仪表，因此测量的数字化、智能化逐渐成为当前测量技术的发展趋势。

数字化处理技术使得测量仪器设备功能完美，但数字处理的实时性受到处理速度的限制，实时测量对电路的处理速度要求越来越高，目前的微控处理芯片发展迅速，出现了诸如DSP，FPJA等不同领域的应用芯片。

将这些芯片应用到频率计制作当中，使频率计的测量精度及速度也得到了很大程度上的提升[1]。

其次，为了实现智能化的电子计数测频,实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是运用单片机测量频率。

单片机频率计较以往的频率计有硬件电路少的优点，过去许多用硬件实现的功能可以通过单片机的软件程序来实现，因为软件可以降低频率计的成本，往往只需要增减几段代码就可以实现不同的功能，同时也降低了硬件电路设计的难度，减少出错率，通过软件调试的方法还可以提高频率测量的精度。

特别是MCS—51系列单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器、仪表等领域。

本课题设计的频率计以89C51单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。

1.2课题的目的意义

本课题主要研究如何用单片机来设计数字频率计。

因为在电子技术中，频率的测量十分重要，这就要求频率计要不断的提高其测量的精度和速度。

在科技以日新月异的速度向前发展，经济全球一体化的社会中，简洁、高效、经济成为人们办事的一大宗旨。

在电子技术中这一点表现的尤为突出，人们在设计电路时,都趋向于用尽可能少的硬件来实现,并且尽力把以前由硬件实现的功能部分,通过软件来解决。

因为软件实现比硬件实现具有易修改的优点,如简单地修改几行源代码就比在印制电路板上改变几条连线要容易得多,故基于微处理器的电路往往比传统的电路设计具有更大的灵活性。

单片机就属于这一类设计电路，单片机因其功能独特和廉价已在全球有数千种成功的范例,在国内也开发出了充电器、空调控制器、电子定时器、汽车防盗器、卫星接收机以及各种智能仪表等实用产品[2]。

频率计也是单片机的一种很重要的应用,价格低廉且具有实际意义。

虽然使用逻辑分析仪也可以很好的测量信号的频率等参数，但其价格太昂贵。

实现测量的数字化、自动化、智能化已成为各类仪表设计的方向，而由单片机控制的、全自动的、数字显示的频率计就符合这一设计理念。

本课题涉及到了电路设计、编写程序、绘制电路图，绘制电路板等多方面的知识。

在做该课题的过程中，我对频率计有了更为全面的认识，频率计不但有很多种设计方法，而且不同设计结构的频率计有不同的优点。

另外，对于制作频率计的编程方面，虽然C语言和汇编语言我都学过，但都学的不精，而且也没有自己编过程序。

通过这一次的实践，它给我的编程方面上了很好的一节课，提高了我的编程能力和实际动手操作能力，这对我以后的工作和学习都有很大的帮助。

1.3国内外研究状况

随着科学技术的发展，频率计的设计方法也越来越多样化，有用具有记忆功能的触发器设计而成的频率计，还有用可编程逻辑器件设计而成的频率计，还有用以单片机为核心器件设计而成的频率计。

说到用单片机设计的频率计，这里说一下单片频率计频率计ICM7216D[3]。

单片频率计ICM7216D是美国Intersil公司首先研制的专用测频大规模集成芯片。

它是标准的28引脚的双列直插式集成电路，采用单一的+5V稳压电源工作。

它内含高频振荡器、10进制计数器、7段译码器、位多路复用器、能够直接驱动LED显示器的8段段码驱动器、8位位码驱动器。

其基本的测频范围为DC至10MHz，若加预置的分频电路，则上限频率可达40MHz或100MHz，单片频率计ICM7216D只要加上晶振、量程选择、LED显示器等少数器件即可构成一个DC至40MHz的微型频率计，可用于频率测量、机械转速测量等方面的应用。

还有，PTS2600是英国研制的一款微波频率计，该频率计可以测量频率高达26GHz的信号，而价格才只有几万元，可谓是物美价廉。

PTS2600虽然是一个低价格的微波频率计，但它能在四个波段有很好的灵敏度测量40Hz到20GHz的频率。

也可以用它来测量高达26GHz的频率，只是灵敏度稍稍低了一些。

日常工作中，用它来测量VF/VHF/UHF频段的频率，也十分方便和准确。

PTS2600使用一个12位数字的LCD液晶显示屏来显示所测得的频率、闸口时间（分辨率相关）、菜单功能以及频率表的测量结果。

所有这些数值都是同时显示在一个屏幕上的。

PTS2600的机箱采用高标准的铝质材料制成，各模块安装在下方有钢板支承的母板上。

模块相对独立，维修方便，主要通过更换模块进行。

我国利用相检宽带测频技术设计的高精度频率计也非常具有突破性和实用性[4]。

该项新技术及仪器是针对已有测频技术的特点及存在问题，推出完全新颖的检测精度高、便于实施且设备构成又比较经济的一种新技术及仪器。

其测量精度高于一般仪器1000倍以上。

而价格只相当国外同档仪器价格的1/2和1/18。

该成果特点：

学术思想新颖，提出了两频率信号间的量化相移分辨率与最大公因子频率值及两比对信号频率值之间的关系。

应用最大公因子频率的概念，用相位检测的方法进行中、高频宽频率范围的高精度测量，测量精度高而设备构成简单，它可以替代多种专用测量仪器并开发出多种用途不同的频率及周期性信号的测量仪器。

用宽带相检测频技术与计算机等先进技术相结合所研制的XDU-17型高分辨率计，具有比对频率范围宽、测量精度高，设备结构简单的特点。

与国内外同类仪器相比，它在测量精度等方面均达到国外同类设备的先进水平，而且性能价格比远远优于国外同类型仪器。

该技术已获国家发明专利。

使用这项新技术，可很好地解决各种非标准频率源的比对问题，可作为高精度频率计，还可以取代各种用途单一的频标比对、校频仪器。

因此这项技术具有显著的开发深度与广度。

获陕西省第二届技术成果交易洽谈会金牌奖；中国发明协会第六届全国明发展览会银牌奖。

该项技术国内需求量较大，故具有广泛的市场前景，应尽快投放市场。

2005年我国还研制出了中国虚拟测振仪。

中国虚拟测振仪是采用通用微机（台式、便携式或笔记本式），通过“东方科卡”和“DASP”（达世普）、PDB等大型软件实现的“PC卡泰”——微机卡式自动测试分析仪器，是专门设计的集数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、桩基检测、噪声与声强测量、动力学修改和响应计算等多种功能于一体的独创新产品。

它包含有65项信号处理新技术，28项特殊工程应用新技术，其中变时基传递函数分析技术获国家发明专利。

目前DASP系统可同时运行多个虚拟仪器软件，可替代64台以上的仪器，具有数百项分析测试功能。

其频率测量范围为DC~200MHz，超低频测量达到0.0001Hz；A/D位数达16位和24位；超低频快速测量时间仅需几分之一周期到一个周期时间，比常规仪器提高效率几十倍；频率测量精度达到0.001％，幅值精度达到0.01％，频率和幅值测量显示达到7位数字，阻尼比测试可达4位数字。

系统的测试精度相当于国外的7位频率计和7位电压表的精度。

在超低频信号测量方面，精度、频宽和效率均大大超过国内外同类产品。

在今年4月中国振动工程学会振动与噪声控制分会组织的研讨评议会上，专家们一致认为，该系统功能强大，技术创新多，测试精度高，效率高，效果好，体积小，重量轻，便于携带，应用范围广，主要技术指标居国内领先水平，达到国际先进水平，部分技术如变时基、变频基、倒熵谱、精熵谱、拟小波等技术指标居国际领先水平。

1.4频率计的技术要求

频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已经30多年的发展史。

作为一种频率测量仪器，一直以来，人们对频率计的技术特性主要有如下需求：

（1）足够宽的测量范围。

人们对频率测量的范围的追求是无止境的，在某些特殊的测试场合，要求频率计的测量范围足够宽，随着现代电子技术的发展，特别是高速芯片技术的发展，有些频率计数器能够直接测量100GHz以上的频率。

在机动车的防撞雷达和低功率通讯中继站就需要这种性能的频率计。

（2）高精度和高分辨率。

精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精度越高测量越准确。

分辨率表明多么小的频率变化可能在仪器上显示出来。

假如需要在测量4GHz时有1Hz的分辨率，仪器必须至少显示10位数。

高分辨率可以快速测出更小的漂移值和不稳定值[5]。

对于本课题所设计的频率计，要达到如下的技术要求：

（1）频率测量范围：

10Hz—1.0GHz；

（2）测量信号幅度：

≥1V；

（3）测量误差：

≤±0.01%；

（4）显示和响应时间：

0.001s；

（5）控制单元采用51系列单片机或其他功能相当的单片机；

（6）测量结果通过LCD显示。

1.5制作数字频率计的步骤

本课题的制作是分这几个步骤完成的：

1、查阅大量的资料，完成开题报告。

在这个过程中我经常到图书馆查阅单片机以及数字频率计的相关资料，同时我也经常上网搜索这方面的资料，知识总是在不断积累的过程中了解和掌握的。

因此，一段时间下来，我对频率计的国内外研究状况、发展趋势、工作原理和制作方法都有了比较清晰的了解。

2、确定方案。

制作频率计的方法有很多种，有模拟电路与数字电路相结合制作而成的，有用专用的频率计集成芯片制作而成的，有用单片机作为核心芯片制作而成的，等等。

由于本课题是要求用51系列单片机制作数字频率计，因此选定用AT89C51单片机来制作数字频率计。

3、复习所要用到的硬件知识。

在确定了方案后，我认真的复习模电、数电，在这个方案中模电的知识主要体现在信号输入的前置放大整形电路中，在这部分电路中主要用到三极管的放大原理。

另外还有三端电源电路部分。

数电知识主要体现在信号选择的开关电路部分以及计数电路部分。

4、硬件设计。

硬件设计主要是指画硬件电路，在这里要用到一个画图软件Protel。

Protel我在大二的时候曾经学习过，由于基本没有用过，也没有复习过，所以刚开始看的时候还是有点困难。

画硬件电路不仅可以体现一个人的基础知识掌握的如何，更重要的是可以锻炼一个人的全局策划能力，不要小看一个电路设计，我们不仅要设计出来使其可以正常工作，还要使设计美观大方，要尽用小的图纸设计出来。

这样不仅看的时候好看，也以节约资源。

5、软件设计。

本课题的软件部分是用汇编语言设计而成的。

系统软件的设计采用了模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块,由系统的监控程序统一管理执行。

编写完程序后，要编译，编译通过后生成HEX文件，然后讲该文件烧到单片机里可以了。

6、PCB板制作。

根据画好的原理图生成网络表，然后将网络表调入PCB中，进行PCB布局、布线、补泪滴和覆铜等操作，之后进行DRC设计规则检查，无误后将PCB文件交给制板厂家生产。

7、元件焊接。

PCB板制作完成后，只是一个等待焊接元件的空板子，下面要由自己来焊接元件。

8、硬件调试。

第2章方案提出与论证

2.1频率测量原理

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。

通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时称闸门时间为1秒。

闸门时间也可以大于或小于一秒。

闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。

闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。

2.2频率测量方法概述 

表2-1频率测量方法

频率测量方法

模拟法

数字法

直读法

比较法

电容充放电式

电子计数式

电桥法

谐振法

差频法

示波法

拍频法

李沙育图形法

测周期法

直读法又称无源网络频率特性测量法；比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较，通过观、听比较结果，获得被测信号的频率；电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数，再用电磁式仪表测量充放电电流的大小，从而测出被测信号的频率值；电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法，它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量[6]。

    利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等一系列优点，所以下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种方法。

（1）脉冲数定时测频法（M法）：

此法是记录在确定时间

内待测信号的脉冲个数

，则待测频率为：

                    （2-1）

 显然，时间

为准确值，测量的精度主要取决于计数

的误差。

其特点在于：

测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。

（2）脉冲周期测频法（T法）：

此法是在待测信号的一个周期

内，记录标准频率信号变化次数

。

这种方法测出的频率是：

                       （2-2）

 此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。

（3）脉冲数倍频测频法（AM法）：

此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。

通过A倍频，把待测信号频率放大A倍，以提高测量精度。

其待测频率为；

           （2-3）

其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比M法高A倍，但控制电路较复杂。

（4）脉冲数分频测频法（AT法）：

此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。

由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍，所测频率为：

            （2-4）

其特点是高频测量精度比T法高A倍；但控制电路也较复杂。

（5）脉冲平均周期测频法（M/T法）：

此法是在闸门时间

内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数

和标准信号的脉冲数

。

若标准信号的频率为

，则待测信号频率为：

     （2-5）

M/T法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。

（6）多周期同步测频法：

是由闸门时间

与同步门控时间

共同控制计数器计数的一种测量方法，待测信号频率与M/T法相同。

此法的优点是，闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的±1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。

2.3可用方案介绍

数字频率计是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。

传统的数字频率计大多采用74LS系列数字集成电路直接测频，在使用过程中存在电路结构复杂，测量精度低、故障率高、维护不易等问题。

于是，随着芯片技术的发展，很多芯片被应用到频率计的设计当中，因此频率计的设计又大致出现了两种方案[7]。

一种是专用芯片，如利用MAXIM公司的ICM7240制作的频率计。

其特点是简单易行,但由于这种芯片的最高计数频率仅有15MHz，远不能达到在一些场合需要测量很高频率的要求,而且测量精度也受到芯片本身的限制。

另一种方案是以单片机为主再附加一些外围电路来设计数字频率计，采用这种方案有一个很大的优点，那就是可通过单片机的软件设计，采用适当的算法，取代很多以前用硬件实现的电路，这不仅能弥补以往频率计测量精度低、故障率高、维护不易等不足，而且性能也得到了很大的提高。

2.4确定方案

从方案介绍里可以得知两种方案都比较简洁。

但是前一种方案是采用的专用集成芯片，用这种芯片来做数字频率计达不到培养学生能力的目的，而且该种方案设计的频率计的精度不够高。

后一种方案由于使用了功能较强的单片机，使系统可以用软件设计来代替原来的部分硬件设计以实现原有功能。

采用软件设计，不仅可以通过对软件的调整来提高频率计的测量精度，而且制作出现故障时修改比较容易。

单片机是一种发展极快，应用方式极其灵活的芯片。

它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到了广泛的应用，同样单片机也应用到了频率计的制作当中。

本设计是对被测信号进行分频后送入单片机，由单片机对其测量，将测量的结果，经过运算后通过显示器显示出来。

单片机中一般都设有定时计数器,如MCS-51系列的单片机片内有两个独立的16位定时计数器,再利用外扩展计数器的方法就可以构成24位、32位等量程的计数器,从而可以使其计数模值提高到16M、4G左右,若再采用单片机的定时计数器溢出中断的办法,计数模值可以更高；从理论上讲,采用这种扩展的办法构成的计数器其模值可以是任意大[6]。

若这种计数器输入的计数脉冲是周期性的、连续的脉冲信号，就可以构成频率计。

显然，从理论上看这种频率计的测量模值也可以做到任意大。

但在实际应用中，由于电子器件的开关速度都不可能做到任意大，从而大大地限制了其工作频率。

因此提高频率计的工作频率只能在硬件选材上下工夫。

第3章系统硬件设计

3.1系统硬件总述

本课题所设计的频率计由单片机AT89C51、计数器74HC393、分频器MB501以及时钟晶振等构成。

利用外扩的计数器74HC393和单片机AT89C51内含的16位计数器来构成多位计数器对待测信号计数。

采用的双四位二进制计数器74HC393最高计数频率可达39MHz。

若先对外部信号进行分频计数，再利用AT89C51对所测信号进行相对应的扩频，这样可使频率计的最高测量频率达GHz数量级范围，由此达到频率计测量的宽范围的要求[8]。

该频率计测量范围为10Hz～2.0GHz,分2个频段实现。

（1）1Hz～60MHz

（2）50MHz～2.0GHz。

如图3-1所示，为频率计的原理方框图。

图3-1频率计原理方框图

下面对频率计的每一组成部分做一下简单的相应介绍，后面的章节将对每一部分做简单介绍。

1.信号输入电路：

此部分包括两个小部分，第一部分是信号保护电路，是有两个反向并联的二极管组成。

第二部分是由三极管、电容、电阻、电感组成的放大电路，用来提高输入阻抗和放大前级提供的微弱信号。

2.分频电路：

这一部分只用于信号>50MHz的电路，实现对高频信号的分频。

3.闸门选择电路：

由于该频率计有两个信号输入端口，因此频率计工作时，要先根据被测频率的大概大小来判断闸门电路应该接通与哪个端口相连的电路，这样测出的频率才会比较精确。

4.计数器：

由四块双四位二进制计数器74HC393、单片机AT89C51内部计数器T0共同构成，其中AT98C51内的计数器被设置成16位计数器。

5.时钟提供：

制作单片机频率计的关键点在于时基信号的准确性和稳定性，它决定频率计的技术精度。

6.显示：

当待测信号的频率被测量出大小后需要由显示电路显示出来，这里的显示模块是1602LCD，选用1602LCD是因为其占用单片机资源极少，并且还可以显示一些辅助信息。

该频率计的输入电路分成两个端口，对应两个频段，输入电路主要完成对被测量信号的限幅、放大和整形。

通道1输入信号频率为1Hz~60MHz，通道2为50MHz~2.0GHz，自校信号取自单片机的时钟电路，频率为11.0592MHz。

电路的核心是计数及控制逻辑电路，通道2实现高速频率计数，计数最高频率可达2.0GHz。

单片机完成整个系统的控制功能，包括信号的处理、计数过程控制及频率测量结果的处理和显示等。

计数器在单片机的控制下主要完成计数功能，并锁存闸门时间内的计数值。

电源部分采用220V交流电经变压、滤波、稳定后得到5V电压供整个系统使用。

最后频率计测量的结果由液晶显示器1602LCD显示出来。

如果不用该显示器而用数码管来显示，则要采用数码管专用驱动芯片来做一个显示模块。

频率计的整机电路图见附录1。

PCB板图见附录2。

3.2信号输入电路

本频率计的输入电路分两个量程，分别