多功能数字频率计的设计.docx
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多功能数字频率计的设计
SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
毕业设计说明书
多功能数显频率计的设计
学院：
电气与电子工程学院
专业：
电子信息科学与技术
学生姓名：
学号：
指导教师：
2014年6月
摘要
随着社会的进步和发展，对信息传输和处理的要求不断提高，测定频率的精度也要求更高和更准确，所以频率基准也要求更高，测量方法也要求更精确。
频率测量的精度，主要是取决于频率源的精度，及测量设备和测量方法。
数字频率计在电子系统中被广泛使用，离散信息处理中到处可以看到数字电路。
对于冰箱和电视的消费，航空通讯系统，交通控制雷达系统，医院急救系统等等，都使用了使用数字技术。
数字频率计是现代通信测量仪器系统中必要的测量仪器，不仅要求精度和稳定性更高，而且要求显示更稳定，也可以方便的改变频率。
本设计是基于AT89C52单片机的数字频率计，它可以准确地测量信号源的频率。
该系统主要由单片机模块，放大整流模块，控制模块和显示模块组成。
首先，信号由放大整形电路放大，经整流电路变换成方波后送到单片机系统，单片机通过定时器和计数器计数对脉冲波进行计数。
然后将频率值显示在液晶屏上。
最终，实现了对方波、正弦波等信号频率范围从1Hz到50MHz频率的测量。
关键词：
单片机，频率计，测量
Abstract
Astheneedsoftoday'ssociety,informationtransmissionandprocessingrequirementscontinuetoincrease,theaccuracyoffrequencymeasurementalsoneedshigherandmoreaccuratewhenthefrequencyreferenceandamoresophisticatedmeasurementtechniques.Thefrequencymeasurementaccuracycanbeachieved,dependingontheprecisionofastandardfrequencysourceandthemeasuringapparatusandmethodsused.Inelectronicsystemsinawiderangeofapplicationareas,seeeverywherediscreteinformationprocessingdigitalcircuits.Refrigeratorandtelevision,aviationcommunicationssystems,trafficcontrolradarsystems,consumeruseofhospitalemergencysystemssuchasareusedinthedesignprocessofdigitaltechnology.Digitalfrequencymeterisamoderncommunicationsystemisessentialmeasuringequipmentmeasuringinstruments,notonlyrequirescircuitgeneratesafrequencyaccuracyandstabilityarehighsignal,butalsocaneasilychangethefrequency.
ThisdesignisabletoachieveanaccuratemeasurementofthesignalsourcebasedonAT89C52digitalfrequencymeter.Systemconsistsofsingle-chipcontrolmodule,zoomrectifiermodule,controlmodule,displaymodule.Signalisamplifiedbytheamplifiercircuit,thesignalsentbytherectifiercircuitSCMsystem,SCMsystemthroughthetimer,countersinewave,squarewavetrianglewavesignalpulsecounting,frequencydataobtainedontheLCDdisplay.Ultimatelyachievebetween1HZ~50MHZsquarewave,sinewave,trianglewavesignalfrequencycounts,thesignalsourceisasignalgeneratoroutputwithLCDdisplay,andachievetheautomaticshiftfunction.
Keywords:
SCMfrequencycountermeasurement
第一章引言
数字频率计是一种电子测量仪器，是数字技术中最基本的测量设备，同时也是计算机，通讯设备，以及科研和生产不可缺少的测量仪器，也是数字电压表不可缺少的组成部分。
不仅可以用数字频率计测量正弦波，方波，三角波和尖峰等的频率，还可以扩展其功能，测量信号周期和脉冲宽度。
频率计的发展是极其迅速的，现在的技术已经很成熟了。
根据现阶段电子产品市场的特点,电子数字化发展速度非常快。
中国与发达国家的发展是一致的，高科技产品大都已经使用了数字频率计，可以说没有不包含频率计的电子产品。
现在，通讯设备，数字音频广播等新技术已经非常成熟，很多产品已经开始进入市场，并在这些产品中大都使用了频率计数器。
如今，智能频率计数器已经开始发展起来，并向精细的方向发展。
数字频率计是测量信号频率的测量装置，采用十进制数字的直接显示。
大多数传统数字频率计采用数字集成电路，结构复杂，精度低，规模很大，运行速度慢，并且具有相对较低的测量范围。
随着电子信息技术产业的发展，频率范围变的更广泛，传统的频率计不再适用。
因此，我们需要找到频率测量的新方法。
随着单片机的快速发展，用单片机控制系统来做电路的控制系统正逐步显示出其无可比拟的优越性。
因此，本设计采用单片机做电路的控制系统，能够测量较高的频率。
数字频率计测量频率用单片机来做控制电路，测量精度高，范围大。
第二章系统总体设计
本次设计的数字频率计，采用液晶显示器显示被测信号频率，用单片机来控制整个系统，是一种高精度的测量仪器.它的功能是测量正弦信号、方波信号、三角波信号等的频率。
2.1方案论证
在参照了大量资料后，现在通常设计的频率计大多采用以下四种方案。
具体如下：
1，方案一：
图1-1方案一
原理框图如图1-1所示，主要由放大整形电路，时基电路，逻辑控制电路，计数器，译码显示器等组成。
首先，通过放大整形电路将被测信号转换成同频率的脉冲信号，然后将其添加到门电路的一个输入端。
时基电路输出标准信号，频率为1HZ，然后将其添加到门的另一输入端，只有标准时间信号为高时，闸门才打开，脉冲信号由计数器进行计数，计数时间为1秒，记下该脉冲计数器的数目N，N就是是信号的频率。
逻辑控制单元的作用，有二个：
一是产生锁存信号，使数字显示稳定不变;第二，产生“0”脉冲，使计数器每次从从零开始计数。
2，方案二：
被测信号
图1-2方案二
如图1-2所示，本方案采用专用的频率计模块，计数器，锁存器，解码器，段驱动电路都集成在一个芯片上，这在技术上是可行，也是一个很好地解决方案，而且电路比较简化，但对于某些设计指标的要求，使用专用的模块来完成比较困难，而且扩张极为不方便的。
3，方案三：
被测信号
图1-3方案三
如图1-3所示，本方案采用FPGA处理信号并且将结果直接送往液晶显示。
为了提高系统的稳定性，输入信号需先进行放大整形，在通过A/D转换器输入FPGA系统，采用这种方法可大大提高测试频率的精度和灵活性，并且能极大的减少外部干扰。
本方案采用VDHL汇编语言，来实现频率的测量，采用一块FPGA芯片，加上少数外围辅助电路，既可以实现对被测信号频率的测量，整个系统非常精简，具有灵活的可更改性。
但是用汇编语言编写程序非常复杂，所以不采用。
4，方案四：
被测信号
图1-4方案四
如图1-4所示，被测信号先经过放大整形电路进行信号的放大，然后在转换成同频率的脉冲信号，由于单片机的计数能力是有限的，当频率过高时会出现计数溢出的情况，所以先经过分频器把高频信号分成小频率信号后，再经多路选择器选择后送入单片机计数，然后经过单片机的处理后把信号送入显示电路，由液晶显示器显示其数值。
以上四种方案比较：
第一种方案采用大规模数字电路，电路比较复杂，而且精度低。
方案二采用专用的频率计模块，设计固然比较简单，而且稳定，但是系统的可扩展性能比较差。
方案三采用FPGA处理信号，但是程序设计非常复杂，所以不采用。
方案四采用单片机作为控制模块，辅之于少数的外部控制电路就能达到很稳定的显示，而且精度比较高，所以我选择方案四。
2.2设计原理分析及测量方法选择
信号的频率定义为：
在单位时间内所产生的脉冲个数，用表达式可以表示为
（f是被测信号的频率，N是单片机计数器记的脉冲总个数，T是产生这N个脉冲的总时间）
由于单片机采用频率是外部电路提供的，采用的是12MHZ的晶振，所以说这个标准频率是非常稳定的，而且这个标准信号的频率误差是非常小的，由于这个稳定的标准频率，系统的量化误差将小于1，根据上面的公式可以看出，频率测量的误差，主要取决于N值的准确度，N值测量的越准确，误差就越小，测量的精度也就越高。
现在测量频率的方法非常多，现在比较流行的是用模拟法和数字法来测量，考虑到本次设计的要求，下面将主要介绍几种数字法的测频方法。
数字法的测频方法主要有：
脉冲数定时测频法（M法），脉冲平均周期测频法（T法），脉冲数分频测频法（AT法），多周期同步测频法。
下面将对这几种方法进行一一介绍：
1、脉冲数定时测频法，也称作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、脉冲平均周期测频法，也称作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
。
假设标准信号的频率为
，则待测信号频率为：
3、脉冲数分频测频法，也称作AT法：
此法提高了T法测高频的精度。
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，则被测频率为：
4、多周期同步测频法：
是由闸门时间
与同步门控时间Td共同控制计数器的一种测量方法，待测信号频率与M/T法相同。
下面将讨论这几种方法的优缺点：
脉冲数定时测频法，这种方法的时间
是个准确值，这样测量的精度就取决于计数器所计的数值
的精度。
这种方法特点是：
测量方法比较简单，测量精度和待测信号频率、门控时间有关，但是当被测信号频率较低时，测量误差会较大。
脉冲周期测频法，这种测频方法的特点是低频测量精度比较高，但式测量高频时误差就比较大了。
脉冲数分频测频法，这种方法的优点是高频测量的精度要比T法高A倍，但是控制电路设计起来非常复杂。
多周期同步测频法，这种方法的优点是，闸门时间是与被测信号同步的，这样就消除了对被测信号计数产生的±1误差，所以测量精度得到了很大的提高，并且测量精度与待测信号的频率没有关系关，符合在整个测频范围内等精度测量的要求。
所以本次设计采用本方法进行测量。
2.3设计指标及要求
1、实现等精度频率测量（可选）；
2、可对正弦波、矩形波、三角波等波形进行测频；
3、测量分为1~50MHZ
4、数字显示测量值；
5、采用单片机作为系统控制单元
第三章系统硬件设计
系统整体框图如3-1：
被测信号
图3-1系统整体框图
3.1放大整形电路
对于单片机而言，计数器所能计数的信号类型只能是脉冲波，但在实际生活中信号的频率是各种各样的，例如，三角波，锯齿波等，因此，需要设计一个放大整形电路，把被测信号转换成同频率的脉冲波。
由于被测信号的幅度也是不确定，如果信号太弱，就可能检测不到，过大可能会把器件烧毁，放大整形电路由很多种，比如施密特触发器等等，本设计采用OP07集成放大器，LM393电压比较器组成放大整形电路，来实现对被测信号的放大和整形，把被测信号变成能被单片机计数的脉冲波。
OP07和LM393的引脚图图3-2所示。
Op07管脚图LM393管脚图
图3-2OP07LM393管脚图
放大整形电路如下图所示：
图3-3放大整形电路
如图3-3，放大部分是，被测信号首先经过限流电阻R2限流，然后送入OP07的“-”端，进行放大，这实际就是一个反向放大器，可由公式
计算得到放大的倍数。
电位器R3的功能是作为一个反馈电阻，电阻值为100K，用来根据被测信号幅度的大小来进行对放大倍数的调整，经过放大后的被测信号，在进入电压比较器LM393的“+”端，和负端的标准电压0V进行比较，达到波形整形的目的。
此外，本设计OP07集成运放采用的是+15V到-15V的电源，目的是对输入信号进行足够的放大。
如图3-3的信号整形部分，LM393是一个电压比较器，经过OP07放大后的信号，要与LM393“-”端的电压进行比较，“-”端直接接地，也就是0V。
如果LM393“+”端的输入信号大于参考电压0V，则LM393输出高电平+5V；如果LM393“+”端的输入信号小于参考电压，则LM393输出参考电压0V。
这样被测信号就被整形成了脉冲波，也就是方波，该方波的高电平为+5V，低电平为0V。
这个信号就可以直接送到分频及数据选择电路进行处理了。
另外，LM393电压比较器是开漏输出的，所以在输出端口1后面还设置一个3K的上拉电阻。
仿真如图3-4：
图3-4信号波形和放大后的波形
在图3-4中上面的正弦波为放大后的波形，下面的波形为被测信号的波形。
整形后的脉冲波如图3-5。
图3-5整形后的脉冲波
3.2分频单元
设计分频单元的目的，是基于本设计所测量的信号频率涉及到了低、中、高3中频率，即频率范围在1-50MHZ之间，范围比较大，前面提到单片机理论最高测量频率为500HZ，所以不能直接送入单片机进行测量，必须先分频，不同的频率段采用不同的分频，在送入单片机进行计数。
单片机计数器的工作原理是，当输入引脚电平由一个高跳变为低时，计数器就加一，（其中外部输入在一个机器周期为高时，下，计数器就加一），再加上操作发生在这样的转换之后的一个机器周期的S3P1，因此需要2个机器周期来确定从1跳转到0的变化，因此最大计数频率为振荡器频率的1/24。
本次设计测量范围在1-50Mhz之间，根据前面讲到的，单片机的理论所能测量的最大频率为晶振频率的一半，即500HZ，所以把测量频率范围分为3个量程：
1-400khz、400khz-1Mhz、1Mhz-50Mhz。
对于1-400khz直接送入单片机进行测量，对于400khz-1Mhz、1Mhz-50Mhz范围的信号，采用分频器4040来对高频信号分别进行16分频和128分频，这样就能使单片机计所有频率段的频率了，分频后还要在软件上实行倍频，才能还原被测信号的原频率。
4040的引脚图如图3-6，各引脚功能如表1。
图3-64040引脚图
表14040引脚功能表：
10脚：
时钟输入端
11脚:
清除端
Q0-Q11：
计数器脉冲输出端
VDD：
正电源
VSS：
地
5脚16分频输出
4脚为128分频输出
分频电路如图3-7。
图3-7分频电路
仿真如图3-8和3-9：
图3-85脚输出的16分频信号
图3-94脚输出的128分频
3.3数据选择器
前面已经提到，单片机所能测量的最高频率理论值为500khz，分为三个量程，所以需要一个数据选择器来选择适合单片机的那个测量频率。
平常用的比较多的数据选择器是74LS151，本设计使用的CD4051数据选择器比74LS151功能更多，更稳定。
引脚图如图3-10：
图3-10CD4051引脚图
CD4051是单8通道数字控制电子开关，有A、B、C三个控制输入和INH输入端，优点是低导通电阻和低泄漏电流。
4.5〜20V数字信号的振幅可以被控制到20V。
例如，如果VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，该数字信号为0〜5V的模拟信号可以在-13.5〜4.5V进行控制。
开关电路具有非常低的静态功耗，电源范围为在整个VDD-VSS和VDD-VEE，不和控制信号的逻辑状态有关。
输入端INH=“1”时，所有的通道都被关闭。
只有当INH=0时，三个二进制信号中的一个才能被送到输出端。
VEE可以采取一个负电压也可接地。
当输入电压为负值，VEE必须采取负电压。
引脚功能如表1所示：
表1CD4051引脚功能
电路如图3-11：
图3-11数据选择电路
具体要选择哪一路信号进入单片机，是由CD4051的A、B、C三个端口进行控制的，而CD4051数据选择器要由单片机控制，所以单片机要由3个端口来控制它，所以选择P1.1、P1.2、P1.3这三个端口来分别对这三个端口进行控制，来选择XO,X1，X2中的哪一路进入单片机计数。
通过编写程序，来改变ABC的值就能实现，控制CD4051选择4040中的某一路信号，送到单片机的P3.2口进行数据处理。
3.4显示模块
显示器是最常见的输出设备，市场上有很多的种类，在使用单片机完成某一个设计时最常用到的是，数码管和液晶显示器。
这两个显示设备的特点是，结构简单，价格便宜，易于实现接口的匹配，使用非常广泛，本设计采用的1602液晶显示器，显示更直观。
1602采用的是字符液晶，能同时显示16x02即32个字符，优点是可以用来显示特殊字母、数字、符号，相对数码管来说功能更多一些。
它由几个5X7或5X11点阵组成，一个点阵可以显示一个字符，而且每一行每一列都有间隔，使显示更加直观。
3.4.11602的功能简介
1.40通道点阵LCD驱动；
2.可当作行驱动或列驱动；
3.输入/输出信号:
可以用来显示特殊字母、数字、符号
4.通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。
1602实物图如3-12所示：
图3-121602实物图
具体引脚功能表2：
寄存器控制功能如表3：
表21602引脚功能
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端
4
RS
寄存器选择端
5
R/W
R/W读写信号端
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，
写操作时，下降沿使能。
读操作时，E高电平有效
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表3寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器
0
1
读取位址计数器
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
3.4.21602与AT89C52的连接
图3-13显示电路
图3-13中是单片机与液晶显示器1602的连接图。
其中，D0-D7为1602数据口，分别接单片机的P0.0-P0.7口；RS是1602的复位端，接单片机的P2.0口；RW是1602的读写控制端，接单片机的P2.3口；E端口是1602的使能端，接单片机的P2.1口；这样连接以后，单片机就可以对1602液晶显示器进行控制了，使其显示出测得的频率值。
3.5单片机控制模块
3.5.1AT89C52简介
图3-1452单片机引脚图
89C52单片机，是MCS系列产品之一，属于INTEL公司的制造，它采用ATMEL公司的CMOS工艺技术，MCS是标准的HCMOS产品。
它结合了高速和高密度CMOS技术具有低功耗的优点，它基于标准的MCS架构和指令集，属于89C51单片机增强型版本，比51单片机多了一个时钟输出和向上或向下的计数器，在电机控制和其他控制系统中应用非常的广泛应用。
89C52的中央处理单元内建8个，具有256字节的内部数据存储器RAM，8K片内程序存储器（ROM），32个双向输入/输出（I/O）端口，3个16位定时器/计数器，一个全双工串行口，片内时钟振荡电路。
此外，89C52也可工作在低功耗状态，空闲和掉电模式可以通过两种软件选择。
在空闲模式下冻结CPU和RAM定时器，串行口和中断系统，以保持其功用。
掉电模式保存RAM数据，时钟振荡停止，停止芯片其它功能。
89C52有PDIP和PLCC两种封装形式。
89C52的功能特性表4：
表489C52的功能特性
·标准MCS-51内核和指令系统
·片内8kROM（可扩充64kB外部存储器）
·32个双向I/O口
·256x8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器）
·3个16位可编程定时/计数器
·时钟频率3.5-12/24/33MHz
·向上或向下定时计数器
·改进型快速编程脉冲算法
·6个中断源
·5.0V工作电压
·全双工串行通信口
·布尔处理器
—帧错误侦测
·4层优先级中断结构
—自动地址识别
·兼容TTL和CMOS逻辑电平
·空闲和掉电节省模式
·PDIP（40）和PLCC（44）封装形式
引脚功能如下：
VCC：
电源接口
GND：
接地端。
P0口：
P0口是一个8位双向I/O口，可吸收8个TTL的门电流。
当P0口的管脚成高电平时，就为高阻输入。
P0还能被定义为数据/地址的第八位当用作程序数据存储器的时候。
P1口：
P1口也是一个8位双向I/O口，P1口缓冲器可以接收4个TTL门电流。
P1口管脚被拉成高电平时，可以作为输入口来用，P1口被外部拉为低电平时由于内部上拉的原因，将输出电流。
P1口还能作为第八位地址接收当使用FLASH编程和校验时。
P2口：
P2口同P0/P1一样，在此不再重述，功能可以见P0、P1口的功能简介P3口：
P3口是一个带上拉电阻的双向I/O口，能接收和输出4个TTL门电流。
当P3口被拉成高电平时后，可以作为输入来用。
作为输出，当该口被拉为低电平时可以当做输出，并将输出电流P3口的
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