數(shù)字頻率測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

摘要

數(shù)字頻率計(jì)主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研領(lǐng)域，數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字，顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本 功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，顯示直觀，所以經(jīng)常要用到數(shù)字頻率計(jì)。

頻率測(cè)量中直接測(cè)量的數(shù)字頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：時(shí)基（T）電路、輸入 電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路。在一個(gè)測(cè)量周期過(guò)程中，被測(cè)周期信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過(guò)放大、整形、微分操作之后形成方波信號(hào)，加到與非門的另一個(gè)輸入端上.該與非門起到主閥門的作用，在與非門第二個(gè)人輸入端上加閥門控制信號(hào),控制信號(hào)為低電平時(shí)閥門關(guān)閉,無(wú)信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器;控制信號(hào)為高電頻時(shí),閥門開(kāi)啟整形后的信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器,若閥門控制信號(hào)取1s,則在閥門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器得到的脈沖數(shù)N就是被測(cè)信號(hào)的頻率。

在普通的電子測(cè)量?jī)x器中，示波器在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)測(cè)量精度較低，誤差較大。 頻譜儀可以準(zhǔn)確的測(cè)量頻率并顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜，但測(cè)量速度較慢，無(wú)法實(shí)時(shí)快速的跟蹤捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化。正是由于頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確的捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化，因此，頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。

在此次的課程設(shè)計(jì)中我們將用51單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)。

一：單片機(jī)和頻率計(jì)的研究現(xiàn)狀
1.單片機(jī)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
在我國(guó)，單片機(jī)的推廣、普及、開(kāi)發(fā)應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)過(guò)十多個(gè)年頭，在此期間也涌現(xiàn)出了不少單片機(jī)的專家和技術(shù)成果，使我國(guó)在單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用方面獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。由于我國(guó)單片機(jī)發(fā)展起步晚，盡管單片機(jī)的品種很多，但是在我國(guó)使用較為廣泛的是Intel公司的MCS-51單片機(jī)系列。近年來(lái)32位單片機(jī)已進(jìn)入實(shí)用階段。也向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價(jià)格、外圍電路內(nèi)裝化及片內(nèi)存儲(chǔ)容量增加的方向發(fā)展。
2.頻率計(jì)的研究現(xiàn)狀
    頻率測(cè)量是電子學(xué)測(cè)量中最為基本的測(cè)量之一。由于頻率信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，易于傳輸，因此可以獲得較高的測(cè)量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測(cè)量成為一項(xiàng)越來(lái)越普遍的工作，測(cè)頻原理和測(cè)頻方法的研究正受到越來(lái)越多的關(guān)注。
數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。傳統(tǒng)的頻率計(jì)采用測(cè)頻法測(cè)量頻率，通常由組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運(yùn)行速度慢而且測(cè)量低頻信號(hào)不準(zhǔn)確。本次采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一種數(shù)字顯示的頻率計(jì)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點(diǎn)。
國(guó)際國(guó)內(nèi)通用數(shù)字頻率計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)：1．頻率測(cè)量范圍：電子計(jì)數(shù)器的測(cè)頻范圍，低端大部分從10Hz開(kāi)始；高端則以不同型號(hào)的頻率計(jì)而異。因此高端頻率是確定低、中、高速計(jì)數(shù)器的依據(jù)。如果裝配相應(yīng)型號(hào)的變頻器，各種類型的數(shù)字頻率計(jì)的測(cè)量上限頻率，可擴(kuò)展十倍甚至幾十倍。2．周期測(cè)量范圍：數(shù)字頻率計(jì)最大的測(cè)量周期，一般為10s，可測(cè)周期的最小時(shí)間，依不同類型的頻率計(jì)而定。對(duì)于低速通用計(jì)數(shù)器最小時(shí)間為1ys；對(duì)中速通用計(jì)數(shù)器可小到0.1ys。3．晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度：是決定頻率計(jì)測(cè)量誤差的一個(gè)重要指標(biāo)�？捎妙l率準(zhǔn)確度、日波動(dòng)、時(shí)基穩(wěn)定度、秒級(jí)頻率穩(wěn)定度等指標(biāo)，來(lái)描述晶體振蕩器的性能。4．輸入靈敏度：輸入靈敏度是指在側(cè)頻范圍內(nèi)能保證正常工作的最小輸入電壓。目前通用計(jì)數(shù)器一般都設(shè)計(jì)二個(gè)輸入通道，即d通道和月通道。對(duì)于4通道來(lái)說(shuō)，靈敏度大多為50mV。靈敏度高的數(shù)字頻率計(jì)可達(dá)30mV、20mV。5.輸入阻抗：輸入阻抗由輸入電阻和輸入電容兩部分組成。輸入阻抗可分為高阻(1M／／25PF、500k／／30PF)和低阻(50)。一般說(shuō)來(lái)，低速通用計(jì)數(shù)器應(yīng)設(shè)計(jì)成高阻輸入；中速通用計(jì)數(shù)器，測(cè)頻范圍最高端低于100MHz，仍設(shè)計(jì)為高阻輸入；對(duì)于高速通用計(jì)數(shù)器，測(cè)頻＞100MHz， 設(shè)計(jì)成低阻 (50Q) 輸入，測(cè)頻＜100MHz，設(shè)計(jì)成高阻(500k／／30PF)輸入。

二：硬件電路設(shè)計(jì)
1.單片機(jī)周邊電路框圖以及電路設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中，涉及整體電路設(shè)計(jì)時(shí)，倘若能將整體電路分割為幾部分別設(shè)計(jì)，就會(huì)使思路變得清晰，效率會(huì)大大提高。本系統(tǒng)被分為：同步門邏輯控制電路、AT89C52、時(shí)鐘脈沖電路、顯示電路。
    在本系統(tǒng)中，等精度測(cè)量硬件電路需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。選擇了單片機(jī)添加的晶振電路來(lái)產(chǎn)生。需要的啟計(jì)信號(hào)和清零信號(hào)由單片機(jī)AT89C51來(lái)產(chǎn)生。

   

• 管腳說(shuō)明
  AT89C52管腳圖：
  

P0口：P0 口是一組8 位漏極開(kāi)路型雙向I/O 口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0 寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。
P1口：P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），
P2口：P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口P2 寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX @RI 指令）時(shí)，P2 口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。
P3口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)P3 口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。
RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器存儲(chǔ)以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。
ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址存儲(chǔ)允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能存儲(chǔ)器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無(wú)效。
PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器存儲(chǔ)兩次PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。
EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)（地址為0000H—FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)中的指令。Flash存儲(chǔ)編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。
XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。

• 時(shí)鐘脈沖電路
  

時(shí)鐘脈沖電路的主要作用是對(duì)外發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，在AT89C52芯片上，XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，其中，當(dāng)與本試驗(yàn)線路相同時(shí)，即使用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí)，XTAL1和XTAL2必須外接石英晶體和微調(diào)電容，其中電容C1、C2對(duì)振蕩頻率起穩(wěn)定的作用，振蕩頻率應(yīng)在1.2MHz——12MHz。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部分，時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)控制器的節(jié)拍越快，運(yùn)算速度也越快。
時(shí)鐘電路可以簡(jiǎn)單定義如下：
（1）.就是產(chǎn)生象時(shí)鐘一樣準(zhǔn)確的振蕩電路;
（2）.任何工作都按時(shí)間順序。用于產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間的電路就是時(shí)鐘電路。
時(shí)鐘電路一般由晶體振蕩器、晶震控制芯片和電容組成。時(shí)鐘電路應(yīng)用十分廣泛，如電腦的時(shí)鐘電路、電子表的時(shí)鐘電路以及MP3MP4的時(shí)鐘電路。如圖3-5所示。      
4.同步門邏輯控制電路

同步門邏輯控制電路由D觸發(fā)器構(gòu)成，由它來(lái)產(chǎn)生同步門信號(hào)Ts。在測(cè)試開(kāi)始后，利用單片機(jī)的P1.7作為預(yù)置門信號(hào)Ts的輸出線。當(dāng)P1.7=1時(shí)，在被測(cè)信號(hào)的上升沿作用下D觸發(fā)器的輸出Q=1，使得單片機(jī)的INT0和INT1同時(shí)為1，啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作。其中，T0對(duì)被測(cè)信號(hào)的輸出Q仍然為1，因此兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，直到隨后而至的待測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，才使得D觸發(fā)器的輸出為0，同步門關(guān)閉，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)停止計(jì)數(shù)。

5.靜態(tài)顯示電路

顯示電路是六位數(shù)碼管的靜態(tài)顯示電路。靜態(tài)顯示：各個(gè)數(shù)碼管在現(xiàn)實(shí)過(guò)程中持續(xù)得到送顯信號(hào)，與各數(shù)碼管接口的I/O口線是專用的。靜態(tài)電路顯示特點(diǎn)：無(wú)閃爍，用元器件多，占I/O線多，無(wú)須掃描，節(jié)省CPU時(shí)間，編程簡(jiǎn)單。單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展LED數(shù)碼管時(shí)多用共陽(yáng)LED:共陽(yáng)數(shù)碼管每個(gè)段筆畫(huà)是用低電平(“0”)點(diǎn)亮的,要求驅(qū)動(dòng)功率很��；而共陰數(shù)碼管段筆畫(huà)是用高電平(“0”)點(diǎn)亮的，要求驅(qū)動(dòng)功率較大。通常每個(gè)段筆畫(huà)要串一個(gè)數(shù)百歐姆的降壓電阻。

原理圖：

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2018-7-13 20:04 上傳

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