1、本科毕业论文数字频率计设计专 业： 电子信息科学与技术 指导教师： 学生姓名： 学生学号： 目录摘要 .IIIAbstract .IV第一章 绪 论 .11.1 频率计应用概述 .11.2 数字频率计系统介绍 .21.2.1 课题研究的目的和意义 .21.2.2 国内外数字频率计的研究现状 .2第二章 系统设计原理 .52.1 数字频率计 .52.2 频率测量仪的设计思路与频率的计算 .52.3 基本设计原理 .6第三章 数字频率计的硬件结构设计 .73.1 电 子元器件的选择 .73.1.1 单片机 .73.1.2 显示译码单元 .73.1.3 数字显示单元 .83.2 硬件设计 .83.3
2、 AT89C51 单片机 及其引脚说明 .93.4 信号调理及放大整形模块 .113.5 时基信号的产生原理 .13第四章 软件设计 .144.1 编写软件控制硬件完成以下各模块的功能： .144.1.1 定时读数 .144.1.2 计数部分 .144.1.3 键盘处理子程序 流程结构 .15第五章 测量结果和误差分析 .185.1 测量结果 .185.2 误差来源分析 .185.3 误差减小措施 .18第六章 结束语 .19参考文献 .20附录 .21附录一 .21致 谢 .29数字频率计摘要数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测
3、信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。本文旨在设计一种以单片机AT89C51为核心的数字频率计，介绍了单片机、数字译码和显示单元的组成及工作原理。测量时，将被测输入信号送给单片机，通过程序控制计数，结果送译码器74LS145与移位寄存器74I S164，驱动LED数码管显示频率值。通过测量结果对比，分析了测量误差的来源，提出了减小误差应采取的措施。文中主要包括硬件设计和软件设计以及误差分析三大模块。频率计具有电路结构简单、
4、成本低、测量方便、精度较高等特点，适合测量低频信号。关键词：数字频率计；单片机；硬件设计；软件设计；误差分析Digital Frequency MeterAbstractDigital frequency meter is computer, communication equipment, audio video etc scientific research production field indispensable measuring instrument. It is a kind of decimal figures showed the measured signal frequ
5、ency digital measuring instrument. It is the basic function of square wave signal measuring sine signal, and all kinds of other unit time change physical quantities. In the simulated, digital circuit design, installation, debugging process, because its use decimal number display, measuring rapidly,
6、high precision, the show intuitional, frequently must use frequency meter.This paper aims to design an AT89C51 microcontroller as the core of the digital frequency meter， the computer， the digital decoding and display unit of the composition and working principle. Measurement， the measured input sig
7、nal is sent to microcontroller， controlled by the program counter， and the results sent to the decoder 74LS145 shift register 74I S164，drive LED digital display frequency. By measuring the results of comparison and analysis of the sources of measurement error， the error should be taken to reduce the
8、 proposed measures. In this paper， including hardware and software design and error analysis of three modules. Frequency meter with a simple structure， low cost， easy measurement， high accuracy and other characteristics， suitable for measuring low-frequency signals. Key words: Digital frequency mete
9、r， single chip， hardware design， software design， error analysis 第一章 绪 论1.1 频率计应用概述频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段 T 内的周期个数为N 时，则被测信号的频率 f=N/T1。电子计数器是一种基础测量仪器，到目前为止已有 30 多年的发展史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算器的技术水平，决定电子计数器价格高低的主要依据。目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可
10、以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品， 则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。在测试通讯、微波器件
11、或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成、调制的或含有未知频率分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、合成器、中频放大器等。虽然所有的微波计数器都是用来完成计数任务的，但制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的 计数器性能和价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需要正确地选择，以达到最经济和最佳的应用效果。
12、1.2 数字频率计系统介绍1.2.1 课题研究的目的和意义毫无疑问，无论是在科技研究中还是在实际应用中，频率测量的作用都显得尤为重要。然而传统的频率计通常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。随着科技的进步，为了较好的解决这一问题人们开始运用单片机测量频率，它是一种基于时间或频率的模数转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种显示被测信号频率的数字测量仪器。与传统的测量方式相比，运用了单片机频率计有着体积更小，运算速度更快，测量范围更宽的优点，更重要的是它能大大的降低制作成本。由于传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，
13、而采用单片机测量频率之后，有许多以前需要用硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程就能实现，而且不同的软件编程能够实现不同的功能，这一巨大优势无疑使得制作成本大大降低。由于当今科技的日新月异，人们对电子产品的要求随之增高，经济、高效、精准成为人们的目标，就频率计来说，如果现如今还是像传统的方式来设计并制造，那显然不能满足人们的要求。那么基于单片机的数字频率计必将取代传统的频率计。而它的优势也显而易见，小巧轻便、集成度高、操作简单、易于维护和修改。这些优点无不满足着人们追求经济、高效、精准的目标。试想一下，改变程序中的几行命令显然要比改变电路板上的几条连线要快得多，方便得多。也正是由于基于单片机的
14、数字频率计与传统的频率计有着那么明显的优势，因此，我将数字频率计的设计与实现作为我的研究课题。通过设计频率计系统，实现信号频率的检测功能。在检测系统的设计中，要熟悉以单片机为核心的控制单元，以检测电路为依托的功能单元，以人机界面为媒介的交互单元。了解频率检测的算法及软硬件的实现方式。灵活应用电子相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对信号检测和信号处理的理解和认识。这对我以后的工作和学习都是有很大帮助的。1.2.2 国内外数字频率计的研究现状电子计数器是其他数字化仪器的基础，在它的输入通道接入各种模数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字
15、化仪器。电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛应用。它的主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点，其中，锁相式更是以其容易实现相位同步的自动控制且低功耗的特点成为众多业内人士的首选，应用最为广泛。电国际上数字频率计的分类很多。按功能分类，电子计数器有通用和专用之分。 通用型计数器：是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。它
16、可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；配上适当的传感器，还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。专用计数器：指专门用来测量某种单一功能的计数器。如频率计数器、时间计数器、特种计数器、可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等 2。 数字频率计按频段分类：低速计数器：最高计数频率10MHz；中速计数器：最高计数频率 10100MHz；高速计数器：最高计数频率100MHz；微波频率计数器：测频范围 180GHz 或更高。值得一提的是微波计数器，它是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波
17、频率计。它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动、全自动 3 类。系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。在人们的生产生活中数字频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频
18、谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的应用范围。在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以用来对无线电台的跳帧信号进行分析。频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用 MAXIM 公司 ICM7240来设计频率计。但由于
19、这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很高的频率要求，而且测量精度也受到芯片本身的限制。提出的用AT89C52 单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计。第二章 系统设计原理2.1 数字频率计数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。数字频率计通常由输入整形电路、晶体振荡器
20、、分频器、量程选择开关、计数器、显示器等组成 3。输人通道将被测信号放大、整形，转换为频率与被测信号频率相同的脉冲信号u。，在门控时间(闸门时间)T内主门打开，计数器计数。十进制计数器用以累计通过主门的计数脉冲。它是一个二一十进制计数器，计数值经译码显示单元以十进制方式显示测量结果。标准时钟源、时基分频、门控电路等单元主要用以产生门控信号 (亦称时标信) 。标准时钟源通常由石英晶体振荡器产生频率很高的标准频率，作为计数器的内部时间基准。时基分频电路对标准频率信号进行分频并经门控电路变换为门控号。2.2 频率测量仪的设计思路与频率的计算频率测量仪的设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的大小，其原理如图 2. 1 所示。图 2.1 频率测量原理图
