1、 1 设 计 报 告 学 院 电子与信息学院 课程名称 电子测量 设计题目 频率计 专 业 电子信息工程 班 级 组 员 及 学 号 指导教师 时 间 2012.05.20 2 目录 一、前言 3 二、系统总体方案设计 4 三、硬件电路具体设计 6 四、仿真图 10 五、心得体会 11 附件 12 3 一、 前言 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。 1.1 频率计概述 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
2、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。 传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点 1。 1.2 频率计发展与应用 在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作
3、为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单 片机已成为电子系统的中最普遍的应用。 单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。 其中以 AT89S52 为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要 2。 1.3 频率计设计内容 利用 电源 、单片机、 分频电路及数码管显示 等模块 ， 设计一个简易的 频率计能够粗略的 测量出被测信号的频率 。 参数要求如下： 1测量范围 1HZ 5
4、00KHZ； 4 2 用 LCD1602 显示测量值； 3.可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形； 二、 系统总体方案设计 2.1 测频的原理 测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。 被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端 3。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的 时间间隔 T 内累计周期性的重复变化次数 N，则频率的表达式为式： Nf
5、x=T （ 1） 图 1说明了测频的原理及误差产生的原因。 时基信号 待测信号 丢失（少计一个脉冲） 计到 N 个脉冲 多余（比实际多出了 0.x 个脉冲） 图 1 测频原理 在图 1中，假设时基信号为 1KHZ，则用此法测得的待测信号为 1KHZ 5=5KHZ。但从图中可以看出，待测信号应该在 5.5KHZ 左右，误差约有 0.5/5.5 9.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在 1 之间。假设所测得的脉冲个数为 N，则所测频率的误差最大为 =1 （ N-1） *100%。显然，减小误差的方法，就是增大 N。本频率计要求测频误差在 1以下，则 N应大于 1000。通过计
6、算，对 1KHZ 以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于 10S，。由此可以得出一个初步结论：测频法适合于测高频信号。 5 频率 计数器严格地按照 Nf=T 公式进行测频 4。由于数字测量的离散性，被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的 1 量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为： 1()fA N 应当指出，测量频率时所产生的误差是由 N 和 T 俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面 T 越稳 定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加 T 来满足，为了增加 T 的稳定度
7、，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。 上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。 2.2 具体模块 根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。各模块作用如下： 1、单片机控制模块： 以 AT89S52 单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，和显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时计 数器完成待测信号周期频率的测量。单片机 AT89S52 内部具有 2 个 16 位定时计数器，定时计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。 (因为 AT89C51 所需外围元
8、件少，扩展性强，测试准确度高。 ) 2、电源模块：为整个系统提供合适又稳定的电源， 主要为单片机、信号调理电路以及分频 电路提供电源，电压要求稳定、噪声小 及性价高的电源。 3、显示模块： 显示电路采用 液晶 LCD1602 显示， 以 便于观测。 综合以上频率计系统设计有 单片机控制模块、电源模块、放大整形模块 及显 示模块等组成， 频率计的总 体设计框图如图 2 所示。 6 图 2 频率计总体设计框图 三、硬件电路具体设计 根据系统设计的要求，频率计 实际需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分 ：AT89S52 单片机最小系统 模块、电源模块、放大整形模块 及显 示模块，下面将分别给予介绍
9、 。 3.1 AT89S52主控制器 模块 3.1.1 AT89S52 的介绍 8位 单片机是 MSC-51系列产品升级版 5，有世界著名半导体公司 ATMEL 在购买 MSC-51设计结构后，利用自身优势技术 （掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的 半导体生产 工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的 51 内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如 51F020 等高性能单片机。 AT89S52 片内集成 256 字节程序运行空间、 8K 字节 Flash 存储空间，支持最大 64K 外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟
10、频率可以设置在 0-33M 之间。片内资源有 4 组 I/O 控制端口、 3 个定时器、 8 个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在 4V 到 5.5V 宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销 10 年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插 DIP-40的封装。 AT89S52 引脚如下图 3 所示。 7 图 3 AT89S52 引脚图 3.1.2 复位电路及时钟电路 复位电
11、路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位（图 4）和手动复位（图 5）。 RST单片机C1R1GNDVCCRST单片机C2R2GNDVCCR3S?SW-PB图 4 上电复位 图 5 手动复位 有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。 高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能 6。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选
12、取 12.000M 无源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引脚。并联 2 个 30pF 陶瓷电 容帮助起振。 AT89S52 单片机最小系统如图 6所示。 8 P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119VSS20P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1
13、326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC40U10AT89S52S3SW-PB10KR1310uFC1212Y2XTAL30pFC1030pFC11P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07112233445566778899U9 SHANGLAXTAL1XTAL2XTAL1X
14、TAL2RESRES5V5V5V5VADDR0ADDR1ADDR2CLEARLED1LED2LED3SPEKER图 6 单片机最小系统 原理图 3.2 放大整形模块 由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级 输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，使 被测信号 得以放大 。 根据上述
15、分析， 放大电路 放大整形电路采用 74HC132 施密特触发与非门 ， 它对放大器的输出 波形 信号进行整形，使之成为矩形脉冲 。 74HC132 引脚如图 7所示。 9 图 7 74HC132 引脚图 3.3 显示 模块 显示模块由频率值显示电路组成 ，我们通过用 LCD1602 把频率值实时的显示在显示屏上。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的 点阵 型液晶模块它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。 图 8 1602 液晶显示 LCD1602A 液晶屏 引脚功能说明 引脚 符号 功能说明 1
16、VSS 一般接地 2 VDD 接电源（ +5V） 3 V0 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 4 RS RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令 寄存器。 10 5 R/W R/W 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 6 E E(或 EN)端为使能 (enable)端，下降沿使能。 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 7 位（最高位）（也是 busy flag） 15 BLA 背光电源正极 16 BLK 背光 电源负极 四、仿真图
