1、数字频率计 1 课程设计说明书 课程设计名称： 专业课程设计 课程设计题目： 数字频率计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 2012 年 6 月 29 日 摘要 数 字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，在计算机、通讯设备、数字频率计 2 音频视频等科研生产领域应用广泛。 本文 详细介绍数字频率计的软件设计，并概述了硬件设计，以中界频率为界，低频采用测周法，而高频采用测频法。其中，硬件电路由放大电路、整形电路、单片机定时计数电路、7279 显示电路四个部分组成。通过单片机 STC89C51 实现对特定周期窄脉冲的计数
2、功能；通过芯片 LM324 实现对小信号的放大；通过芯片 74LS14 将输入的非方波整形成方波；通过芯片hd7279A驱动数码管可连续动态显示 4位数。软件部分采用的是 一种结构化语言 C51进行编程。它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护 。主要功能模块有主程序、测频法程序、测周法程序、分离 千、百、十、个位程序 、 7279 显示程序组成。 本数字频率计可测量范围在 1Hz 9999Hz 的正弦波、方波、三角波的信号，时基宽度为1us,10us,100us,1ms，本数字频率计测量误差大约在 0.1%左右，精度为 0.04%， 直接由软件判断测频所用方法，解决了存在的换挡速
3、度慢等缺 点，并且节约了硬件上的成本。 具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便等优点，而且还具有成本低、性价比高、功耗低等特点。因此，该频率计具有一定的实用价值。 关键词： 测频法、测周法、 STC89C51 单片机、 HD7279A 目录 数字频率计 3 前言 .4 第一章 硬件电路方案设计及设计要求 .5 1.1 设计内容及要求 .5 1.2 方案比较 .5 1.3 方案论证 .6 1.4 方案选择 .6 第二章 系统组成和工作原理 .7 2.1 系统组成 .7 2.2 系统工作原理 .7 2.2.1 频率计测量方法简介 .7 2.2.2 工作原理 .8 第三章 硬件电路设计 .9 3.1
4、 单片机最小系统电路 .9 3.1.1 STC89C51 功能简介 .9 3.1.2 单片机 STC89C51 引脚图 .10 3.1.3 复位电路 . 11 3.2 放大整形模块 .13 3.3 施密特整形 .13 3.4 HD 7279A 显示模块 .14 第四章 软件设计及程序流程图 .16 4.1 编程语言的选择及程序的编译调试 .16 4.2 单片机计数原理 .16 4.3 主程序设计 .17 4.3.1 设计思路 .17 4.3.2 程序流程图 .17 第五章 实验调试、测量结果记录和误差分析 .21 5.1 实验调试 .21 5.2 测量结果记录 .21 5.3 误差分析 .22
5、 5.3.1 产生误差的原因 .22 5.3.2 减小误差的方法 .23 第六章 小结和体会 .24 参考文献 .25 附录一 元器件清单 .26 附录二 实验电路图 .26 附录三 实验代码 .27 数字频率计 4 前言 当今社会，随着科技的进步，数字系统的设计有了很大的进步，如今运行速度快、在功能更加强大的基础上更加便于使用携带成了发展的方向。 60 年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，结合电测技术创造出了完全新的数字式仪表。它在测试方法、原理、仪器结构和操作方法上完全与前面所讲的模式式仪表不同，在 质的方面也有很大的飞跃， 70年代以来，把微型计算机的功能引入数字仪表，产生了
6、新型智能化仪表，它具有程序控制、信息储存数据处理和自动检修功能，使数字仪表向高准确度、多功能、高可靠性和低价格方面大大迈进了一步 。 近代的数字频率计就其功能而言，早已超出了早期只能测量频率的范畴，而具有测量周期、频率比、脉冲时间、累加计数等用途，并能输出标准频率、时标脉冲、闸门时间脉冲及编码信号等，成为一机多能、测频范围宽、测量精度高、测量速度快、自动化程度高、直接数字显示、操作简便的常用电子仪器，它在教学、科研、生产、国防中得到广泛 使用。 频率测量仪在数字电路、模拟电路中应用比较广泛，它是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波，方波，三角波，尖脉冲信号和其
7、他具有周期的信号的频率，经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪：可以测量电容做成数字电容测量仪 ;在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪，计价器等。因此数字频率仪在测量物理量方面的广泛应用。 由于 时基电路，逻辑控制电路 实际的硬件设计用到的器件较多，联机比较复杂，而且会产生比较大的延迟。因此，本课程报告采用单片机为核心的控制电路， 放大整形电路、 和显示电路的构成原理， 判断所测量频率与中界频率的大小关系，在高频段测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法，将使整个系统大大简化，提高整体性能， 并且进行了相应的硬软件设计。 其 基本功能是测量正弦信号、三角波信号、方波信号及其他各种
8、单位时间内变化的物理量，以十进制数字的方式显示被测信号频率。 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，因此它在电子测量过程中 必不可少。 数字频率计 5 第一章 硬件电路方案设计及设计要求 1.1 设计内容及要求 基本要求： 1 频 率变换范围 1Hz-9999Hz 2 测量精度 1% 3 4 位 LED 显示 4 可测量方波、正弦波、三角波 5 高频采用测频法，低频采用测周法测量 1.2 方案比较 方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描把测出的数据送到数字显示电路显示。其
9、实原理框图如图 1 所示 图 1.1 方案一原理图 方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路， 计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图 2.2 所示 信号放大电路 信号整形 单片机STC89C51电路 数字显示电路 数字频率计 6 图 1.2 方案二原理框图 1.3 方案论证 方案一：本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测得正弦波或者三角波为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电
10、路显示。 方案二：本方案使用大量的数字器件，被测量信号放大整形电路变成计数器 所要求的脉冲信号，其频率于被测信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间 1s，当 1s 信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s 信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间 1s内计数器计得的脉冲个数为 N，则被测信号频率 FX=NHZ。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。 1.4 方案选择 比较以上两种方案可以知道，方案一得核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序
11、 的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，成本相对高了点。基于上述，所以选择了方案一。 逻辑控制电路 译码显示器 锁存器 闸门电路 计数器 时基电路 放大整形电路 数字频率计 7 第二章 系统组成和工作原理 2.1 系统组成 本系统主要由放大模块、施密特整形模块、单片机模块和 HD7279 驱动显示模块组成。通过软件判断高频或低频，单片机计数脉冲周期或个数来动态测量所求频率，并通过 7279 数码管显示出来。 得到 系统的总体结构框图如图 2.1 所示 图 2.1
12、数字频率计功能模块 2.2 系统工作原理 2.2.1 频率计测量方法简介 （ 1）测频法， 即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数 。 用一标准闸门信号（闸门宽度为 Tc）对被测信号的重复周期进行计数，计数结果为Nx时，其待测频率为 时间 Tc 为标准闸门宽度（ s）， Nx 为计数器计出的脉冲个数（重复周期数），测量的精度主要取决于计数 Nx的误差。 其特点在 于：测量方法简单；待测信号频率越高，精度越高；测量时间越长，误差越小；但当待测信号频率较低时，误差较大。 （ 2）测周法 此法是在待测信号的一个周期 Tx 内，记录标准频率信号变化次数 N0。这种方法测出的频率是 xF = 0N /
13、 xT （式 2-2） 此法的特点是低频检测时精度高，但高频检测时误差很大。为了提高 T 法高频 测量时的精度可通过 A 分频使待测信号的周期扩大 A 倍。 放大模块 施密特整形 单片机模块（计数、定时） HD7279 驱动数码管显示 cxx TNF / （式 2-1） 数字频率计 8 2.2.2 工作原理 本次设计的数字频率计是以 STC89C51 单片机为核心 , 被测周期信号通过放大整形电路经过操作形成特定周期的窄脉冲，送到单片机的 T0（ P3.4）口外脉冲触发计数。 以 1KHz 为中界频率， 1000Hz-9999Hz 为高频段采用测频法， 记下 1s 脉冲个数 c=256 TH0
14、+TL0 (式 2-3) 1Hz-999Hz为 低频段采用测周法，计算 10 个脉冲所用时间 T T=溢出次数溢出时间 +计数值 1us f= 10T(式 2-4) 最后，将被测信号频率通过显示电路读取数值。 数字频率计 9 第三章 硬件电路设计 本频率计的数据测量系统 主要元器件是单片机 STC89C51，由外部晶振完成对待测信号频率的定时和计数等功能，外部还要有放大电路、整形电路、显示电路。 3.1 单片机最小系统电路 本次设计的数字频率计是以 宏晶 公司 STC89C51 微处理器作为系统的控制核心， 单片机控制电路 主要由晶振电路、复位电路及串行通信电路构成。 由其组成的单片机最小系统
15、电路原理图如图 3.1 所示。 图 3.1 单片机最小系统原理图 3.1.1 STC89C51 功能简介 (1)增强型 1T 流水线 / 精简指令集结构 8051 CPU (2)工作电压： 3.4V-5.5V （ 5V 单片机） / 2.0V-3.8V （ 3V 单片机 (3)工作频率范围： 0 -35 MHz，相当于普通 8051 的 0 420MHz.实际工作频率可达 48MHz. 数字频率计 10 (4)用户应用程序空间 12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字节 (5)片上集成 512 字节 RAM (6)通用 I/O 口（ 27/23 个），复位后为：准双向口
16、/ 弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口） 可设置成四种模式：准双向口 / 弱上拉，推挽 / 强上拉，仅为输入 / 高阻，开漏 每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不得超过 55mA (7)ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器 可通过串口（ P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 (8)EEPROM 功能 (9)看门狗 (10)内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路） (11)时钟源：外部高精度晶体 / 时钟，内部 R/C 振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡
17、器还是外部晶体 / 时钟。常温下 内部 R/C 振荡器频率为： 5.2MHz 6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选 4MHz 8MHz (12)有 2 个 16 位定时器 / 计数器 (13)外部中断 2 路 ,下降沿中断或低电平触发中断 ,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 (14)PWM( 4 路） / P C A（可编程计数器阵列），也可用来再实现 4 个定时器或 4个外部中断 (上升沿中断 / 下降沿中断均可支持 ) (15)STC89Cc516AD 具有 ADC 功能。 10 位精度 ADC，共 8 路 (16)通用异步串行口 (UART) (17)SPI 同步通信口，主模式 / 从模式 (18)工作温度范围： 0 -75 / -40 -+85 3.1.2 单片机 STC89C51 引脚图 STC89C51 有 40 个引脚 ,按引脚功能大致可分为 4 个种类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。 电源 :
