频率信号的测量与显示论文VIP

2013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）摘 要频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。等精度频率计主要是由信号输入和调理电路、单片机模块、门控电路及显示电路模块组成。AT89S52 单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现 1Hz1MHz 的频率测量，而且可以实现高精度的测量结果。以 AT89S52 单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。其待测频率值使用液晶屏 1602 显示，可以显示 4 位整数和 5 为小数，单位默认为 Hz。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。关键词：频率计；单片机；计数器2013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）AbstractFrequency measurement is the most basic measurement in Electronic field. A simple frequency meter mainly by the signal input and amplifying circuit, micro-controller module, sub-frequency circuit module and display module. AT89S52 MCU is the control core frequency of dollars to complete its count of the signal under test, decoding, display and control of the frequency division ratio. Using its internal timer or counter to complete the signal of the under test cycle / frequency of measurement.Throughout the design process, periodic measurement of the frequency meter application and the corresponding mathematical treatment to achieve 10Hz 2MHz frequency measurements, and can automatically switch the flow to achieve scale. To the core of AT89S52 micro-controller, with the MCU internal timer / counter gate time, it can be easier for frequency measurement. The use of microcomputer technology to design a digital display of frequency meter, have a measurement of high accuracy, fast response, small size and so on.Key words: Frequency meter; single chip; counter2013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）目 录第一章 前 言 .11.1 频率计概述 .11.2 频率计发展与应用 .11.3 频率计设计内容 .1第二章 系统总体方案设计 .32.1 频率测量方法 .32.2 等精度测频的原理 .42.3 具体模块 .5第三章 硬件电路具体设计 .73.1 单片机最小系统 .73.1.1 MCS-51 单片机概述 .73.1.2 MCS-51 单片机内部结构框图 .83.1.3 MCS-51 单片机引脚说明 .93.1.4 MCS-51 单片机存储器 .113.1.5 MCS-51 单片机中断系统 .123.2 最小系统构成 .163.2.1 复位电路 .163.2.2 时钟电路 .173.2.3 引脚功能 .183.2.4 单片机引脚分配 .203.3 电源模块 .213.3.1 直流稳压电源的基本原理 .213.3.2 电源电路设计 .233.4 调理电路 .233.4.1 调理电路简介 .233.4.2 调理电路原理 .243.4.3 调理电路调理结果 .253.5 门控模块 .263.5.1 74LS04 芯片介绍 .262013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）3.6 显示模块 .273.6.1 LCD1602 简介 .273.6.2 LCD1602 接口应用 .293.6.3 LCD 的指令说明 .293.6.4 1602 显示电路 .30第四章 系统的软件设计 .314.1 软件模块设计 .314.2 门控电路软件设计 .334.3 显示子程序 .344.4 应用软件简介 .364.4.1 Keil 简介 .364.4.2 Protues 简介 .37第五章 等精度频率计的系统调试 .395.1 硬件调试 .395.1.1 电源模块调试 .395.1.2 整形模块调试 .395.2 软件调试 .395.2.1 Proteus 软件调试 .405.2.2 功能调试 .415.3 系统调试 .425.3.1 系统软件调试 .425.3.2 系统软硬件调试 .435.4 误差分析 .43第六章 总结 .45致 谢 .46参考文献 .47附 录 .482013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）0第一章 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。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。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2013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）1粗略的测量出被测信号的频率。 参数要求如下：1.测量范围 1HZ1MHZ；2.用液晶显示屏 1602 显示测量值；3.能根据输入信号自动切换量程；4.可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形。2013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）2第二章 系统总体方案设计2.1 频率测量方法测频方法有“周期法”和“频率法” 。用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种方法。测量频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数。其原理如图 2.1 所示：图 2.1 测量频率原理图测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。电子计数器测频法主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数器在标准时间 Ts1内进行计数，所得的计数值 N1。而电子计数器测周法则是将标准频率信号 fs2送到计数器的计数输入端，而让被测频率信号 fx2控制计数器的计数时间，所得的计数值N2与 fx2的关系如下： 22fNfsx（2.1）事实上，无论用哪种方法进行频率测量，其主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的1 误差：(2.2)N1对于测频法，有：(2.3)1111 xsxsffT对于测周法，则有：2013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）3(2.4)22211xsxsfTfN可见，在同样的 Ts下，测频法 fx1的低频端，误差远大于高频端而测周法；在 fx2的高频端，其误差远大于低频端。理论研究表明，如进行 n 次重复测量然后取平均，则1 误差会减小 n 倍。如给定1 误差 0，则要求 0。对测频法要 fx1 ,01xf对测周法则要求 fx2 0fs2。因此，对一给定频率信号 fs进行测量时，用测频法 fs1越低越好，用测周法则 fs2越高越好。2.2 等精度测频的原理等精度频率计的测量原理如图2.2所示：输 入通 道时 基信 号同部门控制主门1主门2计 数 器 1计 数 器 2液 晶 显 示T 0P 0P 1 . 2T 1P 1 . 1P 1 . 0f0fx图2.2 等精度频率计测量原理图基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而变化。传统的直接测频法其测量精度将随被测信号频率的降低而降低，测周法的测量精度将随被测信号频率的升高而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。等精度频率的测量原理图2.2 所示。频率为f x 的被测信号经通道滤波、放大、整形后输入到同步门控制电路和主门1（闸门） ，晶体振荡器的输出信号作为标准信号（时基信号）输入到主门2。被测信号在同步控制门的作用下，产生一个与被测信号同步的闸门信号，被测信号与标准信号（时基信号）在同步门控制信号的控制下。在同2013 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文）4步门打开时通过同步门分别输入到事件计数器和时间计数器的信号输入端，计数器开始计数。同步门关闭时信号不能通过主门，计数器停止计数，单片机发出命令读入计数器的数值，并进行数据处理，将处理后的结果送显示。等精度频率测量方法是采用多周期同步测量。如图2.2的测量原理图所示，由单片机发出预置门控信号GATE，GATE的时间宽度对测频精度影响较少，可以在较大的范围内选择，即在高频段时，闸门时间较短；低频时闸门时间较长。实现了全范围等精度测量，减少了低频测量的误差。在同步门的控制下，一方面保证了被测信号和时基信号的同步测量；另一方面在同步门打开后计数器并不是马上计数，而是在被测信号的下一个上升沿开始计数，同步门关闭后计数器也不是马上停止计数，而是在被测信号的下一个上升沿停止计数。即在实际闸门时间计数，从而提高了测量精度。由于采用D触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的N x值已不存在误差的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N 0的值仍存在1误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。所以在全频段的测量精度是均衡的,从而实现等精度频率测量。2.3 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