毕业设计-一种数字频率计的设计.doc

一种数字频率计的设计 第1章 绪 论本章主要介绍了数字频率计的概况，本设计的目的和意义，国内外现状及发展趋势，专用和通用的数字频率计的分类。另外，对用什么芯片来实现此设计做了论述。1.1频率计概述及其频率计的应用 频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不开频率，一旦离开频率，电子技术的发展是不可想象的。为了得到性能更好的电子系统，科研人员在不断地研究着频率，CPU就是用频率的高低来评价其性能好坏，可见频率在电子系统中的重要性。1.1.1 频率计的概况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/T。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。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。 1.1.2数字频率计的发展现状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、微波器件或产品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、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。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，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的多，方便的多。也正是由于基于单片机的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。(1) 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。(2) 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。数字频率计按频段分类：(1)低速计数器：最高计数频率10MHz；(2)中速计数器：最高计数频率10100MHz；(3)高速计数器：最高计数频率100MHz；(4)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。对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用MAXIM公司的ICM7240来设计频率计。但由于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2章 数字频率计的设计本章主要介绍了数字频率计的设计任务和要求，按照任务和要求得出数字频率计的总体设计思路，在此思路基础上提出了两套方案，分别画出了方案框图，分析了优缺点，最终确定方案二为本次设计的方案。2.1设计的任务和要求2.1.1设计的任务 1.基于单片机设计一个数字频率计。 2.熟悉51或 AVR单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件。 3.熟练应用所选用单片机内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法。 4.自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现。 5.了解数字频率计的工作原理和实现方法，以及人机交互模块的设计。 6.学习数字检测频率计算法的软硬件实现方法。2.1.2设计的要求 1.完成单片机最小系统设计； 2.精确完成频率检测的设计和实现（精度要求：检测1V-5V频率在1Hz-1MHz周期信号的周期，误差不超过1%）； 3.完成软件对硬件检测和调试工作；2.2 设计思路本次设计的数字频率计区别于专用数字频率计，根据设计任务和要求，此数字频率计属于通用型，要求比较常见，应该具有的功能提出了以下设计思路：1、稳压电源模块：考虑到供电稳定性，仪器使用寿命，本设计采用了三端稳压器，当外部忽然断电时，凭借三端稳压器的强大功能，可以在一定时间内保持稳定的电源，防止仪器的损坏和数据丢失。2、信号整形模块：考虑到单片机可以处理方波，待测信号的位置性，我们需要一个信号整形模块，本设计采用了过零比较器，将这些未知的信号整形成方波，使得单片机能够处理。3、分频处理模块：由于常用的单片机都是12M的晶振，通过计算单片机能处理的最大频率是500KHZ，达不到1MHZ的要求，这里就存在一个分频的问题，如何把更高频率的信号缩小成单片机能处理的信号。4、数据选择模块：由于上面采用了分频器，那么如何让我们的系统知道分频器采用了几分频，就像万用表有档位的问题一样。我们这就需要一个数据选择器来做分频器的档位选择，使系统可以算出最后的准确结果。5、单片机模块：单片机是时钟信号的来源，由内部晶振电路产生。本系统以单片机作为系统的主要控制单元，通过单片机对系统各个部件的控制来实现整个电路的信号频率采集、测量、转换数据、以及显示最终结果的功能。6、数据显示模块:本设计作为一个频率计仪表，系统测量出来的结果必须以数字或图像的形式显示出来，必然需要数据显示模块。2.3方案论证与选择方案一：方案一主要由四个部分组成：信号整形部分、单片机控制部分、时基电路部分、数据锁存部分、和数据显示部分。整体框图如图2.1所示。方案一基本流程：待测信号进入系统，信号整形部分会将其整形成脉冲，另一方面，时基电路提供标准的时基脉冲，在其上升沿达到1s时结束计数。而在这1秒内测得的整形后的脉冲频率就是待测信号的频率。之后单片机送数据锁存，并等待命令，若继续测量则返回测量，此时仍可将数据送显示，若无继续测量命令则，直接送数据显示。方案一优缺点：这个方案的设计关键是555定时器构成的多谐振荡器是否能够提供标准的脉冲。实际上，在现实中是很难做到精确1s的。因此，如果这点把握不好将直接影响最后的精度。较为合理的解决办法是，做实物时可以选择其电容电阻的参数设定，用示波器先进行测量，直到取得较为满意的结果。还有一个问题就是在测量单片机部分信号整形部分时基电路部分数据锁存部分显示部分 图2.1 方案一系统结构框图某一段频率时很有可能会出现偏差，如果它在某一段内都出现相同差值的偏差，我们可以进行人为的补偿，这样可以最大限度提高精确度。方案二：方案二由五个部分组成：信号整形部分、分频处理部分、数据选择部分、单片机部分和数据显示部分。整体框图如图2.2所示。分频处理部分数据选择部分信号整形部分显示部分单片机部分 图2.2 方案二结构框图方案二工作流程：待测信号进入系统，信号整形部分会将其整形成脉冲，经过分频器。分频器出来得到两个信号，一个给选择器，一个给单片机，数据选择器处理过后也将信号给单片机经过处理、运算，最后将数据送给显示部分，以用户需要的形式显示出来。方案二优缺点：是利用了分频器应对大量程的测量，相比于方案一它的优势是，如果待测频率不大的话，是不用进行分频的，即直接测量。这样就不存在方案一当中遇到的问题。但是方案二也有它的缺点，就是当待测频率较大时要进行分频，这样做是对原频率的破坏，很可能会出现较大的偏差。方案比较：这两种方案各有其优缺点，虽然在理想状态下两种方案都是可行的，但是，在本次设计中考虑到在目前的实验条件下难以使用555定时器做到较为精准的1s计时，而且在测量小频率时，方案二可以避免破坏原频率而得到较准确的数据，本设计初衷也是通用型的，简单实用符合要求就好，不必要的尽量省去，通过慎重考虑最终还是采用了方案二。第3章 硬件电路的设计本章是本文的核心内容，主要介绍的是系统硬件部分的设计。我们采用了模块化的设计方法，一开始是系统框图及框图介绍，然后针对系统的工作原理和各个硬件模块的原理和电路进行了具体的介绍。还对各种器件的选择（如显示模块）做了详细的分析。3.1主系统的构成及其工作原理根据设计要求，所要设计的系统除了达到最基本测量频率的功能外还必须要有一定精度，一定的测量范围和一定的适应波形。主系统的框架图如图3.1所示。整体电路包含了以下部分，分别是稳压电源模块、信号整形模块、分频处理模块、数据选择稳压电源模块分频模块CD4518数据选择模块74LS151整流模块LM311单片机模块AT89C52显示模块12864LCD分频模块CD4518时钟电路复位电路周期信号输入接口图3.1系统框图模块、单片机模块和数据显示模块以及其他辅助电路。系统时钟采用内部晶振方式，约为12MHz。本数字频率计的工作原理：待测信号通过接口输入信号整形部分LM311，整流模块LM311将未知信号转换成所需要的方波，整流出来的方波通过分频器CD4518，然后信号输入到数据选择器74LS151，数据选择器74LS151将最后的选择结果传输给单片机AT89C52，此时由单片机AT89C52来控制选择不同的分频信号，并将信号的频率计数，转化为相应的显示代码发往液晶显示器12864LCD输出显示结果。3.2 信号整形电路3.2.1信号整形电路论证我们可以有很多种方法将未知转换成方波，例如我们学过的施密特触发器，传统的运放，以及过零比较器等等。施密特触发器有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持。 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓。施密特触发器的电路连接图如图3.2所示 图3.2 施密特触发器慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度达到某一值时，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。由传统运放组成的能将信号转换为脉冲的电路连接如图3.3所示。在本次设计中我选用的是过零比较器，此过零比较器由一个LM311构成， 它可以将正弦波变成所需要的方波，而且LM311的转换速度为200ns，带宽增益为4MHz，符合本设计的要求。图3.3 信号转换电路3.2.2过零比较器整形方案设计 信号转换电路主要由LM311构成，如下图3.4所示：它是一个过零比较器，其1脚接地，2脚作为输入端，3脚与1脚相连并接一个阻值为1K的滑动变阻器。4脚与8脚分别接-12V及+12V直流电压。5，6脚悬空，7脚作为输出端，并接一个5K的上拉电阻及+5V直流电压。这样，当正弦信号通过这个过零比较器的时候，将会被处理 图3.4过零比较器的仿真模型成方波输出。考虑到待测频率可能较高，而LM311的转换速度200ns，可以满足设计要求。 3.3 信号分频与数据选择电路分频与数据选择是由两个部分组成的，即分频部分和数据选择部分。分频部分我选用的是CD4518如图3.5所示。CD 4518采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元Q1翻转一次：当Q1为1，Q4为0时，每输入一个时钟脉冲，计数单元Q2翻转一次；当Q1=Q2=1时，每输入一个时钟脉冲Q3翻转一次；当Q1=Q2=Q3=1或Q1=Q4=1时，每输入一个时钟脉冲Q4翻转一次。这样从初始状态 （“0”态）开始计数，每输入10个时钟脉冲，计数单元便自动回复到“0”态。 利用这一性质我们就可以通过两片CD4518芯片得到十分频、一百分频、一千分频、一万分频的脉冲信号。 数据选择部分我选用的是74LS151，其引脚图如图3.6所示。74LS151为互补输出的8选1数据选择器。使能端为1时，不论引脚9、10、11状态如何，均无输出，多图3.5 CD4518引脚图 图3.6 74LS151路开关被禁止。使能端为0时，多路开关正常工作，根据地址码，即引脚9、10、11的状态选择I0到I7中某一个通道的数据输送到输出端。如此说来只需将原信号接I0，再分别将分频器分出的十分频、一百分频、一千分频、一万分频的脉冲信号接八路模拟开关74LS151的I1、I2、I3、I4、I5口，使用单片机通过引脚11、10、9控制74LS151来选择不同分频信号就能实现所要功能了。具体连接方式如图3.7所示。3.4 单片机最小系统设计本次设计使用的单片机为AT89C52单片机，系统主要由晶振电路，复位电路与单片机芯片组成。晶振电路由一个12M的晶振外加两个30pf的电容组成。由晶振两端引出的两个引脚和单片机的X1和X2相连。复位电路由一个按键，两个电阻，和一个电容组成，两个电阻的阻值分别为100欧姆和10K欧姆，其中10K欧姆的电阻要求与地相连。复位电路与单片机上的RESET脚相连。单片机上的INT0管脚作为信号的输入端，P20P23口作为与LCD连接的接口，以便控制其显示。具体的连接方法如图3.8所示。图3.7 分频数据选择器如图3.8 单片机系统3.5 显示方案论证3.5.1 LED方案七段数码管，如图3.9所示。对于LED七段数码管，有其自身的优势，如无汞、节能、节材、对环境无电磁干扰、无有害射线等。此外，LED七段数码管采用低压供电,无高压环节，为了绝缘的开销要小很多，比较经济，而且可靠性高。它附件简单，无启动器、镇流器或超高压变压器。结构简单，具有固体光源的最大优点，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题，耐冲击。而且编程简单，使用寿命长。色彩纯厚，由半导体PN结自身产生色彩，纯正，浓厚，柔和不刺眼。无需维护，10万小时寿命，可以使用50年，大大减少使用期间的维护费用。但是它的字符显示能力有限，无法根据用户的要求显示更为复杂的文字。3.5.2 LCD12864方案 液晶显示器LCD12864，如图3.10所示。对于液晶显示器来说液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 图3.9 七段数码管 图3.10 12864LCD带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。综合各方面的考虑，在本次设计中我采用的带中文字库的12864LCD液晶显示器。第4章 软件设计本设计软件部分采用了MCS-51汇编语言编制，采用了结构化，模块化的程序设计方法。包括了主程序、外部中断0子程序、外部中断1子程序、IC卡与片外数据存储器的读写软件设计、显示子程序等模块组成。本章还给出了详细的流程图。具体程序见附录B。4.1软件编程思路首先，系统要初始化。接着要使用一个循环做延时程序，算出益处的终端个数，此时控制74LS151选择需要的通道联通，通道的选择要尽量考虑到单片机所能计算的频率值，然后记下分频倍数作为后期处理数据之用。若采用了分频，则将单片机算出的数据乘以相应的分频数使其还原为最初频率，若没有分频，则将数据直接处理为符合12864LCD显示的数据送显示模块显示。4.2各个子模块软件设计及流程图4.2.1计数模块设计计数模块是本系统的核心模块，本系统的主要工作都是由它来完成的。当计数模块开始工作，首先检测一下模块的输入复位信号是否有效为高电平，如果有效，则将模块内的变量复位，同时将输出信号复位。如果不是处于复位的状态，则先判断被测信号是否大于20MHz，如果大于20MHz，则采用直接测频法进行测量;反之，则检测预置门控信号是否有效，即START是否为高电平，如果该信号满足是高电平的条件，则要检测被测信号的上升沿是否来到，如果上升沿来到，则同时启动计数模块内的两个计数器，对被测信号和标准频率信号同时开始计数;直到预置门控信号的下降沿到来，同时将两个计数器停止计数，然后，输出使能信号，通知单片机来读取计数结果。计数模块主要是用内部的两个计数器在预置门控时间内对被测信号和时基信号进行计数，而完成频率测量工作的。测量完成后，向单片机输出计数结果和输出使能信号，由单片机完成数据运算、处理，如果这次的计数结果符合测量的精度要求，则将计数结果送往下面的显示模块将其显示出来;如果计数结果达不到量程、精度等要求，则通知控制模块做出调整，重新进行测量，直到各项指标满足要求为止。因为该系统的测量范围是0. 1Hz-50MHz，范围比较宽，为了保证测量精度，该系统采用了两种方法相结合的办法，来解决问题。不但保证了系统在低频阶段实现了较高的测量精度，而且在高频阶段用比较简单的方法得到了较高的测量精度，从而在整体上提高了系统的测量精度。计数模块流程图如图4.1所示。开始CRL=1模块内变量和输出信号复位直接测量法START=0？单片机取数结束Fx20M?START=1?Fx=1?计数模块开始计数YNYNNNNYY图4.1计数模块流程图4.2.2控制模块设计控制模块是整个测频系统的控制部分，它控制着系统其它模块的工作，控制着整个系统测量工作的开始。 在整个系统测量工作过程中，控制模块控制其开始，并控制其它模块的工作情况。要使控制模块工作需要三个条件:首先必须产生控制模块的时钟(当开始脉冲宽度大于模块时钟一个周期时);接着初始化模块电路的CLR(复位信号)、SEL(设定选择信号)等;最后对CLR的状态进行检测。当CLR=1时，先复位其内部的变量，然后输出CLR信号;当CLR= 0时，这时输出频率开始测量CLK信号，以便测频系统开始工作。控制模块流程图如图4.2所示。开始CLK分频CLR=1？CLR上升？模块内变量复位输出脉冲测量信号结束YYNN图4.2控制模块流程图4.2.3基准时间产生模块设计 基准时间产生模块主要产生信号选择模块需要的基准时间(闸门时间)以及为控制模块提供时钟。当模块检测到该模块的复位脉冲信号有效时，首先将本模块内的变量复位，然后产生模块输出复位信号，用于下一个模块。随后，当模块将检测到输入的开始信号START有效时，模块先输出模块复位信号，对后面的模块进行复位;然后检测输入复位脉冲信号RESET是否有效，如果有效，则将本模块内的变量复位，然后产生模块输出复位信号;如果无效，则完成分频工作。基准时间产生模块流程图如图4.3所示。开始RESET=1？RESET=1？START=1？结束闸门信号FSD分频复位变量NNNYYY图4.3基准时间产生模块流程图4.2.4信号选择模块设计信号选择模块首先检测模块的输入复位信号RESET是否为高电平，如果是高电平的话，则进行模块的复位操作，复位成初始化的状态，并且输出复位脉冲信号。如果不是处于复位状态，则根据初始化的状态选出一个信号，当作时基信号。然后检测控制模块的状态，如果为高电平，则将选择信号的状态加一;如果为低电平，则将其状态减1，直到最后选到合适的信号。信号选择模流程图如图4.4所示。开始RESET=1？模块变量复位SEL+1+！SEL-1CHOICE=1?信号选择结束YYNN图4.4信号选择模块流程图4.3主程序段及软件流程图测量频率之前需要计算在10ms延时内的脉冲个数，此时还需要知道是否经过了分频以及分频了多少次，这一步通过数据选择部分就能够知道。算出分频的次数，在最后数据处理的时候相应的还原最初频率。至于一个周期的时间我们可以通过测量两个下降沿的时间来知道，最后将处理好的数据送显示部分显示。软件流程图如图4.5所示开始系统初始化10ms延时，计算外部中断数选择分频通道，计算分频次数计时一个周期，即两个下降沿时间数据处理送显示是否继续结束否是图4.5 软件流程图第5章 系统调试与仿真一个完整的系统，首先要完成硬件组装工作，然后进入软件设计、调试和硬件调试阶段.硬件组装就是在设计、制作完毕的印制板上焊好元件与插座，然后就可用仿真开发工具进行软件设计、调试和硬件调试工作。本章主要介绍了静态调试步骤与方法，联机仿真与动态调试。另外，还概述了调试中发现一些系统存在的问题及其补救办法。5.1调试设备PC机一台，80C51单片机实验台，万用表，示波器，导线若干等5.2硬件调试硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。由于实验室没有AT89C52，在这里我们用AT89C51代替。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。5.2.1静态调试静态调试工作分为两步:第一步是在通电之前，先用万用表等工具，根据硬件逻辑设计图，仔细检查线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线(地址总线、数据总线、控制总线)是否存在短路或与其他信号线的短路。第二步是加电后检查各芯片插座上有关引脚的电位，仔细测量各点电平是否正常，尤其应注意芯片插座的各点电位，若有高压，与在线仿真器连机调试时，将会损坏在线仿真器。具体步骤如下:(l)电源检查当电路板连接或焊接完成后，先不插主要元器件，通上电源。常用+SV直流电源，用万用表电压档测试各元器件插座上相应电源引脚电压数值是否正确，极性是否符合。如有错误，要及时检查、排除，以使每个电源引脚的数值都符合要求。(2)各元器件电源检查分别插入，分别通电，并逐一检查每个元器件上的电源是否正确，直至最后插上全部元器件，通上电源后，每个元器件上电源应正确无误。(3)检查响应芯片的逻辑关系检查相应芯片的逻辑关系通常采用静态电检查法。即在一个芯片信号输入端加一个响应电平，检查输出电平是否正确。单片机系统大都是数字逻辑电路，使用电平检查法可首先检查选用的元器件是否符合要求，逻辑设计是否正确，元器件连接关系是否符合要求等。5.2.2 动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。在本设计中，由于该系统采用了模块化的设计，所以动态调试采用了分模块调试的办法。调试过程中，分为信号处理模块、显示电路模块、报警电路模块、电源模块模块、电磁阀驱动电路模块等进行了分别调试。 5.3联机仿真、在线动态调试在静态调试中，对硬件进行了初步调试，只是排除了一些明显的静态故障。硬件故障(如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误)主要是靠连机在线仿真来排除的。在断电情况下，除芯片外，插上所有的元器件，并把在线仿真器的仿真插头插入样机上芯片的插座，然后与开发系统的仿真器相连，分别打开样机和仿真器电源后便可开始连机在线仿真调试。先将引脚锁定，再将各模块的程序下载到仿真器中，显示及键盘控制模块的程序烧录到芯片中，然后接通电源和地进行调试，结果基本上达到了设计的要求。为了验证电路的设计是否可行，需要根据自己的电路设计做仿真，如下图5.1就是该过零比较器在multisim软件上的仿真图，而图5.2是运行电路后的仿真波形，由图5.2可以看出当正弦波处于零电位以上的时候，经过过零比较器仿真出高电平，图5.1 过零比较器仿真图5.2过零比较器的输入波形和输出波形比较当正弦波处于零电位以下的时候，过零比较器仿真出的就是低电平，需要特别说明的是，高低电平转换的瞬间恰好是正弦波由正电位转换为负电位或者由负电位转换为正电位的时候，因此我们可以认定电路的设计是完全正确的。以下如图所示是搭建实物电路后用数字示波器记录的输出波形 图5.3 数字示波器实际测量电路测试结果：如表1所示表格1 实际测量记录输入电压峰峰值Vpp /V标准输入频率 /Hz测量值 /Hz精度误差 / %0.11010010010001k10020.29.999k9.994k0.052.5M2.496M0.161505001k1.001k0.19.999k9.985k0.151M998.50.153M2.995M0.173101111k998Hz0.29.999k9.9840.151M998.5k0.153M2.995M0999.00.19.999k998.8k0.131M998.8k0.123M2.996M0.13第6章 结论本次设计所做的数字频率计具有比较好的测量精度，较宽的频率范围，具有一定的实用价值。为了了解数字频率计的工作原理，并且进一步复习了电路仿真技术，动手能力得到锻炼和提高。同时还发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，认识到自己的思维还是不够活跃。本次课程设计过程中虽然遇到一些阻碍，但通过不懈的努力，最终还是克服了这些困难，体味到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜,提高了自身独立思考克服困难的能力。这一过程磨练了我的意志，永不放弃对于科学真理的追求!毕业设计是对毕业生大学四年所学技能的检测，这次设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。在设计的过程中发现了以前学的数字电路的知识掌握的不牢。正所谓，书到用时方恨少。就是在这个反反复复过程中，不断地修改修正，设计能够一点一点得完善，令人感到由衷的快乐，没有付出，哪有回报!在实践中得到锻炼是年轻人最大的财富! 当然，这是在所有元器件都是理想状态下所得到的结论，在实际生活中是难以做到如此理想状态的，而且时间上也比较仓促，很多细节没有考虑周全经验也不足。因此在我设计的过程中就不可避免的遇到了一些问题。比如说在信号转换的电路设计上，最初的设计中在MULTISIM上做的仿真是完全没有问题的，但是真正在连接硬件的时候就出现了问题，根本无法将正弦波整形得到方波信号，只能重新设计过零比较器。再者，通过分频测量信号的频率，在信号经过分频的时候，没有对信号做进一步的处理，这对结果的精确度一定是有影响的。因此本设计的以上部分需要进一步完善，对于程序的设计如何能够更加完善优化，将是后续阶段需要考虑的问题。参考文献1何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计北京：北京航空航天大学出版社，1995.2陈明荧.8051单片机课程设计实训教材北京：清华大学出版社，2003.3何立民.单片机应用技术选编北京：北京航空航天大学出版社，1998