频率计系统设计.doc

频率计系统设计一、概述低频信号在数字电子技术、计算机原理以及许多场合广泛使用，而频率是否合乎要求，则需要进行测量。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，也是我们经常会用到的实验仪器之一，它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。本系统是基于8031单片机的定时/计数功能、开关、计数电路及LED显示电路等来设计一个宽频的频率计。本系统是利用间接测量的方法进行测量的，显示的结果根据简单的计算就可以得到待测信号的频率。频率测量范围达到0.015Hz3.3554GHz。二、核心部分设计思路以8031单片机为核心，利用他内部的定时计数器完成待测信号周期频率的测量。单片机8031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。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加1（使用6 MHz时钟时，每2s加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的124（使用6MHz时钟时，最大计数速率为250 kHz）。定时计数器的工作由运行控制位TR控制，当TR置1，定时计数器开始计数；当TR清0，停止计数。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种方法：使用计数方法实现频率测量和使用定时方法实现频率测量。使用计数方法实现频率测量时，外部的待测信号为单片机定时计数器的计数源，利用软件延时程序实现计数闸门。频率计的工作过程为：定时计数器的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时计数器工作；运行软件延时程序，同时定时计数器对外部的待测信号进行计数，延时结束时TR清0，停止计数。从计数寄存器读出测量数据，由显示电路显示测量结果。使用定时方法实现频率测量时，外部的待测信号通过频率计的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时计数器的输入脚。工作高电平是否加至定时计数器的输入脚；当判定高电平加至定时计数器的输入脚，运行控制位TR置1，启动定时计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时TR清0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据。这时读出的数据反映的是待测信号的周期，由显示电路显示测量结果。根据测量的结果查找对应的使用手册就可以知道所测信号的频率。三、频率计电路总体方案电源设计利用市电提供直流+5v电压利用+5v直流电压或电池信号预处理电路系统处理电路测量数据显示电路单片机测量系统软件系统设计信号输入信号预处理电路单片机显示电路四、系统组成和工作原理硬件结构和电路设计频率计系统如图（一）所示：显示电路主机电路频率扩展电路信号预处理信号放大电路信号输入电路稳 压 电 源五、系统组成和工作原理软件结构和电路设计 图（一）1、稳压电源考虑到集成电路的优点，采用三端集成稳压器W7805来提供各个芯片的稳定电压，可用于TTL/COMS电路的直流稳压电源电路。电路图如图（二）所示：图（二）2、信号输入电路该部分提供被测信号的输入接口。可以利用电缆连接，如：RCA或复合电缆、BNC电缆、S-视频、Y/C电缆、部分电缆等。3、放大电路通常被测信号一般都很微弱，需要有放大电路对信号进行放大，才能够被检测出其频率。该电路对输入信号需要有比较高的放大倍数，可以由NPN型三极管组成的共发射极电路，设置好偏置电压。该放大级为零偏置放大器，当输入信号为零或者为负电压时，三极管截止，输出高电平；当输入信号为正电压时，三极管导通，输出电压随着输入电压的上升而下降。零偏置放大器可把正负交替波形变换成单向脉冲，这使得频率计既可以测量脉冲信号的频率，也可以测量正弦波信号的频率。放大器的放大能力实现了对小信号的测量，本电路可以测量幅度05 V的正弦波或脉冲波待测信号。三极管应采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频响应特性。电路如图（三）所示：图（三）4、信号预处理电路和频率扩展电路该部分第一级采用带施密特触发器的反相器7414，他用于把放大器生成的单向脉冲变换成与TTLCMOS电平相兼容的方波。第二级采用十进制同步计数器74LS160，第一级输出的方波加到74LS160的CLK，当从74LS160的TC输出可实现10分频（多个74LS160的级连可以进一步扩展测频范围）。第二级输出的方波加到他的CLK，当从他的Q0输出既可实现2分频，且其输出为对称方波，方波高宽度等于待测信号的周期，从而为测量信号周期提供基础。第三级采用十进制同步计数器74LS160，第二级TC输出的方波加到74LS160的CLK，当从74LS160的TC输出可再次实现10分频。从第三级74LS160的Q0输出既可实现20分频，且其输出为对称方波，其方波高电平的宽度为待测信号周期的10倍（10）。第四级同样采用十进制同步计数器74LS160，当方波从他的Q0输出既可实现200分频，且其输出为对称方波，其方波高电平的宽度为待测信号周期的100倍（100）。可如果想测量更高频率信号可以在多加几级74LS160进行测频范围的扩展。不过级数也不能无限增加，毕竟7414输出电压的驱动能力有限。该电路利用三个开关调节不同的测频范围：开关K1控制第（1）个74LS160芯片Q0输出到8031单片机T1口，测频范围为0.015Hz33.554MHz 。开关K2是控制第（2）个74LS160芯片Q0输出到8031单片机T1口，测频范围为0. 15Hz335.54MHz 。开关K3是控制第（3）个74LS160芯片Q0输出到8031单片机T1口，测频范围为1.5Hz3.3554GHz 。根据待测信号的频率范围选择量程。电路图如图（四）所示：（1） （3） （2） 图（四）5、主机电路和显示电路电路图如图（五）所示：图（五）该组成部分是基于8031单片机，由于8031没有程序存储器，所以利用2764芯片进行ROM扩展（8K）。利用外部时钟方式提供单片机的时钟信号。晶振频率为6M，机器周期为210 6s。利用开关K控制测量数据的显示，通过来提示电路的工作状态。显示电路是通过ICM7218来驱动8个共阴极LED数码管。五、系统组成和工作原理软件结构和电路设计频率计开始工作或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。测量初始化模块清理内存、设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时计数器的工作方式。定时计数器的工作首先被设置为计数器方式，即用来测量信号频率。首先定时计数器的计数寄 存器清0，运行控 制位TR置1，启动对待测信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从选择测量频率的量程开始测量，计数闸门结束时TR清0，停止计数。计数寄存器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。判断该数的高位（3至6位），若这些位不为0，满足测量数据要求，测量结果送到显示模块；若都为0，将跳转到利用定时方法测量待测信号的周期的方法进行重新测量，定时计数器的工作被设置为定时器方式，定时计数器的计数寄存器清0，在判断待测信号的上跳沿到来后，运行控制位TR置为1，以单片机工作周期为单位进行计数，直至信号的下跳沿到来，运行控制位TR清0，停止计数。16位定时计数器的最高计数值为65 535，当待测信号的频率较低时，定时计数器将发生溢出。产生溢出时，程序进入定时器中断服务程序，对溢出次数进行计数。待测信号的周期由3个字节组成：定时计数器溢出次数、定时计数器的高8位和低8位。测量结果送到显示。利用两个LED发光（红光和绿光）二极管来判断电路使用的是什么测量方法，根据LED的不同颜色和测量的结果再进行数据处理就可以得到结果。绿LED亮则电路是利用计数方法测量，根据测量结果量程倍数 公式（1）（倍数为2、20、200）即选K1倍数为2、选K2倍数为20、选K3倍数为200既可以得到待测信号的频率；两个二极管都两则说明电路是利用定时方法测量待测信号的周期的方法进行测量，根据（2.510 5量程倍数）/（测量结果）公式（2）量程倍数为1、10、10：选K1倍数为1、选K2倍数为10、选K3倍数为100既可以得到待测信号的频率。例如：总开关K闭合，选择K2开关闭合，K1、K3断开时，LED发绿光，显示结果为16777215，则利用公式（1）可得待测频率为335.54MHz；如果LED都亮，显示结果为1677215，则利用公式（2）可得待测频率为0. 15Hz。系统软件流程图如图1所示：定时方法系统初始化频率测量高位数是否为0计数方法中断服务程序二进制码到BCD码测量数据显示图1程序清单：；设置数据段DSEGORG 0021HCOUNT: DS 1 ；计数单元TIM: DS 1 ；定时单元（100ms10=1s）XIAN: DS 4 ；显示缓存单元ZAN: DS 3 ；数据暂存单元ENDS；设置代码段CSEGORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP TOINTORG 001BHINC COUNTRETIMAIN: MOV R0 , #2 ；清内存MOV R1 , #7EHMOV A , #0CLRRAM: MOV R0, AINC R0DJMZ R1 , CLRRAMMOV SP , #5FH ；设置堆栈指针CLR F0 ；清楚1s标志（用户自己设置的标志位）MOV TMOD , #51H ；T0定时，T1计数MOV TH0 , #3CH ；定时100ms的初始值MOV TL0 , #0B0HMOV TH1 , #0MOV TL1 , #0MOV TIM , #10 ；100ms10=1sCLR P1.0；利用计数方法测量LOOK: LCALL DISPLAY ；显示0000 0000SETB P1.2 ；判断是否开关闭合JB P1.2 , LOOKLCALL DELAYSETB P1.2JB P1.2 , LOOKSETB TR0 ；开关闭合开始定时，计数SETB TR1SETB ET0SETB ET1SETB EASETB P1.0 ；绿指示灯亮CLR F0 JNB F0,$ ；1s未到，等待CLR TR0 ；到停止定时，计数CLR TR1CLR ET0CLR ET1CLR EACLR P1.0MOV ZAN , TL1 ；数据存储MOV ZAN+1 , TH1 MOV ZAN+2 , COUNT MOV A , ZAN+2 ；判断用计数方法测量是否符合要求JNZ A , DDIP1MOV A , ZAN+1JNZ A , DDIP1；利用定时方法测量LOOK1: MOV TMOD , #50HMOV TH1 , #0MOV TL1 , #0SETB ET1SETB EASETB P1.1 ；红灯亮，表示用定时方法测量L1: JB T1 , L1SETB TR1L2: JNB T1 , L2L3: JB T1 , L3CLR TR1CLR ET1CLR EACLR P1.1MOV ZAN , TL1MOV ZAN+1 , TH1MOV ZAN+2 , COUNTDDIP1: LCALL BINTOBCD ；转换为十进制DDIP: LCALL DISPLAY ；数据显示SETB P1.2 ；开关未动，显示计数值JNB P1.2 , DDIPLCALL DELAYSETB P1.2JNB P1.2 ，DDIPAJMP MAIN ；动，重新计数频率值；T0中断服务程序TOINT: MOV TL0 , #0B0H ；重新送初值MOV TH0 , #3CHDJNZ TIM , TORETSETB F0 ；1s到，置标志位TORET: TETI；二进制数据转换为十进制数据BINTOBCD:MOV R7 , #24MOV A , #0MOV XIAN , AMOV XIAN+1 , AMOV XIAN+2 , AMOV XIAN+3 , ALOOP: CLR CMOV A , ZANRLC AMOV ZAN , AMOV A , ZAN+1RLC AMOV ZAN+1 , AMOV A , ZAN+2RLC AMOV ZAN+2 , AMOV A , XIANADDC A , XIANDA AMOV XIAN , AMOV A , XIAN+1ADDC A , XIAN+1DA AMOV XIAN+1 , AMOV A , XIAN+2ADDC A , XIAN+2DA AMOV XIAN+2 , AMOV A , XIAN+3ADDC A , XIAN+3DA AMOV XIAN+3 , ADJNZ R7 , LOOPRET；显示子程序DISPLAY:MOV R1 , #XIAN+3MOV R3 , #04HMOV DPTR , #0FFFFHMOV A , #90HMOVX DPTR , AMOV DPTR , #7FFFHDDISP: MOV A , R1MOV B , ASWAP AANL A , #0FHLCALL TABLEMOVX DPTR,AXCH A , BANL A , #0FHLCALL TABLEMOVX DPTR , ADEC R1DJNZ R3 , DDISPRET；查数字的显示码TABLE: ADD A , #1MOVC A , A+PCRETDB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH；延时20ms子程序DELAY: MOV R7 , #20DL: MOV R6 , #250DJNZ R6 , $DJNZ R7 , DLRETENDSEND系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、显示模块和信号频率频率测量模块等各种功能模块组成。上电后，进入系统初始化模块，系统软件开始运行。在执行过程中，根据运行流程分别调用各个功能模块完成频率测量、方法选用、周期测量和测量结果显示。六、总结1、分析该系统是通过间接测量的方法对待测频率进行测量的电路，需要通过简单计算才能得到结果，如果觉得计算比较麻烦，可以制作数据表，根据所测量的数据查对应的频率。在选用元器件的时候要考虑其最高截止频率，例如三极管应采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频响应特性。单系统要用于嵌入式系统时，可以利用80C51单片机，由于该类型单片机中有ROM，不需要外接电路进行扩展，适用于嵌入式系统。主电路的时钟周期可以利用12M的晶振提供。但是频率的精度会下降，在条件适合的时候可以利用12M的晶振，不过必须对程序清单进行修改，由于时钟周期不一样，定时/计数器的初值是不一样的，所以软件程序初始化时需要计算T0、T1初值。2、体会通过这次课程设计，我感觉到了设计一个单片机系统不是那么简单的，如果是更大的系统，那么要考虑到更多方方面面的内容，如系统的可靠性、稳定性、外界因素干扰等方面，还有相当一部分的理论知识很欠缺的。在以后的时间里，我会更加努力学习掌握单片机系统设计的知识，掌握更复杂的汇编程序编写能力。通过这次设计感觉到自己的不足，但还是学到了不少的新知识以及不少的体会，我感到很高兴。通过这次单片机课程设计让我进一步了解单片机编程的方法，通过设计对基于单片机系统设计有个比较深刻的认识。通过完成设计使我对单片机理论及其他一些硬件电路知识进一步巩固。通过本程序设计编写，让我对汇编语言有个系统的认识，知道如何利用汇编语句实现单片机的定时、中断、计数、显示等功能，学会在一个大的系统中如何运用各个程序模块，通过模块子程序的调用来实现总体电路的要求。今后，我会通过编写更多的程序来巩固理论知识，通过把编写好的程序运用到实际的单片机中，连接好外接电路，根据实验的结果来验证编写程序的可靠性以及提高自己的动手能力和分析能力，积累经验。总之，这次频率计系统设计让我受益非潜。杨文忠03电子本（1）班7号频率计电路原理袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇