基于单片机的数字频率计的设计

1、摘要随着电子信息产业的发展，信号频率的测量在科学技术研究和实际应用中变得越来越重要。 传统的频率计由许多逻辑电路和时序电路实现，该电路一般动作慢，测量频率范围窄。 考虑到上述问题，本文设计了基于单片机技术的数字频率计。 首先，对测量的信号进行放大整形，然后将信号发送到单片机的定时计数器，进行计数，得到频率值，最后将测量的频率的数值发送到显示电路，进行显示。 从频率计的原理出发，介绍了基于单片机的数字频率计的设计方案，选择了实现系统的各种电路部件，对硬件电路进行了仿真。关键词：单片机，频率计，测量目录第一章引言1第二章方案论证22.1数字频率计设计的几个方案22.2几个方案的优劣探讨32.3本次

2、设计采用的方案3第三章系统硬件设计43.1数字频率计的工作原理43.1.1一般数字频率计原理43.1.2基于单片机的数字频率计原理43.2电路图53.3放大整形电路63.3.1放大整形电路的必要性63.3.2放大整形电路的原理63.4分频电路103.4.1分频电路的介绍103.5四选一电路113.6单片机133.7显示电路143.7.1显示原理143.7.2显示电路图163.8电路PCB基板18第四章系统软件设计204.1频率测量软件的实现原理204.2软件流程图204.3若干重要的分手程序21第五章系统模拟和调试345.1硬件电路的模拟345.2误差分析37结语38参考文献40感谢41附录4

3、2附录1 :系统整体电路图42附录2 :电路PCB图42附录3 :整个系统程序44外语资料原文60翻译原稿63第一章引言随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的要素，其频率测量在科学技术研究和实际应用中越来越重要，并且需要频率测量的范围也越来越广。 传统的频率计通常由电路和定时电路等大量硬件电路组合而成，产品不仅体积大，而且运行速度慢，测量范围低，精度低。 因此，随着频率测量的要求的提高，传统的频率测量方法在实际应用中变得不满意。 有必要找到新的频率测量方法。 随着单片机技术的发展和成熟，以单片机为一个电路系统的控制电路逐渐显示出了无与伦比的优势。 因此本论文采用单片机作为电路的控制系统，设

4、计出了能测量高频的数字频率计。 用单片机制作控制电路的数字频率计测量频率精度高，测量频率范围大幅度提高。本论文的任务是设计基于单片机技术的数字频率计。 主要介绍了整形电路、控制电路和显示电路的构成原理及其频率测量的基本方法。 进行了适当的硬件软件设计。第二章方案论2.1数字频率计设计的几个方案测量频率的方法有很多种，大致分为模拟法和数字法。 为了满足这次设计的要求和环境，目前主要研究数字法中电子计数式的几种频率测量方法。电子计数式频率测量方法主要有脉冲数定时频率测量法(m法)、脉冲周期频率测量法(t法)、脉冲频率倍频频率测量法(AM法)、脉冲数分频频率测量法(AT法)、脉冲平均周期频率测量法(

5、M/T法)、多周期同步频率测量法。 下面介绍几个方案的具体方法。脉冲数定时频率测定法(m法):该方法记录在决定时间Tc内测定信号的脉冲数Mx，测定的频率如下Fx=Mx/Tc (2-1)脉冲周期频率测定法(t法):在测定信号的一个周期Tx内，记录标准频率信号的变化次数Mo。 用这种方法测定的频率如下所示Fx=Mo/Tx (2-2)脉冲数倍频测定法(AM法):该法是为了克服m法在低频测定时精度低的缺陷而发展起来的。 通过a倍频，将测量信号的频率放大到a倍，提高测量精度。 测定频率如下所示Fx=Mx/ATo (2-3)脉冲数分频频率测定法(AT法):该法是为了提高t法在高频测定时的精度而形成的。 用

6、t法测量时，测量的信号周期不能太短，因此，用a分频测量的信号周期可以扩大到a倍。 测定频率如下所示Fx=AMo/Tx (2-4)脉冲平均周期频率测定法(M/T法):该方法在选通时间Tc内，用两个计数器同时记录测定信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo。 标准信号的频率为Fo时，测量对象信号的频率如下所示Fx=FoMx/Mo (2-5)多周期同步频率测量法：用选通时间Tc和同步选通时间Td控制计数器计数的一种测量方法，测量的信号频率与M/T法相同。2.2几个方案的优劣探讨以上几种方法各有优点和缺点脉冲数定时频率测量法、时间Tc为正确的值，测量的精度主要取决于计数Mx的误差。 其特征是测量方法简单

7、，测量精度与测量对象信号的频率和栅极时间有关，如果测量对象信号的频率低，则误差大。脉冲周期频率测量法的特征是低频检测时的精度高，但高频检测时的误差大。脉冲频率倍频测定法的特征在于，待测定信号的脉冲间隔减少，间隔误差减少，精度比m法高a倍，但控制电路复杂。脉冲数分频频率测量法的特征是高频测量精度比t法高a倍，但控制电路也很复杂。脉冲平均周期频率测定法在测定高频时精度高，而在测定低频信号时精度低。多周期同步频率测量法的优点是，能够消除为了选通时间与被测量信号同步对被测量信号进行计数而产生的1字的误差，大幅度提高测量精度，能够与被测量信号的频率无关地在测量频带整体上测量测量精度。2.3本次设计采用的

8、方案根据频率的定义，频率是每单位时间的信号波的数量，因此，即使采用上述的各方式也能够进行频率的测量。 但是，本论文设计的是以单片机为电路控制系统的数字频率计，如果采用脉冲定时频率测量法，在测量低频时误差会变大。 如果采用不能保证使用脉冲周期频率测定法测定高频时的精度的脉冲数倍频测定法和脉冲数分频测定法，则精度提高，而控制电路采用复杂的脉冲平均周期的频率测定规则，则采用难以兼顾低频信号的测定的多周期同步频率测定法， 选通时间与被测定信号同步，消除了被测定信号计数中产生的1个误差，测定精度大幅提高，测定精度与被测定信号的频率无关，达到了测定频带整体的测定等的精度。 由于这次设计的个人水平有限，这次

9、设计根据需要采用了脉冲计时频率测量法。第三章系统硬件设计3.1数字频率计的工作原理3.1.1一般数字频率计的原理数字频率计是测量频率的最常用设备之一，其基本设计原理是首先对测量的信号进行放大整形形成脉冲信号，然后用控制电路控制计数器的计数，最后发送给解码显示电路进行显示，由此，基本的结构框图如图3-1所示。放大整形电路控制门计数器电路解码显示电路被测信号图3-1数字频率计的原理框图如从以上的图可以看出的，被测定信号通过放大整形电路获得被测定信号的脉冲信号，之后，通过由计数器进行计数，可以获得必要的频率值，最后发送给解码显示电路，将其显示。 但是，控制部分是最重要的，在整个系统的运营中发挥了重要

10、的作用。3.1.2基于单片机的数字频率计原理如前一节所述，控制电路在数字频率计中发挥着重要的作用。 采用什么样的控制电路，直接决定了数字频率计的性能。 从第二章的内容可以看出，为了得到高性能的数字频率计，本次采用单片机作为数字频率计的核心控制电路，以辅助少数的外部控制电路。 因此，本设计的系统包括信号放大器整形电路、分频电路、单片机AT89C51和显示电路等。 本系统在对被测量信号进行放大整形后，进入单片机开始计数，利用单片机内部的计时器的定时，将存储的数量经过相关处理发送给显示电路，由此进行显示。 以下介绍其系统原理框图。根据上述单片机的数字频率计的设计原理，可以设计由放大整形电路、分频电路

11、、多路数据选择器、AT89C51和显示电路构成的数字频率计，其系统框图如图3-2所示。放大整形电路分频电路多路数据选择器单片机电脑显示电路被测定信号图3-2系统结构框图3.2电路图如上所述，基于本次设计的单片机的数字频率计包括波形整形电路、分频电路、多路数据选择器、单片机和显示电路等几个模块。 因此，这次设计的数字频率计的电路有：由施密特触发构成的波形整形放大电路、由74LS90构成的分频电路、由74LS153四选一电路构成的四选一电路、AT89C51单片机、74LS138解码电路、74LS245拉式电路其电路图如图3-3所示。图3-3系统电路图3.3放大整形电路3.3.1放大整形电路的必要性

12、虽然单片机的计数只能计数脉冲波，但实际上需要测量频率的信号多种多样，有脉冲波、正弦波、三角波等，所以需要一个电路。 把被测信号变换成能计数的脉冲波。3.3.2放大整形电路的原理矩形脉冲波的整形电路有施密特触发、单稳态触发两种。 两个电路都可以由门和555计时器构成。 由于此次设计的单片机对数字频率计的放大整形电路的需求比较简单，故选择由555计时器组成的施密特触发作为信号波形整形电路，现将其全面介绍如下。施密特触发是脉冲波形变换常用的电路，以下简单介绍其特征、输出特性、工作原理等。一、特点1、电平触发：触发信号是变化缓慢的模拟信号，达到某个电平值时，输出电压急剧变化。 脉冲信号。2、电压滞后传

13、输：在输入信号从低电平上升的过程中，与电路状态切换时对应的输入电平和在从高电平下降的过程中与电路状态切换时对应的输入电平不同。利用上述两个特征，施密特触发不仅可以将边缘缓慢变化的信号波形整形为边缘陡峭的矩形波，也可以有效地除去叠加在矩形脉冲的高低电平上的噪声。二、输出特性1、同方向输出：此时，同方向输出，此时当时。 其同向输出特性图如图3-4所示。图3-4同方向输出特性图2、反向输出：此时成为反向输出，此时，其反向输出特性如图3-5所示。图3-5逆输出特性图正向阈值级别：与上升时发生突变的情况相对应的值。负阈值水平：下降时发生突变时对应的值。三、整形原理施密特触发器由门构成。1 .构成、由CM

14、OS反相器构成的施密特触发电路图如图3-6所示。图3-6由CMOS反相器构成的施密特触发电路图2、工作原理及其工作原理如表3-1所示。表3-1由CMOS反相器构成的施密特触发器的动作原理表3 .计算差电压(1)，求从0上升的时候。 在UI=VT时，G1、G2栅极刚要反转的瞬间，电路中流过电流的情况和电位的情况如图3-7所示。图3-7求vt时的电路图由求出求出：能够从式(3-1)导出式(3-2)。(3-1)(3-2)(2)，求从最大值下降的时候。 在G1、G2栅极即将反转之前的瞬间，电流流过电路的情况和电位的情况如图3-8所示。图3-8vt-是电路图由此，通过从式(3-3)导出式(3-4)，将式和式(3-5)及式(3-6)组合，能够得到式(3-7)，能够得到VT-的值。(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)(3)，求出差电压求和的话，用下面的式(3-8)求出。(3-8)如果VDD是一定的，就调整R1、R2，如果可以调整，就能够调整脉冲宽度。(4)、电压传输特性。 在UI=0时，UO=UOL是施密特同相输出，其电压输出特性如图3-9所示。图3-9电压传输特性(6)、逻辑符号。 施密特触发器中常见的逻辑符号如图3-10所示。图3-10施密特触发器的逻辑符号集成施密特触发，集成TTL电路的施密特触发有7413等。 典型的CMOS电路集成施密特触发器包括CC40106，