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1、. . . . 目 录一、引言11.1 数字频率计的发展和意义11.2 数字频率国外的发展形势1二、系统总体设计32.1 系统设计要求32.2 测频方法32.3 系统设计思路32.4 系统设计框图4三、系统硬件设计53.1 单片机模块53.1.1 AT89C52介绍53.1.2 单片机引脚分配63.1.3 复位电路63.1.4 定时/计数器63.2 电源模块73.2.1 电源变压器83.2.2 整流电路83.2.3 滤波电路93.2.4 稳压电路93.2.5 电源模块原理图93.3 放大整形模块103.3.1 与非门74LS00103.3.2 放大整形模块原理图103.4 分频模块113.4.
2、1 分频器74LS161芯片113.4.2 多路选择器74LS151芯片123.4.3 分频模块原理图123.5 显示电路133.5.1 频率数值显示电路133.5.2 频率数值单位显示电路14四、系统软件设计154.1 开始154.2 初始化模块154.3 频率测量模块和量程自动切换模块164.4 显示模块174.5 延时模块17五、数字频率计仿真185.1 电源模块仿真185.2 放大整形电路仿真195.2.1 仿真软件 MULTISIM 10.0仿真整形电路195.2.2 仿真放大整形电路195.3 频率计仿真205.3.1 用KEIL软件205.3.2 使用软件Proteus仿真频率计
3、215.3.3 频率计仿真运行调试22六、结论27参考文献28致29附录A30程序源代码30附录B36仿真效果图36 . . . 基于单片机的数字频率计一、引言1.1 数字频率计的发展和意义随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数
4、字技术。数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。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，测量围更宽和制作成本更低的优点。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代码能够实现不同的功能，从而大大降低了制作成本。数字频率计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
5、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人士的首选，应用最为广泛。1.2 数字频率国外的发展形势在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。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。专用计数器指专门用来测量某种单一功能的计数器。按频段分类有低速频率计数器、中速频率计数器、高速频率计数器和微波频率计数器之分。其中低速频率计数器最高计数频率小于10MHZ；中速频率计数器最高频率计数频率为10到100MHZ；高速频率
6、计数器最高计数频率大于100MHZ；微波频率计数器的测频围为1到80GHZ或更高。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，还可以测量方波的脉宽。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，比如有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，无法实时快速地跟踪捕捉到
7、被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确地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围。目前，市场上的频率计厂家可分为三类：中国大陆厂家、中国厂家、欧美厂家。其中，欧美频率计厂家所占有的市场份额最大。欧美频率计厂家主要有：Pendulum Instruments 和 Agilent科技。 现如今，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而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，因此提出用AT89C52单片机设计频率计来解决这些问题，从而实现高精度，宽围测量的
8、频率计的设计。二、系统总体设计2.1 系统设计要求本课题设计技术要求：1. 测量围10HZ2MHZ；2. 用四位数码管显示测量值；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。2.2 测频方法在频率、速度等脉冲类测量过程中，采集指定的脉冲个数，与过程时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定数采样或定脉冲采样。这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法。在频率、速度等脉冲类测量过程中，在指定的时间，计量脉冲个数，让脉冲个数与指定的时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉
9、冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法。目前测量频率的方法主要有脉冲定时测频法，脉冲周期测频法，脉冲倍频测频法和脉冲分频测频法。本文采用脉冲定时测频法和脉冲分频测频法。2.3 系统设计思路以单片机AT89C52单片机为核心，设计一种数字频率计，它由放大整形电路、分频电路、多路选择器、单片机、显示电路等组成，应用单片机中的定时/计数器和中断系统等完成频率的测量。在整个设计过程中，放大整形电路是把非矩形波转化成矩形波，这样单片机才能识别；分频电路是为了测量更高频率的信号，多路数据选择器是用来选择输入信号的；单片机用来测量频率和切换量程等；显示电路用来显示频率值。所制作的频率计采用外部十分频，实现1
10、0Hz2MHz的频率测量，而且可以实现量程自动切换，通过四位数码管显示频率值，再用不同的LED发光二极管显示频率值的单位。2.4 系统设计框图本课题设计以单片机为核心，设计一种数字频率计，应用单片机中的定时器/计数器和中断系统等完成频率的测量。其中包括放大整形模块、分频模块、电源模块、单片机模块、显示模块等。图1 频率计总体设计框图三、系统硬件设计根据系统设计的要求，频率计实际需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分：单片机模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块，下面将分别给予介绍。3.1 单片机模块以AT89C52单片机为控制核心，来完成对待测信号的计数、译码和显示以及对分频比的控制
11、，利用其部的定时计数器完成待测信号频率的测量。单片机AT89C52部具有3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。3.1.1 AT89C52介绍AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。图2 PDIP封装的AT89C52引脚图3.1.2 单片机引
12、脚分配根据系统设计及各模块的分析得出，单片机的引脚分配如下表所示。表1 单片机端口分配表模 块端口功能显示模块P0.0-P0.4、P2.0-P2.7数码管频率值显示P1.4-P1.6LED单位显示分频模块P1.0-P1.2通道选择P1.3清零复位模块RST、EA复位3.1.3 复位电路有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，因此在程序开发过程中需要复位。本文选用手动复位，通过复位可以再次测量信号或测量新的信号。复位电路通常分为两种：上电复位（图3）和手动复位（图4）。 图3 上电复位 图4 手动复位3.1.4 定时/计数器方式寄存器TMOD：特殊功能寄存器TMOD为T0、T1的工作方式寄存器，
13、其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0 T1方式字段 T0方式字段TMOD的低4位为T0的方式字段，高4位为T1的方式字段，它们的含义是完全相同的。1.工作方式选择位M1,M0M1,M0两位确定计数器的结构方式，其对应关系如下表：表2 计数器结构方式功能表M1 M0工作方式 功 能 说 明0 1 方式0 13位计数器0 1 方式1 16位计数器1 0 方式2 初值自动重新装入的8位计数器1 1 方式3仅适用于T0，分为两个8位计数器，T1在方式3停止计数2. 定时器方式和外部事件计数方式选择位C/TC/T=0为定时方式。在定时方
14、式中，以振荡器输出时钟脉冲的十二分频信号作为计数信号，也就是每一个机器周期定时器加“1”。若晶振为12MHZ，则定时器计数频率为1MHZ，计数的脉冲周期为1us。定时器从初值开始加“1”计数直至定时器溢出所需的时间是固定的，所以称为定时方式。C/T=1为外部事件计数方式，这种方式采用外部引脚（T0为P3.4，T1为P3.5）上的输入脉冲作为计数脉冲。部硬件在每个机器周期采样外部引脚的状态，当一个机器周期采样到高电平，接着的下一个机器周期采样到低电平时计数器为1，也就是说在外部输入电平发生负跳变时为1。外部事件计数时最高计数频率为晶振频率的二十四分之一，外部输入脉冲高电平和低电平时间必须在一个机器周期以上。对外部输入脉冲计数的目的通常是为了测试脉冲的周期、频率或对输入的脉冲数进行累加。3. 门控位GATEGATE为1时，定时器的计数受外部引脚输入电平的控制（INT0控制T0
