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1、1滨江学院课程论文（设计）院 系 电子工程系 专 业 通信工程 学 号 二一三 年 六 月 一 日2基于 CPLD数字频率计的设计1.基础介绍频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。AT89C52 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。以 AT89C52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。其待测频率值使用四位共阴极数码
2、管显示。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。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
3、度快，体积小等优点。2系统总体方案设计2.1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：AT89C52 单片机开发板、放大整形模块、分频模块，下面将分别给予介绍。2.1.1 单片机开发板原理图2.1.2放大整形模块由于输入的信号可以是正弦波、三角波以及方波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，3所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减
4、为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。 5VQ10DGKR2479ULSA6BuFC8x图 2 放大整形电路2.1.3分频设计模块分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率和周期测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。可用 74161进行分频。采用 74LS161和 74LS151设计分频电路如图 3所示。ENPTOMXYI图 3 分频电路原理图42.1.4 显示模块频率值显示电路采用八位共阴极数码管动态显示频率计被测数值。频率、周期、脉宽由独立按键控制转换。数码管介绍常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制
5、成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型.两种数码管内部原理如图 11所示。图 4 两种数码管内部原理图2.2系统的软件设计系统软件设计主要采用模块化设计，叙述了各个模块的程序流程图，并介绍了软件 Keil和 Proteus的使用方法和调试仿真。2.2.1 软件模块设计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，信号频率测量模块和显示模块等模块组成。系统软件主流程如图 5所示。5开始系统初始化 ： 不分频 ， 定时器 0 ： 方式 1 ，计数器 1 ： 方式 1 。键盘扫描子程序判断键值 k e y -v a
6、 l u es e t = 2 : 测脉宽s e t = 0 : 测频率 s e t = 1 : 测周期第三个键按下 第一个键按下第二个键按下显示频率显示周期显示脉宽结束图 5 程序主流程图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。3频率计的系统调试频率计的系统调试包括系统软、硬件联合调试。硬件调试包括整形模块、分频模块等模块，软件调试就是通过修改程序，使频率计功能完善，提高频率计的测量精度。使用软件仿真，调试仿真结果，同时使用数字万用
7、表和示波器测试输出电压值和输出波形，调试出正确的软硬件电路。3.1 硬件调试3.1.1整形模块调试整形电路采用与非门 74LS00构成施密特触发器，它对正弦波、三角波等各种波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲。整形电路在 Multisim10中进行电路的仿真与调试，在 Multisim10绘制的整形电路如图 17所示。选择虚拟函数发生器输入不同的信号，同时使用数字示波器测的输出波形，经测试施密特触发器可以把1Hz-1MHz的正弦波等波形整形为方波信号。6U1A74LS00DU2B74LS00DU3C74LS00D23XFG10XSC1A BExt Trig+_ + _4D31N414851图 6
8、整形电路仿真、3.1.2 分频模块调试为了达到 1Hz-1MHz的频率范围，使用外部分频，搭建分频电路，测试电路基本正确，选择函数发生器输入 1MHz以下不同频率的的方波信号，同时使用数字示波器测的输出波形，经观察分频电路可以把1MHz以下不同频率的方波波形进行十分频，示波器测得输入输出波形。3.2系统调试3.2.1 系统软硬件调试软件系统测试只能测试方波信号，外加硬件整形电路，可以测试正弦波、三角波等各种波形的频率值，把各模块组合在一起，做成完整的频率计。经过不断的软硬件联合调试，修改程序和硬件，最终符合设计功能要求。为了衡量这次设计的频率计的工作情况和测量精度，我们对系统进行了调试。用这次设计的频率计对信号进行了测量，使用函数发生器输出各种波形，由实物频率计测得频率，记录数据。实际测得频率范围没有仿真结果那么高，只能稍微超过 1MHz。
