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1、 陕西理工学院毕业论文（设计）第 1 页共 45 页引言在设计单片机和数字电路时经常需要测量脉冲个数、脉冲宽度、
2、脉冲周期、脉冲频率等参数,虽然使用逻辑分析仪可以很好地测量这些参数,但其价格昂贵。且实现测量的数字化、自动化、智能化已成为各类仪器仪表设计的方向,这里介绍一种用单片机控制的、全自动、数字显示的测量频率的方法。频率计是我们在电子电路试验中经常会用到的测量仪器之一，它能将频率用数码管或液晶显示器直接显示出来，给测试带来很大的方便，使结果更加直接；且频率计还能对其它多种物理量进行测量，如机械振动的频率、声音的频率等，都可以先转变成电信号，然后用频率计来测量，研究频率计的设计与制作将会对我们的生活有很大意义。现代的频率计多是用数码管显示的，其结果不明确，表示也不直接，研究液晶显示的频率计对频率计的发展
3、很有意义。数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。 因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。它的基本功能是测量正弦信号.方波信号,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量。 它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。数字式频率计是基于时间或频率的 A/D 转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种新型的数字测量仪器。由于数字电路的飞速发展，数字频率计的发展也很快。电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路
4、。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。纵观现在的数字频率计，其基本原理都是相同的，频率是单位时间（ 1S ）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。但现在的频率计其显示部分都是通过 LED 数码管显示的，显示内容是 BCD 码，不直观，若用 LCD 液晶来显示
5、，会使输出结果更直接，便于观察。正因为如此，所以未来数字频率计的发展必定会向用液晶显示的方向发展。 陕西理工学
6、院毕业论文（设计）第 2 页共 45 页1 绪论1.1 研究背景电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。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。集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路两大类。数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广泛地深入到各个应用领域。测量频率是电子测量技术中最常见的测量之一，不少物理量的测量
7、, 如时间、速度等都涉及到或本身可转化为频率的测量。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号，如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。 因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。1.2 发展现状数字频率计发展到现在，有基于 CPLD 的数字频率计的设计，基于 VHDL 语言的数字频率计的设计，还有基于单片机的简易数字频率计等。CPLD 是一种新兴的高密度大规模可编程逻辑器件，它具有门阵列的高密度和 PLD 器件的灵活性和易用性，目前已成为一类主要的可编程器件。可编程器件的最大特点是可通
8、过软件编程对其器件的结构和工作方式进行重构，能随时进行设计调整而满足产品升级。使得硬件的设计可以如软件设计一样方便快捷，从而改变了传统数字系统及用单片机构成的数字系统的设计方法、设计过程及设计概念，使电子设计的技术操作和系统构成在整体上发生了质的飞跃。VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成电路硬件描述语言）诞生于 1982 年，是由美国国防部开发的一种快速设计电路的工具，目前已经成为 IEEE（The Institute of Electrical and Electronics E
9、ngineers）的一种工业标准硬件描述语言。相比传统的电路系统的设计方法，VHDL 具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下（Top to Down）和基于库（LibraryBased）的设计的特点。单片及技术在短短的 20余年间已发展成为计算机技术中一个非常有活力的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。1.3 单片机的发展目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片三个方向发展。自 1975 年美国德克萨斯仪器公司第一块单片机芯片 TMS-1000 问世以来，在短短的 20 余年间，单片机技术已发展成为计算机技术中一个非常有活力的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应
10、用环境。按单片机的生产技术和应用对象，单片机先后经历了 4 位机、8 位机、16 位机、32 位机几个有代表性的发展阶段。单片机与通用微机相比较，在结构、指令设置上均有其独特之处，其主要特点有：1） 单片机的存储器 ROM 和 RAM 是严格区分的，ROM 称为程序存储器，只存放固定常数及数据
11、; 陕西理工学院毕业论文（设计）第 3 页共 45 页格。RAM 则为数据存储器，用于工作区及存放用户数据。2） 采用面向控制的指令系统。3） 单片机的输入/输出引脚通常是多功能的。4） 单片机的外部扩展能力强。从 80 年代单片机引入我国，单片机已广泛地应用于电子设计中。单片机的应用迅速发展，其性价比高，大量的外围接口电路，使基于单片机的电子系统设计方便，周期缩短，而且不断发展。新型单片机支持高级语言，进一步延伸
12、了其发展空间。 陕西理工学院毕业论文（设计）第 4 页共 45 页2 方案论证与选择2.1 方案一 基于 VH
13、DL 语言的频率计的设计设计的基于 VHDL 语言频率计的系统原理框图系统原理框图 6如图 2.1 所示。图 2.1 设计的基于 VHDL 语言频率计的系统原理框图各模块说明如下：(1) 标准信号发生器, 开关控制电路。标准信号发生器产生1kHz 基准信号。开关控制电路对键盘输入的启停信号进行处理（2）分频器当收到使能信号, 分频器启动, 将标准1kHz 信号经3次10分频, 得到100Hz, 10Hz, 1Hz 信号。1kHz, 100Hz, 10Hz 信号作为计数器闸门信号来控制计数, 以实现不同量程。（3） 计数控制器计数控制模块将输入的分频信号处理, 产生计数闸门信号、计数清零信号和锁
14、存信号。（4） 计数器采用3 个十进制计数器级联作为计数模块。闸门信号与待测信号相与作为计数输入。计数结果直接输出给锁存器。（5）锁存器开 关 控 制分 频 器分频器标 准 信 号 发 生 器计数控制器锁 存 器计 数 器 译码显示电路启 停 信 号量程选择待测信号闸门信号小 数 点1K 输出使能100Hz 或 10Hz闸门信号锁存信号时钟使能
15、 陕西理工学院毕业论文（设计）第 5 页共 45 页每当锁存使能信号来临, 锁存器便将锁存结果读入、锁存。锁存器还完成量程选择功能。锁存器还根据当前量程, 选择合适的小数点位置输出。（6）译码显示电路由于小数点由锁存器输出, 故在此仅考虑数码管7 段驱动，7段译码器将计数值译成相应的7 段数码驱动值。2.2 方案二 基于单片机的频率计的设计设计的基于单片机频率计
16、的原理框图如图 2.2 所示。图2.2 设计的基于单片机频率计的原理框图复位电路采用上电复位方式，每次单片机上电工作时使单片机处于复位状态，即初始状态，为测量频率作好准备。时钟电路中片内高增益反相放大器通过 XTAL1、XTAL2 外接作为反馈元件的晶体（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟，由此向单片机提供振荡脉冲。AT89S51单片机内部具有2个16位的定时器/计数器，并可以在定时或计数溢出时产生中断。将被测信号通过P3.5口送入单片机，将T0设置为定时方式，每50ms产生一次中断，产生20次中断所用时间正好为1S，将T1设置为计数方式，T1的初值设
17、置为0，计65535个脉冲后产生一次溢出中断，在T1中断溢出时对溢出次数进行计数（计数值为N） 。1S内T1计的总的脉冲数为65535NTH1256TL1，这个数值就是被测信号的频率值。单片机计的脉冲数值经过转换送到液晶显示模块1602，从而显示被测信号的频率，测量结果用十进制表示，很直接。AT89S51单 片 机复位电路时钟电路液 晶 显 示 模 块 1602被测信号 &
18、nbsp; 陕西理工学院毕业论文（设计）第 6 页共 45 页2.3 方案的选择基于VHDL语言的频率计设计的优点：VHDL语言,对设计的描述具有相对独立性, 设计者可以不懂硬件结构, 降低了硬件电路设计难度。利用EDA工具maxplus II 对源程序进行编译、
19、选配、优化、逻辑综合, 自动地把VHDL描述转变成门级电路, 进而完成电路分析、纠错、验证、自动布局布线、仿真等各种测试工作。最后通过编程电缆下载数据流, 将所设计内容下载到所选中的FPGA器件中, 即完成设计工作。这种设计方法减少了电路设计的时间和可能发生的错误, 降低了开发成本。基于VHDL语言的频率计设计的缺点：FPGA大部分是基于 SRAM编程 ,编程数据信息在系统断电时会丢失 ,每次上电时 ,需从器件的外部存储器或计算机中将编程数据写入，布线结构和逻辑实现复杂，其编程信息需存放在外部存储器上 ,需外部存储器芯片 ,且使用方法复杂 ,保密性差。基于单片机的频率计的设计的优点：单片机在控
20、制领域中有很多优点，如体积小，成本低，运用灵活，抗干扰能力强，可以方便地实现多机和分布式控制。并且利用单片机设计的频率计原理框图简单，所用元器件少，电路不易出错，其程序存放在内部存储器上，不需要外部存储器芯片，使用方法简单。且单片机便宜，稳定，开发简单，通用性好。基于单片机的频率计的设计的缺点：所测信号的频率范围窄，若要扩大频率范围需外加分频器。显示部分采用1602，显示数据时会有闪烁，且显示速度慢，有延迟现象。综合比较上述两种方案，选择用单片机来设计频率计，显示部分用液晶显示模块，以使测量结果更加直接、明确。 陕西理工学院毕业论文（设计）第 7 页
