《液晶数字频率计-电子系统设计报告.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液晶数字频率计-电子系统设计报告.doc（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西安交通大学电子系统实践与设计报告电子系统设计报告 液晶数字频率计摘 要在我们现在所处的信息化数字化的时代，频率计作为一件很普通的电子器件，广泛应用于科研机构、学校、实验室、企业生产车间等场所。研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断完善、性价比的提高和实用性的加强。数字频率计的发展趋势是由模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。这样的转变使得频率计的设计更趋于自动化、智能化。 本设计采用两种方案设计频率计：方案一系统采用可编程逻辑器件（PLD）作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。方案二采用电子计数法测量频率。利用AT89C51单片机的定
2、时器/计数器0定时（定时时间为1s），同时用定时器/计数器1计数外部输入方波信号，两者同时启动，定时器0结束时，计数器1计数值即为方波信号的频率，从而实现20Hz-10kHz信号频率的实时测量。方案三采用多周期同步测频原理，实现20Hz-10kHz信号频率的等精度频率测量。用一块复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)芯片EPM7128SLC8415完成各种时序逻辑控制、计数功能，实现频率测量，在MAXPLUSII平台上完成CPLD的软件设计、编译、调试、仿真和下载。用AT89C51单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数
3、据运算处理、键盘扫描和液晶显示。本系统采用屏液晶显示，型号为MFC-G12864 。关键词：频率计， CPLD，单片机 ，键盘控制，LCD液晶显示目 录一、 引言二、 设计任务及具体要求三、 总体方案设计（原理）四、 具体设计过程五、 系统整体功能和操作过程说明六、 电路图和PLD图七、 系统调试、误差分析、测量参数确定八、 实验小结 附：源程序一、引言 科学技术发展到今天，数字化产品以其独特的优越性而越来越受到广大消费者的认可。频率计作为一件很普通的电子器件，广泛应用于科研机构、学校、实验室、企业生产车间等场所，因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不
4、断完善、性价比的提高和实用性的加强。数字频率计的发展趋势是由模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。这样的转变使得频率计的设计更趋于自动化、智能化。现在，单片机技术发展非常迅速，采用单片机来实现数字频率计的开发设计，实现频率的测量，不但测量准确，精度高，而且误差也很小。在这里，我们将介绍一种简单、实用的基于单片机AT89C52的数字频率计的设计和制作。二、设计任务及具体要求 1、实验目的与任务（1）通过查阅相关资料，深入了液晶数字频率计的工作原理；（2）学习可编程器件（主要功能在该器件中完成）的应用及硬件语言；（3）学习点阵液晶显示器的工作原理及使用方法；（4）复习“MCS-5
5、1单片机原理及C语言程序设计”，掌握其接口扩展包括：显示、键盘等；（5）设计液晶数字频率计的原理图，构建硬件平台； （6）采用汇编或C语言编写应用程序并调试通过； （7）制作出样机并测试达到功能和技术指标要求。 2、具体要求（1）技术要求：、频率测量范围20Hz-10KHz； 、液晶显示频率值及其单位； 、可根据按键操作改变显示字符大小；、布局合理大方；、五个功能按键。 （2）工作要求：、组建基于可编程器件的液晶数字频率计总体结构框图；、根据题目要求，选择元器件，通过理论分析和计算选择电路参数；、根据操作功能要求，确定键盘控制功能；、按设计要求确定显示合理安排格式及内容；、编写应用程序并调试通
6、过；、对系统进行测试和结果分析； 、撰写设计报告和答辩PPT。三、 总体方案设计系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、确定元器件封装规格、绘制线路图及PCB板图，以达到设计要求。 软件设计部分，首先在总体设计中完成系统的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。按照设计任务的要求，本液晶数字频率计主要可分为三个模块：频率测量、键盘控制和液晶显示。其中核心是频率测量，下面我们对频率测量模块进行分析，其他两模块在具体的方案设计中再作详细分析。1、频
7、率测量方法和原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。 目前频率测量的方法是比较多的，有模拟法、数字法、直读法、比较法、 电容充放电式 、电子计数、电桥法、谐振法、差频法、示波法、拍频法、李沙育图形法、测周期法等等。作为数字电路设计，我们重点从电子计数法中选择测频方法。电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法，它是用电子
8、计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等一系列优点，总体上其又可分为三种：直接计数测频法、测周法和等精度测评法。直接测频法：此法是记录在确定时间T内待测信号的脉冲个数Nx ，则待测频率Fx为： Fx=Nx/T （2-1）显然，时间T为准确值，测量的精度主要取决于计数的误差。其特点在于：测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。 测周期法：此法是在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率信号变化次数Ns。这种方法测出的频率是：Tx=Ns*T
9、s;Fx=1/Tx;（2-2） 此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。等精度测频法：前两种测频方法的计数值会不可避免的产生+/-1个字的误差，并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。为了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法；对于高频信号采用测频法，因此测试时很不方便，于是提出等精度测频法。等精度测频方法是在前两种方法上发展来的，它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数所产生的+/-1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。 从以上三种方法的原理对比可知等精度测频法最为优越，下面对等精度测法作详细介绍（1
10、）等精度测频原理波形图 图3-1等精度测频原理波形图 在测量的过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号（与之闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是要等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后与之闸门关闭信号（下降沿）到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次的测量过程。可以看出，实际闸门时间T与预置门时间t1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期，最关键的是此差值不影响最终的频率测量结果。 设在一次闸门时间T中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，标准信号的频率为Fs，则被测信号的
11、频率为 由上式可知若忽略标频Fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为 由上式可以看出，测量信号的相对误差与被测信号频率大小无关仅于闸门时间和标准信号频率有关，即实现了向整个测试频段的等精度测量。闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。标准频率可由稳定度好。精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。 2、试验方案的选择结合实验原理我们提出以下的两种实验方案：方案一：频率计主要功能由单片机来实现，PLD芯片只作辅助用。直接测频法和测周法均可以，两者各有利弊。本实验采用直接测频法，利用AT89C51单片机的定时器/计数
12、器1定时（定时时间为1s），同时用定时器/计数器0计数外部输入方波信号，两者同时启动，定时器1结束时，计数器0计数值即为方波信号的频率，从而实现20Hz-10kHz信号频率的实时测量。系统采用单片机AT89C51作为控制核心，门控信号由AT89C51内部的计数/定时器产生。AT89C51则完成运算、控制功能。由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。系统原理框图如图2-4所示。被测信号时间闸门计数器显示晶体振荡分频器（时基）单片机图3-2 方案一的原理框图液晶显示被测信号键盘输入电源单片机PLD芯片图3-3 方案一的硬件实现电路框图方案二：采用单片机
13、与CPLD结合使用等精度法测量频率。用一块复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)芯片EPM7128SLC8415完成各种时序逻辑控制、计数功能，实现测频模块。在MAXPLUSII平台上，用VHDL语言编程完成CPLD的软件设计、编译、调试、仿真和下载。用AT89C51单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描，显示等功能。系统将单片机AT89C51的控制灵活性及CPLD芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高，测频范围宽、精度高等优点。具体的测频方
14、法采用等精度法测量频率。 系统原理图如下： 图3-4方案二的原理框图 图3-5方案二硬件连接框图四、具体设计过程如前所述，本系统设计主要分为三个模块：频率测量、功能按键、LCD显示输出。因为本实验需要测量的只是标准方波信号，故不需要进行信号的前端处理。只需将标准被测信号（幅值等均满足要求的方波)输入频率测量系统即可。方案一、二的区别仅在于频率测量模块。1、方案一测频模块的具体设计本方案以AT89C51单片机为核心，利用他内部的两个16位定时器计数器及五个中断源完成待测信号频率的测量。单片机内部的专用寄存器TMOD中，有一个控制位(C/T)，分别用于控制定时器/计数器0和1是工作在定时器方式还是计数器
