自适应数字频率计综述报告 信处112王薪博小组.docx
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自适应数字频率计综述报告信处112王薪博小组
电子技术综合
设计
自适应数字频率计设计
组员姓名(学号):
专业:
班级:
日期:
2013年12月26日
1.1频率计概述2
1.2频率计发展现状及研究概况3
1.3本课题研究背景及主要研究意义4
1.4数字频率计的种类5
第二章 方案设计5
2.1总体方案6
2.2各模块方案设计7
2.2.1分频模块9
2.2.2选择模块10
2.2.3控制模块11
2.2.4显示模块12
第三章 详细设计13
3.1硬件详细设计14
3.1.1单片机AT89C5215
3.1.2测量数据显示电路16
3.1.3分频选择电路17
3.2软件详细设计18
3.2.1定时器设计流程19
3.2.2中断服务设计流程21
3.2.3显示部分设计流程23
3.2.4切换量程设计流程24
第四章调试与结果25
4.1调试环境26
4.2调试与结果分析26
4.2.1分模块调试29
4.2.2系统联调30
第五章结论31
结语32
参考文献33
致谢34
附录35
1硬件设计原理图:
36
2硬件设计PCB图:
37
3数字频率计测量频率程序:
38
基于单片机自适应数字频率计的设计与实现
摘要
本组提出设计数字频率计的方案主要以单片机(STC89C52)为工作核心,以74LS393实现分频(2到256分频),配合CD4051控制输入单片机位选,利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数,实现测量频率范围为1Hz-9999KHz的测量。
编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程,并把测出的频率数据送到显示电路显示。
核心是单片机,使用的元器件相对较少,原理电路简单,调试过程中只需改变程序的设定即可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试量程的功能。
关键词:
数字频率计;单片机AT89C52;自适应频率测量
第一章 背景和意义
1.1频率计概述
频率是电子学测量的一个基础参数,同时它在工程应用中也是一个非常重要的参数指标。
因此,在电子测量领域中频率测量已经成为最重要的测量之一。
伴随着技术的不断发展科学的不断提高,人们对产品的要求也会相应的水涨船高,数字化的电子产品越来越受到欢迎。
频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器,广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合,因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。
数字频率计具有体积小、携带方便;功能完善、测量精度高等优点,因此在以后的时间里,必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。
比如:
将数字频率计稍作改进,就可制成既可测频率,又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。
将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来,制成各种智能仪器仪表,应用于航空航天等科研场所,对各种频率参数进行计量;应用在高端电子产品上,对其中的频率参数进行测量;应用在机械器件上,对机器振动产生的噪声频率进行监控;等等。
研究数字频率计的设计和开发,有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。
以前的频率计大多采用TTL数字电路设计而成,其电路复杂、耗电多、体积大、成本高。
随后大规模专用IC(集成电路)出现,如ICM7216,ICM7226频率计专用IC,使得频率计开发设计变得简单,但由于价格较高,因此利用IC设计数字频率计的较少。
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。
[1]
1.2频率计发展现状及研究概况
由于当今社会的需要,对信息传输和处理的要求不断提高,对频率的测量的精度也需要更高更准确的时频基准和更精密的测量技术。
而频率测量所能达到的精度,主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。
目前,测量频频的方法有直接测频法、内插法、游标法、频差倍增法等等。
直接测频的方法较简单,但精度不高。
频差倍增多法和周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法,这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大,再通过混频器获得差拍信号,用电子计数器在低频下进行多周期测量,能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下,得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度,但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。
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字技术。
数字频率计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器,不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都高的信号,也要能方便的改变频率。
数字频率计的实现方法主要有:
直接式、锁相式、直接数字式和混合式
(1)直接式
优点:
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。
(2)锁相式
优点:
相位同步的自动控制,制作频率高,功耗低,容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
(3)直接数字式
优点:
电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
1.3本课题研究背景及主要研究意义
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器,所以频率的测量就显得更为重要。
在数字电路中,频率计属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。
在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。
本课题采用的是直接测频式的频率计,设计原理简单、电路稳定、测量精度高,大大的缩短了生产周期与研发周期。
1.4 数字频率计的种类
现在市面上通常使用的数字频率计主要有的计数器。
此种数字频率计是较早时期的电子产品,到现在中小规模集成电路应用技术不断完善时,它的应用也不断得到加强。
但很明显,此种数字频率计已处于淘汰阶段,由于其自身不具备智能化、自动化,完全借助于机械示的操作,对一些智能的频率计功能已无法完成,所以,现在使用这种数字频率计的已经很少。
(2)采用现场可编程门阵列(CPLD/FPGA)作为系统控制核心制成的数字频率计。
它通过EDA技术和硬件描述语言(VHDL)对进行数字频率计的设计。
这种技术是在近几年才发展起来的新技术,具有很大的发展空间和应用价值。
(3)采用单片机为系统控制核心的数字频率计。
这种数字频率计具有非常明显的优势:
体积小,所用芯片少,精度高,测量范围广,易于扩展功能,智能化、自动化强度高,便于控制。
因此采用单片机技术设计数字器件已逐渐成为主流。
第二章 方案设计
2.1总体方案设计
本课题设计的是一种以单片机为主控制的自适应频率计。
可以实现自动判别输入周期信号(1-9999kHz)的特点。
要求输入信号为方波,正向输入峰值为5V(实测为4.93V)。
该频率计首先将不同频率范围的方波信号直接由接口电路送给单片机,由单片机的计数器对其进行计数,最后通过显示电路显示数值。
数字频率计主要由以下几部分组成:
(1)分频电路;
(2)频率测量电路;(3)显示电路。
因为单片机内部振荡频率很高,所以一个机器周期的量化误差相当小,可以提高低频信号的测量的准确性。
本课题主要是以单片机AT89C52为核心,通过分频、测频电路,以及软件程序的编写,实现方波频率的显示。
整体设计思路可用框图2.1表示。
框图中各部分的作用及所采用的器件说明如下:
图2-1设计方案框图
2.1.1分频模块
测频的原理归结成一句话,就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。
被测信号,通过输入通道的放大器放大后,进入整形器加以整形变为矩形波,并送入主门的输入端。
由晶体振荡器产生的基频,按十进制分频得出的分频脉冲,经过基选通门去触发主控电路,再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令,用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波,至十进制计数电路进行直接计数和显示。
若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N,则频率的表达式为式:
(2-1)
图2-2说明了测频的原理及误差产生的原因。
时基信号
待测信号
丢失(少计一个脉冲)计到N个脉冲多余(比实际多出了0.x个脉冲)
图2-2测频原理
本设计要求自动判别输入周期频率为1Hz-9999KHz信号。
由于单片机的计数频率上限较低(12MHz晶振时,约为500KHz),所需要对高频被测信号进行硬件欲分频处理,采用74LS393进行分频处理。
74LS393有两套完全相同的4位二进制计数器,因此一片393可实现2分频、4分频、8分频、直到256分频。
其连接方法为:
CLK脚接需被分频的信号;MR脚为清零信号(高电平有效),一般直接接地;而Q0,Q1,Q2,Q3脚分别为2,4,8,16分频输出脚。
74LS393芯片介绍:
双四位二进制计数器(异步清零),异步清零端为高电平时,不管时钟1A,2A状态如何,即可以完成清除功能。
当异步清零端为低电平时,在1A、2A脉冲下降沿作用下进行计数操作。
外接管脚如图2-3所示。
图2-374LS393外接管脚
其真值表如图2-4所示。
图2-474LS393真值表
对应原理图如图2-5。
图2-5分频模块
2.1.2选择模块
设计采用74LS393进行分频处理后,需要再用CD4051将输入信号送入核心控制器件单片机中完成运算、控制及其显示功能。
CD4051就是一种单端8通道多路开关,它带有三个输入端A,B,C,和一个禁止输入端INH。
从A,B,C输入的信号来选择8个通道中的一个。
当禁止端INH为1时,译码器输出为全0,此时八个通道全部断开,即禁止输入。
当INH输入为0时,译码器正常工作,[6]此时工作如如表2-1。
表2-1CD4051工作原理
输入端口C
输入端口B
输入端口A
说明
0
0
0
译码器X0端输出1,通道0接通
0
0
1
译码器Y1端输出1,通道1接通
0
1
0
译码器Y2端输出1,通道2接通
0
1
1
译码器Y3端输出1,通道3接通
1
0
0
译码器Y4端输出1,通道4接通
1
0
1
译码器Y5端输出1,通道5接通
1
1
0
译码器Y6端输出1,通道6接通
1
1
1
译码器Y7端输出1,通道7接通
CD4051芯片介绍:
单8通道数字控制电子开关,有三个二进制控制输入端A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
CD4051引脚功能说明如表2-2。
表2-2CD4051引脚功能说明
引脚号
符号
功能
1、2、4、5、12、13、14、15
IN/OUT
输入/输出
9、10、11
ABC
地址端
3
OUT/IN
公共输出/输入端
6
INH
禁止端
7
VEE
模拟信号接地端
8
VSS
数字信号接地端
16
VDD
电源
对应原理图如图2.6所示。
图2-6选择模块
2.1.3控制模块
8位单片机是MSC-51系列产品升级版,有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后,利用自身优势技术——(掉电不丢数据)闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展,同时使用新的半导体生产工艺,最终得到成型产品。
与此同时,世界上其他的著名公司也通过基本的51内核,结合公司自身技术进行改进生产,推广一批如51F020等高性能单片机。
AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间,支持最大64K外部存储扩展。
根据不同的运行速度和功耗的要求,时钟频率可以设置在0-33M之间。
片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。
可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。
同时,该单片机支持计算机并口下载,简单的数字芯片就可以制成下载线,仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。
根据不同场合的要求,这款单片机提供了多种封装,本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况,使用双列直插DIP-40的封装。
[7]
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
复位电路通常分为两种:
上电复位(图2.7)手动复位(图2.8)本次设计选用上电复位。
图2-7上电复位图2-8手动复位
高频率的时钟有利于程序更快的运行,也有可以实现更高的信号采样率,从而实现更多的功能。
但是告诉对系统要求较高,而且功耗大,运行环境苛刻。
考虑到单片机本身用在控制,并非高速信号采样处理,所以选取合适的频率即可。
合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处,本次设计选取22.1184MHz接入XTAL1和XTAL2两个引脚,并连接2个20pF的瓷片电容帮助起振。
AT89S52单片机最小系统如图2.9所示
图2-9单片机最小系统
2.1.3显示模块
常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成,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。
LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似,只是正向压降较大,正向电阻也较大。
在一定范围内,其正向电流与发光亮度成正比。
由于常规的数码管起辉电流只有1~2mA,最大极限电流也只有10~30mA,所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时,一定要串加限流电阻,以免损坏器件。
我们所设计的是共阴的数码管。
[8]
两种数码管内部原理如图2-10所示
图2-10数码管内部原理
数码管显示模块如图2-11所示。
图2-11数码管显示模块
第三章 详细设计
3.1硬件详细设计
频率计由单片机AT89C52、信号处理电路、分频电路、测量数据显示电路所组成,
系统硬件实现框图如图4.1所示。
图3-1系统硬件实现框图
本次采用单片机设计的数字频率计主要实现以下几个功能:
(1)用4数码管显示HZ、KHZ两个频段的待测脉冲信号的频率值。
(2)频率测量范围从1HZ~10MHz。
(3)测量方波的频率值。
3.1.1单片机AT89C52
频率计由单片机AT89C52、信号处理电路、分频电路、测量数据显示电路所组成,
在实际的设计中,将AT89C52的P1口设置为接收数据端口,将P3口设置为第二功能。
P3.4用于直接测频率时脉冲信号的计数端;P3.5用于定时[9]。
将P0口和P2口设置为发送数据端口。
P0口的各引脚接到RP1的输入端,用于段驱动;P2口用于位驱动。
单片机复位端(RST)可采用内部软件复位,也可采用外部手动复位,实际操作也很方便。
这里采用外部手动复位,为图4.3且晶体振荡器电路如图4.4所示:
图3-2晶体振荡器电路
图3-3单片机复位电路
3.1.2测量数据显示电路
如图2-10所示。
一般而言,数据显示有静态显示和动态显示两种。
所谓静态显示,就是当显示器显示某一个字符时,相应的发光二极管恒定地导通和截止。
优点是显示稳定,显示亮度大;缺点是使用的数码管数量少。
正是因为这个缺点和本设计的要求,数字频率计的显示电路选择了采用动态扫描显示。
所谓动态显示,就是LED显示器一位一位地轮流电亮(扫描)。
对于每一位LED显示器来说,一段时间点亮一次[10]。
LED显示器的亮度既与导通电流有关,也与LED显示器点亮时间和间隔时间的比例有关。
通过调整LED显示器的导通电流和时间比例参数,实现较高亮度且稳定的显示。
LED显示器采用共阴极动态显示形式,4LED用一四位集成的数码管连接组成。
频率计数结果以BCD码的形式存放在89C52的存储单元中,通过P0口接到74LS245上,控制4位LED的段选码;通过P3.3口接到CD4051上,控制4位LED的位选码。
根据本设计的原理图知,数据是从A端传送到B端,因此设T/
=1,即是高电平有效。
另外,由于51单片机的P0口没有上拉电阻,在将P0口设置为输出端时,必须考虑在段驱动的每一段位上接入上拉电阻,使LED显示管能够工作。
我们知道,单片机的P1口扫描输出时总有一位为高电平,如果没有反相驱动器将这一位的高电平变成低电平,那在LED上显示出来的将是乱码。
所以在编程与设计电路的时候格外注意段选与位选码的设定。
因为,当地一次实物做出来后,数码管是没有任何显示的(位选码,与原理图不符)。
下图4-5便是测量数据显示电路。
图3-4测量数据显示电路
3.1.3分频选择电路
分频模块:
考虑单片机外部计数,使用12MHz时钟时,最大计数速率为500kHz,因此需要外部分频。
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74LS393进行外部八分频。
74LS393是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器[11],可以灵活的运用在各种数字电路,以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。
74LS161引脚如图3-5所示。
图3-574LS393引脚图
时钟CP和四个数据输入端P0~P3,清零/MR,使能CEP,CET,置数PE,数据输出端Q0~Q3,以及进位输出TC(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)。
表4为74LS393的真值表。
表3-174LS393的真值表
清零
RD
预置
LD
使能
EPET
时钟
CP
预置数据输入
ABCD
输出
Q0Q1Q2Q3
L
×
××
×
××××
LLLL
H
L
××
上升沿
ABCD
ABCD
H
H
L×
×
××××
保持
H
H
×L
×
××××
保持
H
H
HH
上升沿
××××
计数
其中RD是异步清零端,LD是预置数控制端,A、B、C、D是预置数据输入端,EP和ET是计数使能端,RCO(=ET.QA.QB.QC.QD)是进位输出端,它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
计数过程中,首先加入一清零信号RD=0,使各触发器的状态为0,即计数器清零。
RD变为1后,加入一置数信号LD=0,即信号需要维持到下一个时钟脉冲的正跳变到来后。
在这个置数信号和时钟脉冲上升的共同作用下,各触发器的输出状态与预置的输入数据相同,这就是预置操作。
接着EP=ET=1,在此期间74LS393一直处于计数状态。
一直到EP=0,ET=1,计数器计数状态结束。
从74LS393功能表功能表中可以知道,当清零端CR=“0”,计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”,这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时,在CP信号上升沿作用后,74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3,D2,D1,D0的状态一样,为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后,计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO,其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能,一片74LS393可以组成16进制以下的任意进制分频器。
3.1软件详细设计
本设计中软件流程如图3-6所示。
为使图1所示流程能顺利地完成预期的功能,在初始化部分,分频部分,频率测量,数据显示部分都分别设计了流程图。
软件设计流程图如图3-6。
图3-6软件设计流程图
首先定时/计数器的计数寄存器清0,运行控制位TR置1,启动对待测信号的计数。
计数闸门由软件延时程序实现,从计数闸门的最小值(即测量频率的高量程)开始测量,计数闸门结束时TR清0,停止计数。
计数寄存器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。
判断该数的最高位,若该位不为0,满足测量数据有效位数的要求,测量值和量程信息一起送到显示模块;若该位为0,将计数闸门的宽度扩大10倍,重新对待测信号的计数,直到满足测量数据有效位数的要求。
定时/计数器的工作被设置为定时器方式,定时/计数器的计数寄存器清0,在判断待测信号的上跳沿到来后,运行控制位TR置为1,以单片机工作周期为单位进行计数,直至信号的下跳沿到来,运行控制位TR清0,停止计数。
16位定时/计数器的最高计数值为65535,当待测信号的频率较低时,定时/计数器可以对被测信号直接计数,当被测信号的频率较高时,先由硬件十分频后再有定时/计数器对被测信号计数,加大测量的精度和范围。
3.2.1定时器部分设计流程
图3-7系统程序流程图
程序设计内容
(1).定时/计数器T0和T1的工作方式设置,由图可知,T0是工作在计数状态下,对输入的频率信号进行计数,但对工作在计数状态下的T0,最大计数值为fOSC/24,由于fOSC=12MHz,因此:
T0的最大计数频率为250KHz。
对于频率的概念就是在一秒只数脉冲的个数,即为频率值。
所以T1工作在定时状态下,每定时1秒中到,就停止T0的计数,而从T0的计数单元中读取计数的数值,然后进行数据处理。
送到数码管显示出来。
(2).T1工作在定时状态下,最大定时时间为65ms,达不到1秒的定时,所以采用定时5ms,共定时200次,即可完成1秒的定时功能。
3.2.2中断服务设计流程
T0中断服务子程序流程如图20所示。
测频时,定时器T0工作在定时方式,每次定时50mS,则T0中断20次正好为1秒,即T0用来产生标准秒信号,定时器T0用作计数器,对待测信号计数,每秒钟的开始启动T0,每秒钟的结束关闭T0,则定时器T0之值乘以分频系数就为待测信号的频率。
图3-8T0中断服务子程序
定时/计数器T1工作在计数方式,对信号进行计数,计数器1中断流程图如图21所示。
图3-9计数器1中断服务子程序
3.2.3显示程序设计流程
显示子程序将存放在显示缓冲区的频率或周期值送往数码管上显示出来,由于所有4位数码管的8根段选线并联在一起由单片机的P2口控制,因此,在每一瞬间4位数码管会显示相同的字符,要想每位显示不同的字符就必须采用扫描方法轮流点亮各位数码管,即在每一瞬间只点亮某一位显示字符,在此瞬间,段选控制口P2输出相应字符。
由P0.0-P0.3逐位轮流点亮各个数码管,每位保持1mS,在10mS~20mS之内再点亮一次,重复不止,利用人的视角暂留,好像4位数码管同时点亮。
数码管显示子程序流程如图22所示。
图3-10显示子程序流程图
在通过软件实现动态显示的时候,需要用到字型码查表图,现将表1列出下:
表3-2七段LED显示器共阴极字型码
显示字符
g
f
e
d
c
b
a
dp
字型码
(共阴极)
0
0
1
1
1
1
1
1
0
3FH
1
0
0
0
0
1
1
0
0
06H
2
1
0
1
1
0
1
1
0
5BH
3
1
0
0
1
1
1
1
0
4FH
4
1
1
0
0
1
1
0
0
66H
5
1
1
0
1
1
0
1
0
6DH
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