数字频率计设计.docx
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数字频率计设计.docx
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数字频率计设计
数字频率计设计
专业:
测控技术与仪器
班级:
XXX级X班
姓名:
XXX
目录
引言1
1数字频率计的设计2
1.1方案论述2
1.2几种脉冲方法的优缺点2
2数字频率计的基本原理4
2.1数字频率计4
2.2实验原理4
2.3理论设计5
2.4数码管显示10
结论12
致谢13
参考文献14
引言
数字频率计在电子、通讯的领域中的实验、研究开发、生产用途非常广泛,它可以由逻辑电路组成,也可以用单片机控制。
由逻辑电路组成的频率计,结构复杂,组装、调试比较麻烦;传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成,产品不但体积较大,运行速度慢,而且测量低频信号时不宜直接使用。
为了实现智能化的电子计数测频,实现一个宽领域,高精度的频率,一种有效的方法是运用单片机测量频率,频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。
由单片机控制的频率计,数据采集、计算、译码级量程的自动转换,都可以有CPU来完成,简化了电路,提高了系统的可靠性。
频率信号抗干扰性强、易于传输,可以获得较高的测量精度。
同时,频率测量方法的优化也越来越受到重视。
本设计以89C52单片机为控制器件的频率测量方法,单片机对频率的测试应用了单片机的计数器,在1s时间内所记脉冲数即为信号的频率,所以将源信号转换为方波形式的脉冲,即可实现对信号频率的测量。
与此同时使用精简的C语言编写程序,采用单片机智能控制结合外围电子电路,得以高低频率的精度测量,最终实现多功能数字频率计的设计方案。
根据频率计的特点,可广泛应用于各种测试场所。
1数字频率计的设计
1.1方案论证
主要有以下几种:
脉冲数定时测频法,脉冲周期测频法,脉冲数倍频测频法,脉冲数分频测频法,脉冲平均周期测频法,多周期同步测频法。
下面是几种方案的具体方法介绍。
脉冲数定时测频法:
此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx,则待测频率为:
Fx=Mx/Tc
脉冲周期测频法:
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Mo。
这种方法测出的频率是:
Fx=Mo/Tx
脉冲数倍频测频法:
此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。
通过A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。
其待测频率为:
Fx=Mx/ATo
脉冲数分频测频法:
此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。
由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍,所测频率为:
Fx=AMo/Tx
脉冲平均周期测频法:
此法是在闸门时间Tc内,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo。
若标准信号的频率为Fo,则待测信号频率为:
Fx=FoMx/Mo
多周期同步测频法:
是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法,待测信号频率与M/T法相同。
1.2几种脉冲方法优缺点
脉冲数定时测频法,时间Tc为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx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。
脉冲周期测频法,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。
脉冲数倍频测频法,其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低;精度比M法高A倍,但控制电路较复杂。
脉冲数分频测频法,其特点是高频测量精度比T法高A倍,但控制电路也较复杂。
脉冲平均周期测频法,此法在测高频时精度较高,但在测低频信号时精度较低。
多周期同步测频法,此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的±1个字误差,测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。
综述上述几种方案,决定当被测频率fx<110Hz,采用测周法,显示频率×××.×××;fx>110Hz,采用测频法,显示频率××××××。
同时利用键盘分段测量和自动分段测量。
2数字频率计的基本原理
2.1数字频率计
数字频率计最基本的工作原理为当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时则被测信号的频率f=N/T。
频率测量原理频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数计数值就是信号频率。
用单片机设计频率计通常采用的办法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单成本低廉不需要外部计数器直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。
缺陷是受限于单片机计数的晶振频率输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一在本次设计使用的AT89C51单片机由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期前一个机器周期测出“1”后一个周期测出“0”。
故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。
根据频率检测的原理很容易想到利用51单片机的T0、T1两个定时/计数器一个用来定时另一个用来计数。
2.2实验原理
测量频率有测频法和测周法两种。
(1)测频法,利用外部电平变化引发的外部中断,测算1s内的波数,从而实现对频率的测定;
(2)测周法,通过测算某两次电平变化引发的中断之间的时间,实现对频率的测定。
简而言之,测频法是直接根据定义测定频率,测周法是通过测定周期间接测定频率。
理论上,测频法适用于较高频率的测量,测周法适用于较低频率的测量。
经过调校,在测量低频信号时,本项目中测频法精度已高于测周法,故舍弃测周法,全量程采用测频法。
2.3理论设计
图1LCD显示电路
图2频率测量电路
图3供电电源电路
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的,因此需要一定的电流才能驱动它,单片机IO引脚输出的电流较小,单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器,因此需要增加一个电流放大的电路。
S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器
图4蜂鸣器报警系统
图5键盘分段测量电路
AT89C51的管脚说明
(1)VCC:
供电电压。
GND:
接地。
(2)P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
管口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
/EA保持低电平时,在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
图6单片机核心电路
图7频率输入端
图8程序读写输入端
2.4数码管显示
LED段显示器结构与原理LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块,有7段和“米”字段之分。
这种显示块有共阳极和共阴极两种。
此外,显示块中还有一个圆点型发光二极管(在图中以dP表示)用于显示小数点。
通过发光二极管亮、暗的不同组,可以显示多中数字、字母以及其他符号。
LED显示块中的发光二极管共有两种连接方法:
(1)共阳极接法发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接+5V,这样,阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮,相应的段被显示;而输入高电平的段则不点亮。
(2)共阴极接法发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地,这样,阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮,相应的段被显示。
结论
1测频率时,会根据被测时钟频率大小来选择不同的测频方法,保证测频精度。
2系统实现了连续不断测控,被测时钟频率变化会实现测频结果的显示。
3系统结构可靠度高。
致谢
通过本次课程的设计,不但加深我对在课程上所学到的单片机理论知识的认识和理解,重新让自己认识到了这门学科的在应用方面的广阔前景,并且通过知识与应用于实践的结合更加丰富了自己的知识。
扩展了知识面,不但掌握了本专业的相关知识,而且对其他专业的知识也有所了解,而且较系统的掌握单片机应用系统的开发过程,因而自身的综合素质有了全面的提高。
经过这次一个较完整的产品设计和制作过程,对于认识到自己在知识方面存在的不足,明确今后的学习方向是非常有益的,为将来的的就业提前打了下坚实的基础。
在设计过程中,得到了我的指导老师的悉心指导与帮助,还有其他老师和同学的大力支持和协助,在此一并表示衷心的感谢。
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计.实验.测试.[M]武汉:
华中理工大学出版社,20002.
[2]阎石.数字电子技术基础.[M]北京;高等教育出版社;20063.
[3]付家才.电子实验与实践.[M]北京;高等教育出版社,20044.
[4]陈晓文主编.电子线路课程设计[M]电子工业出版社,2004
[5]王港元主编.电工电子实践指导[M](第三版)江西科学技术出版社,2009
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