基于单片机的数字频率计设计(2)

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景

随着数字电路技术的不断发展，应用也越来越广泛，传统的通用数字集成电路芯片的功能已经很难满足系统功能不断发展对数字集成电路所提出的新要求，而且为了满足越来越复杂的功能，电路板上的数字电路芯片数目也呈爆炸式的增长，使得电路体积越来越大，系统的可靠性很难得到保障。另一方面，科技发展速度不断加快，导致现在数字产品的寿命越来越短，数字产品更新换代越来越快，一个电路可能需要在很短的时间内完成修改来满足新的功能要求，这就需要重新的进行电路设计和电路布线。而可编程逻辑器件克服了传统数字电路集成芯片的上述缺点，它通过编程的方式将数字电路集成到了一块尺寸很小的硅片上，成功的减少了电路的体积、增加了系统的可靠性，而且通过编程语言来更改电路的功能将极大的提高开发的速度、减小开发周期，单片机就是一种典型的可编程器件，被广泛应用于现在电子产品的开发与应用。本文将设计一种基于单片机的数字频率计，具有很高的研究价值[1][2]。

1.2 国内外发展现状

为了能够实现各种复杂的功能，精确地电子测量显得尤为重要，电子测量的一个重要领域就是频率测量，通过对频率的精确测量能够直接或间接的得到我们想要的信息，从而完成对复杂问题的分析与解决，比如我们日常生活中最为常见的一种频率测量设备——时钟，就是通过对频率的测量来帮助我们判断时间的长短；卫星定位系统（GPS）是科研中经常要使用到的一种仪器，现在也成为了汽车导航定位的器件，其原理也是通过频率的测量来确定GPS终端与GPS卫星之间的距离，从而间接完成GPS定位，确定GPS终端的坐标。可以看到，频率测量在我们的日常生活中无处不在、无时不刻不在影响着我们的日常生活。因此，采用更加科学、有效的方式来进行频率测量，以提高频率测量的精度也就显得尤为重要，可编程器件的不断发展为频率测量范围的提高、频率测量精度的不断提高带来新的技术手段和契机[3]。

近些年来，随着集成电路的不断发展与进步，频率测量技术也随之发展的越来越快。大多数的工作集中于测量方法的创新与改进、测量仪器的更新与发展，以便以更高的精度、更快的速度、更先进的自动化和智能化来满足频率测量领域新的技术要求和发展方向[4]。

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第1章 绪论

通过对过去二十年来中国频率计市场的分析不难发现，专注于频率计生产的厂家有几十家之多，主要集中在江苏、四川、河北、上海等电子工业较发达的地区，不同类型的产品品牌也达到上百种之多[5]。这些国内产品都在不断的通过采用大规模集成电路和集成电路来对产品进行改进、改进设计方式、增进产品的多功能化和小型化等方面都取得了长足进步。近几年来，一方面，我国电子仪器仪表产业的迅猛发展，而另一方面，市场对仪器仪表的需求不断增长,生产厂商不断通过采用新器件和新技术来提高产品质量，使频率计的便携性、智能性和自动化等方面都有了很大提高,其测频范围、显示效果、采样灵活灵敏度、测量精度等技术性能已接近或达到国外先进水平。可见频率计的市场发展前景是相当乐观的，电子仪器仪表市场与全国经济前景一样变得越来越好[6] [7]。

1.3 频率测量方法概述

大体上来分，频率测量的方法有两种：直接频率测量方法和间接频率测量方法。下面对这两种方法进行一下简单的介绍[8]。 1. 直接测量法

常见的直接频率测量方法也分为两种：测频法和测周期法。测频法就是在确定的闸门时间Tw内，对输入信号变化的周期数（或者脉冲个数）Nx进行记录，那么被测信号的频率Fx=Nx/Tw。而测周期法则需要有一个频率为Fs标准信号，在输入信号的一个周期Tx内，对标准频率信号的周期数Ns进行记录，那么可以得到输入信号的频率是Fx=Fs/Ns。对于这两种测频方法而言，最终的计数值都会产生正负1个周期误差，并且最终的测量精度都会取决于计数器中记录的数值Nx或Ns。为了保证测量精度，一般情况下都会将输入信号的频率以中界频率为界限分成两部分，采用不同的闸门时间进行测量。 2. 间接测量法

间接测频法一般应用于高精度方面的频率测量，测得的频率精度非常高，尤其在空间技术领域。比较常见的间接测频方法主要是等精度测频法。等精度测频方法是在直接测频方法的基础上改良得到的，采用这种方法进行频率测量时，闸门时间不是固定的，而是根据被测信号周期进行调节的，一般为其整数倍，并与被测信号同步。因此，消除了对被测信号计数所产生正负一个周期的误差，并且达到了在整个测量频率范围内的等精度测量，测量信号的精度不随被测信号频率而变化。

传统的数字频率计一般由分立元件组合而成。其所测量的频率范围、测量精度和测量速度均受到较大的限制。单片机的发展与应用改善了这种情况，本文将设计一种基于单片机的数字频率计[9] [10]。

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1.4 本文研究内容

通过上面对频率计的介绍中我们能够看到，单片机这种可编程器件的出现为频率计的发展提供了新的技术手段和发展契机，本文将据此设计一种基于单片机的数字频率计，输入频率范围宽达1Hz~60MHz，本文将对频率计软硬件进行详细的设计，具体工作有以下几点：

1. 在第二章中对频率计的各部分硬件电路进行设计，并对一些关键参数进行理论推导与设计；

2. 在第三章中，对频率计中的单片机软件进行详细设计，包括各软件模块的设计思路与流程；

3. 在第三章中，对设计的数字频率计进行软件仿真，验证设计的有效性。 4. 后期对设计进行总结，为下一步的工作确定方向。

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第2章 基于单片机的数字频率计硬件设计

第2章 基于单片机的数字频率计硬件设计

2.1 基于单片机的数字频率计组成

本设计中的数字频率计是以单片机作为控制核心，以放大整形电路、分频电路、频率量程自动匹配模块以及显示模块五部分组成[11]，数字频率计的组成如图2.1所示。

各种波形输入放大整形电路分频电路频率量程自动匹配高通滤波低通滤波单片机P11P10T0计数器显示电路

图2.1 数字频率计组成框图

从图2-1中可以看到，输入的被测信号首先要送入到放大正想电路中，放大整形电路首先要将输入的信号进行电压放大，以增加输入电压范围，接下来要对放大后的信号进行整形，将各种不同波形的信号整形成单片机能够识别的脉冲信号；经过放大整形后的脉冲信号送入到分频电路中进行预分频处理；接下来，将分频后的脉冲信号分别送入到频率量程自动匹配模块中和单片机T0计数器的输入端；频率量程自动匹配模块的作用是根据输入信号频率的范围来自动确定闸门时间，单片机在闸门时间内对输入脉冲信号进行计数，从而确定被测信号的频率，并将结果通过显示模块进行显示[12]。 2.2

单片机最小系统

本设计中将采用STC89C52单片机作为中央控制器，进行计数、结果显示和频率量程判断等工作，基于STC89C52单片机的电路图如图2.2所示。

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方便进行调试工作。

2.3输入放大整形电路设计

协议，用MAX232芯片进行电平转换；

图2.2 单片机最小系统

别的脉冲方波信号[13] [14]。输入放大整形电路如图2.3所示。

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端的对地电容是用来帮助起振，并有一定的滤波作用；

单片机能够正常工作时的最高晶振频率24MHz作为单片机的工作频率，晶振两

2. 串口通信电路：该电路模块的作用是用来进行程序下载，采用RS232串口通信

3. 复位电路，复位电路的作用是对单片机进行复位，本设计中采用手动复位模式，

计的测量范围；二是进行波形整形工作，将输入的不同波形信号整形成为单片机能够识

输入放大整形电路主要有以下两个作用：一是对输入信号进行电压放大，提高频率

1. 晶振电路：本设计中，为了提高频率测量范围，提高测量精度，选用了 STC89C52

从图2-2中可以看到，最小系统有晶振电路、复位电路和串口通信电路三部分组成。

图2.3 输入放大整形电路

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