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2015年全国大学生电子设计竞赛F题数字频率计设计论文


2015 年全国大学生电子设计竞赛

数字频率计(F 题) 【本科组】

2015 年 8 月 15 日

摘要

本文提出设计数字频率计的方案,重点介绍以单片机 STC12C5A60S2 作为控制核心,实现频率测量的数字频率设计。测频 的基本方法是把待测信号经过放大整形, 然后通过单片机的定时计数 器计数,获得频率值。硬件部分由放大电路和整形电路 ,单片机和 数计显示电路组成; 软件部分由信号频率测量模块和数据显示模块等 模块实现。应用单片机的控制功能和数学运算能力,实现计数功能和 频率的换算。 关键词:数字频率计; 单片机; 测量

目录
第一章引言 ............................................................................................................................. 1 第二章总体方案设计 ............................................................................................................. 2 2.1 方案比较 ...................................................................................................................... 2 2.2 方案论证 ...................................................................................................................... 2 2.3 方案选择 ...................................................................................................................... 3 第三章系统设计及理论分析 ................................................................................................. 3 3.1 频率计方案概述 .......................................................................................................... 3 3.2 单片机 .......................................................................................................................... 4 3.3 放大器电路 .................................................................................................................. 5 3.4 比较器电路 .................................................................................................................. 5 3.5 计数器电路 .................................................................................................................. 5 3.5 软件设计 ...................................................................................................................... 6 3.5 程序框图 ...................................................................................................................... 6 第四章测试方案与测试结果 ................................................................................................. 7 4.1 测试方案 ...................................................................................................................... 8 4.2 测试条件与仪器 .......................................................................................................... 8 4.3 测试结果与分析 .......................................................................................................... 9 第五章参考文献 ................................................................................................................... 10 附录 1 电路原理图 ............................................................................................................... 11

第一章 引言
频率计是数字电路中已给典型应用,实际的硬件设计用到的器件较多,联机 比较复杂,而且会产生比较大的延迟随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用,将使 得整个系统大大简化提高整体性能, 它是直接用十进制数字来显示被测信号频率 的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具 有周期的信号的频率,而且还可以测量他们的周期。经过改装,频率计还可以测 量脉冲宽度,做成数字式脉宽测量仪;在电路中增加传感器,还可以做成数字脉 搏仪、计价器等。因此数字频率仪在测量物理方面有广泛的应用。 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 此,我们设计的以单片机STC12C5A60S2为核心的数字频率计相对简单,而且实 用。

第二章 总体方案设计
2.1 方案比较
方案一:本方案主要以单片机为核心,利用单片机的计数定时功能来实现 频率的计数,并且利用单片机把测出的数据送到 LCD 显示电路显示。其实原理 框图如 2.1 所示。

方案二:本方案主要以数字器件为核心,主要分为时基电路,逻辑控制电 路,放大整形电路,闸门电路,计数电路,锁存电路,译码显示电路七大部分。 其原理框图如图 2.2 所示

2.2 方案论证
方案一:本方案主要以单片机为核心,被测信号先进入信号放大电路进行 放大,再被送到比较器中进行电路整形,把被测得正弦波变成为方波。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。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 方案二:本方案使用大量的数字器件,被测量信号放大整形电路变成计数 器所要求的脉冲信号,其频率于被测信号的频率相同。同时时基电路提供标准 时间基准信号,其高电平持续时间 1s,当 1s 信号来到时,闸门开通,被测脉冲 信号通过闸门,计数器开始计数,直到 1s 信号结束闸门关闭,停止计数。若在 闸门时间 1s 内计数器计得的脉冲个数为 N,则被测信号频率 FX=NHZ。逻辑控 制电路的作用有两个:一是产生锁存脉冲,是显示器上的数字稳定;二是产生 清零脉冲,使计数器每次测量从零开始计数。

2.3 方案选择
比较以上两种方案可以知道,方案一得核心是单片机,使用的元器件少, 原理电路简单,调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测 试能自动选择测试的量程。 与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件, 原理电路复杂,硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路,价 格相对高了点。基于上述,所以选择了方案一。

第三章系统设计及理论分析
3.1 频率计方案概述
我们设计的频率计组要分为以下几个部分:放大器、比较器、与非门、计 数器、单片机控制系统以及液晶显示。本设计中的核心是由 STC12C5A60S2 个 构成的控制系统,通过计数器及单片机内部的定时器来完成待待测信号频率及 周期的测量。定时器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中 断要求的功能。 在定时器工作方式下, 在被测时间间隔内, 每来一个机器周期, 计数器自动加 1,这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工

作方式下,加至外部引脚的待测信号发生从 1 到 0 的跳变计数器加 1,这样在 计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。 设计要求中的被测信号的有效电压过低,所以我们在比较器前加了一个 AD603 高速运放用来实现信号放大功能,放大后的信号经由 74HC14 将正弦波 转换成方波。 为满足设计要求中的测量频率范围,我们在单片机前端加入了一个分频计 数器,该计数器采用 74LS163 芯片,最大分频数为 16 频,能相对较好地实现 要设计求。

3.2 单片机
P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每个管脚可吸收 8TTL 门电 流。当 P1 口的管脚写“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 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, 电位被内部上拉为高, 可用作输入, P1 口被外部下拉为低电平时,将输出电流

3.3 放大器电路 放大器电路使用的芯片是 AD603,AD603 是 AD 公司推出的一款宽频带、 低噪声、低畸变、增益范围连续可调的可控增益放大器。AD603 的增益由管脚 电压控制,按线性规律变化。其内部包含的固定增益放大器的增益额度由外接 反馈的网络不同而改变,以满足增益变化的需要。 3.4 比较器电路 比较器用的芯片是 74HC14 , 74HC14 是一款兼容 TTL 器件引脚的高速 CMOS 器件,逻辑功能为 6 路斯密特触发反相器,其耗电量低,速度快,可将 缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。74HC14 中含 6 个基本 单元,简化电路图为:

3.5 计数器电路 计数器电路用的芯片是 74LS163,当 CEP、CET 接高时,芯片可以正常计 数,P0~P3 是置位数据的输入端,Q0~Q3 是数据的输出端,而置数端和清零端 只有有一个低电平就会执行置数或清零。该芯片与与非门构成分频电路,以此 来提高测量频率值。

3.6 软件设计 根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示,定时器和计数器的设 定。 (1)键盘实现功能:设置显示项目以及设置信号分频设定。 (2)显示部分:显示频率、时间间隔、占空比以及设定菜单。 (3)定时器部分:设定为 1s 闸门时间,并用另一个定时器配置为计数器 记录输入脉冲。 3.7 程序框图

主程序框图

中断子程序框图

第四章测试方案与测试结果
4.1 测试方案 (1)硬件测试 将各个逻辑部分连接在一起,以单个脉冲及固定频率信号 输入,检查输出逻辑。 (2)软件仿真测试 将主逻辑在电脑上编译运行,检查输出结果及动作时 序。 (3)硬件软件联调 将烧录好固件的单片机连接至逻辑部分,并以已知频 率作为被测信号输入,检 查输出数据是否正确。 4.2 测试条件与仪器 测试条件:重复检查多次,确认仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相 同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊、失效连接等问题。测试仪器:高精 度的信号发生器,模拟示波器,数字示波器,数字万用表。

4.3 测试结果及分析 (1)测试结果:

占空比转换电压测试拟合曲线:

(2)测试分析与结论 根据上述测试数据,与信号源发生信号的参数进行比较,由此可以得出以 下结论: 1、测量信号频率准确,误差在题目要求范围以内。 2、双路信号时间间隔测量准确,误差在要求范围以内。 3、占空比测量准确。综上所述,本设计达到设计要求。

第五章参考文献
[1]谭浩强.C 语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012 [1]张国兴.用单片机制作数字频率计[J].电子制作,2005,(2):32. [2] 李 建 忠 . 单 片 机 原 理 及 应 用 [M]. 西 安 : 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社,2002.1.

附录 1:电路原理图

信号输入及放大部分

占空比测量部分

电平处理及分频部分

单片机接口部分


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