基于单片机的频率特性测试仪.pdf

1、基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪1基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪摘 要在 电 子 技 术 里 ， 频 率 是 最 基 本 参 数 之 一 ， 并 且 与 很 多 电 参 量 的 测 量 方 案 、 测 量 结 果都 有 密 切 关 系 ， 因 而 频 率 的 测 量 就 显 得 更 为 重 要 。 频 率 计 可 以 用 纯 硬 件 的 电 路 搭 制 。 其中 包 括 信 号 输 入 、 信 号 放 大 、 信 号 选 择 、 时 钟 提 供 、 数 据 显 示 等 功 能 模 块 。 为 能 实 现 智能 化 的 计 数 测 频 ， 实 现 一 个 宽

2、 领 域 、 高 精 度 的 频 率 计 ,有 效 的 方 法 就 是 将 单 片 机 用 于 频率 计 的 设 计 当 中 。 本 论 文 介 绍 以 51单 片 机 作 为 核 心 器 件 。 由 于 本 设 计 采 用 了 模 块 化 的设 计 方 法 ， 能 提 高 测 量 频 率 的 范 围 。 本 次 设 计 包 括 硬 件 画 图 与 软 件 程 序 编 写 。关 键 词 ： 测 量 ； 频 率 计 ； 单 片 机 ； 汇 编基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪2FREQUENCY CHARATERISTIC TEST INSTRUMENT BASED O N MC

3、UABSTRACAmong electronic technology, frequency is one of the most basic parameters,andresult of measuring have a very close relation to a lot of electric parameters, so themeasurement of frequency seems even more important. Frequency counter can take the system with pure hardware circuitry. It inclu

4、des the signal input, signal amplification, signal selection, the clock provides the data display modules. In order to realizethe counting of intellectualityexamines frequently, realize a wide-range, high-accuracycymometer, an effective method is to use one-chip computer for the design of the cymome

5、ter. Thissubject recommends regarding 51 Single-Chip computer as the key device, include signal input, signalamplify, signal choose, clock offer, data person who reveal function digital design method of cymometer of module still in addition.The hardware circuit of the cymometer is drawing with Prote

6、l mapping software,the one-chipcomputer control procedure of the software part, wrote the assembler language. Because originally design the design method to adopt module, improve the range of measuring frequency. And the drawing of this design,including hardware and software programmingKey words: Me

7、asurement; Cymometer; Single-Chip computer; Compilation基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪3目 录1 引 言 .11.1 数 字 频 率 计 的 发 展 和 意 义 11.2 数 字 频 率 国 内 外 的 发 展 形 势 22 系 统 总 体 设 计 .32.1 系 统 设 计 要 求 32.2 测 频 方 法 32.3 系 统 设 计 思 路 32.4 系 统 设 计 框 图 43 系 统 硬 件 设 计 .53.1 单 片 机 模 块 53.1.1 AT89C52介 绍 53.1.2 单 片 机 引 脚 分 配 .63

8、.1.3 复 位 电 路 .63.1.4 定 时 /计 数 器 .63.2 放 大 整 形 模 块 83.2.1 与 非 门 74LS0083.2.2 放 大 整 形 模 块 原 理 图 .83.3 分 频 模 块 93.3.1 分 频 器 74LS161芯 片 .93.3.2 多 路 选 择 器 74LS151芯 片 .103.3.3 分 频 模 块 原 理 图 .123.4 显 示 电 路 123.4.1 频 率 数 值 显 示 电 路 .123.4.2 频 率 数 值 单 位 显 示 电 路 .134 系 统 软 件 设 计 .154.1 开 始 154.2 初 始 化 模 块 164.

9、3 频 率 测 量 模 块 和 量 程 自 动 切 换 模 块 164.4 显 示 模 块 174.5 延 时 模 块 185 数 字 频 率 计 仿 真 .195.1 放 大 整 形 电 路 仿 真 .195.1.1 仿 真 软 件 MULTISIM 10.0仿 真 整 形 电 路 195.1.2 仿 真 放 大 整 形 电 路 .195.2 频 率 计 仿 真 225.2.1 用 KEIL软 件 .225.2.2 使 用 软 件 Proteus仿 真 频 率 计 .235.2.3 频 率 计 仿 真 运 行 调 试 .256 结 论 .30基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪

10、4参 考 文 献 .31致 谢 .32基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 1 页 共 32 页1 前 言单 片 机 是 20 世 纪 中 期 发 展 起 来 的 一 种 面 向 控 制 的 大 规 模 集 成 电 路 模 块 ， 具 有 功能 强 、 体 积 小 、 可 靠 性 高 、 价 格 低 廉 等 的 特 点 ， 在 家 用 电 器 、 工 业 控 制 、 智 能 仪 表 、 数据 采 集 、 机 电 一 体 化 等 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 极 大 的 提 高 了 这 些 领 域 的 自 动 化 程 度 和技 术 水 平 。 51系 列 单 片 机

11、 是 国 内 目 前 应 用 最 广 泛 的 单 片 机 之 一 ， 随 着 片 上 系 统 嵌 、 入 式系 统 等 概 念 的 提 出 和 普 遍 接 受 及 应 用 。 51系 列 及 其 衍 生 单 片 机 还 会 在 继 后 很 长 一 段 时 间占 据 嵌 入 式 系 统 产 品 的 低 端 市 场 ， 因 此 在 信 息 产 业 高 速 发 展 的 今 天 ， 我 们 掌 握 单 片 机 的基 本 结 构 、 原 理 和 使 用 是 很 重 要 的 。本 次 课 程 设 计 主 要 用 于 对 方 波 频 率 的 测 量 。1.1 数 字 频 率 计 的 发 展 和 意 义随 着

12、 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 各 类 分 立 电 子 元 件 及 其 所 构 成 的 相 关 功 能 单 元 ， 已 逐 步被 功 能 更 强 大 、 性 能 更 稳 定 、 使 用 更 方 便 的 集 成 芯 片 所 取 代 。 由 集 成 芯 片 和 一 些 外 围 电路 构 成 的 各 种 自 动 控 制 、 自 动 测 量 、 自 动 显 示 电 路 遍 及 各 种 电 子 产 品 和 设 备 已 广 泛 应 用于 各 个 领 域 ， 更 新 换 代 速 度 可 谓 日 新 月 异 。在 电 子 系 统 广 泛 的 应 用 领 域 中 ， 到 处 看 见 处 理 离 散 信

13、 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 不 可 缺 少 的 测 量 仪 器 ， 不 但 要 求 电 路 产生 频 率 准 确 的 和 稳 定 度 高 的 信 号 ， 而 且 能 方 便 的 改 变 频 率 。与 传 统 的 测 量 方 式 相 比 ， 运 用 了 单 片 机 频 率 计 有 着 体 积 更 小 ， 运 算 速 度 更 快 ， 测 量范

14、围 更 宽 和 制 作 成 本 更 低 的 优 点 。 由 于 传 统 的 频 率 计 中 有 许 多 功 能 是 依 靠 硬 件 来 实 现的 ， 而 采 用 单 片 机 测 量 频 率 之 后 ， 有 许 多 以 前 需 要 用 硬 件 才 能 实 现 的 功 能 现 在 仅 仅 依 靠软 件 编 程 就 能 实 现 ， 而 且 不 同 的 软 件 编 程 代 码 能 够 实 现 不 同 的 功 能 ， 从 而 大 大 降 低 了 制作 成 本 。数 字 频 率 计 主 要 实 现 方 法 有 直 接 式 、 锁 相 式 、 直 接 数 字 式 和 混 合 式 四 种 。 直 接 式 的优

15、 点 是 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 。 锁 相 式和 直 接 数 字 式 都 同 时 具 有 容 易 实 现 产 品 系 列 化 、 小 型 化 、 模 块 化 和 工 程 化 的 特 点 ， 其 中 ，基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 2 页 共 32 页锁 相 式 更 是 以 其 容 易 实 现 相 位 同 步 的 自 动 控 制 且 低 功 耗 的 特 点 成 为 众 多 业 内 人 士 的 首选 ， 应 用 最 为 广 泛 。1.2 数 字 频 率 国 内 外 的 发

16、展 形 势在 国 际 上 数 字 频 率 计 的 分 类 很 多 。按 功 能 分 类 ， 电 子 计 数 器 有 通 用 和 专 用 之 分 。 通 用 型 计 数 器 是 一 种 具 有 多 种 测 量 功能 、 多 种 用 途 的 万 能 计 数 器 ， 它 可 测 量 频 率 、 周 期 、 多 周 期 平 均 值 、 时 间 间 隔 、 累 加 计数 、 计 时 等 。 专 用 计 数 器 指 专 门 用 来 测 量 某 种 单 一 功 能 的 计 数 器 。按 频 段 分 类 有 低 速 频 率 计 数 器 、 中 速 频 率 计 数 器 、 高 速 频 率 计 数 器 和 微 波

17、 频 率 计 数器 之 分 。 其 中 低 速 频 率 计 数 器 最 高 计 数 频 率 小 于 10MHZ； 中 速 频 率 计 数 器 最 高 频 率 计 数频 率 为 10到 100MHZ； 高 速 频 率 计 数 器 最 高 计 数 频 率 大 于 100MHZ； 微 波 频 率 计 数 器 的 测频 范 围 为 1到 80GHZ或 更 高 。数 字 电 路 制 造 工 业 的 进 步 ， 使 得 系 统 设 计 人 员 能 在 更 小 的 空 间 内 实 现 更 多 的 功 能 ，从 而 提 高 系 统 可 靠 性 和 速 度 。 现 如 今 ， 数 字 频 率 计 已 经 不 仅

18、 仅 是 测 量 信 号 频 率 的 装 置 了 ，还 可 以 测 量 方 波 的 脉 宽 。 在 人 们 的 生 产 生 活 中 数 字 频 率 计 也 发 挥 着 越 来 越 重 要 的 作 用 ，比 如 有 数 字 频 率 计 来 监 控 生 产 过 程 ， 这 样 可 以 及 时 发 现 系 统 运 行 中 的 异 常 情 况 ， 以 便 给人 们 争 取 时 间 处 理 。除 此 之 外 ， 它 还 可 以 应 用 于 工 业 控 制 等 其 它 领 域 。 在 传 统 的 电 子 测 量 仪 器 中 ， 示 波器 在 进 行 频 率 测 量 时 测 量 精 度 较 低 ， 误 差

19、较 大 。 频 谱 仪 可 以 准 确 的 测 量 频 率 并 显 示 被 测信 号 的 频 谱 ， 但 测 量 速 度 较 慢 ， 无 法 实 时 快 速 地 跟 踪 捕 捉 到 被 测 信 号 的 频 率 变 化 。 正 是由 于 频 率 计 能 够 快 速 准 确 地 捕 捉 到 被 测 信 号 频 率 的 变 化 ， 因 此 频 率 计 拥 有 非 常 广 泛 的 应用 范 围 。欧 美 频 率 计 厂 家 主 要 有 ： Pendulum Instruments 和 Agilent科 技 。现 如 今 ， 对 于 频 率 计 的 设 计 目 前 也 有 专 用 芯 片 可 以 实 现

20、 ， 如 利 用 MAXIM公 司 的 ICM7240来 设 计 频 率 计 ， 但 由 于 这 种 芯 片 的 计 数 频 率 比 较 低 ， 远 不 能 达 到 在 一 些 场 合 而 要 测 量 很高 的 频 率 要 求 ， 而 且 测 量 精 度 也 受 到 芯 片 本 身 的 限 制 ， 因 此 提 出 用 AT89C52单 片 机 设 计频 率 计 来 解 决 这 些 问 题 ， 从 而 实 现 高 精 度 ， 宽 范 围 测 量 的 频 率 计 的 设 计 。基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 3 页 共 32 页2 系 统 总 体 设 计2.1 系 统 设 计

21、 要 求本 课 题 设 计 技 术 要 求 ：(1)测 量 范 围 0HZ 2MHZ；(2)用 四 位 数 码 管 显 示 测 量 值 ；(3)能 根 据 输 入 信 号 自 动 切 换 量 程 ；(4)可 以 测 量 方 波 、 三 角 波 及 正 弦 波 等 多 种 波 形 。2.2 测 频 方 法在 频 率 、 速 度 等 脉 冲 类 测 量 过 程 中 ， 采 集 指 定 的 脉 冲 个 数 ， 与 过 程 时 间 比 较 来 测 定频 率 、 速 度 。 这 样 的 采 样 方 式 就 是 定 数 采 样 或 定 脉 冲 采 样 。 这 种 方 法 其 实 是 测 量 单 个 脉冲

22、的 周 期 或 指 定 个 数 脉 冲 的 总 周 期 。 这 种 测 量 脉 冲 的 方 法 又 叫 做 测 周 法 。在 频 率 、 速 度 等 脉 冲 类 测 量 过 程 中 ， 在 指 定 的 时 间 内 ， 计 量 脉 冲 个 数 ， 让 脉 冲 个 数与 指 定 的 时 间 比 较 来 测 定 频 率 、 速 度 。 这 样 的 采 样 方 式 就 是 定 时 采 样 。 这 种 方 法 其 实 是测 量 单 位 时 间 的 脉 冲 个 数 。 这 种 测 量 脉 冲 的 方 法 又 叫 做 测 频 法 。目 前 测 量 频 率 的 方 法 主 要 有 脉 冲 定 时 测 频 法

23、， 脉 冲 周 期 测 频 法 ， 脉 冲 倍 频 测 频 法 和脉 冲 分 频 测 频 法 。 本 文 采 用 脉 冲 定 时 测 频 法 和 脉 冲 分 频 测 频 法 。2.3 系 统 设 计 思 路以 单 片 机 AT89C52单 片 机 为 核 心 ， 设 计 一 种 数 字 频 率 计 ， 它 由 放 大 整 形 电 路 、 分 频电 路 、 多 路 选 择 器 、 单 片 机 、 显 示 电 路 等 组 成 ， 应 用 单 片 机 中 的 定 时 /计 数 器 和 中 断 系统 等 完 成 频 率 的 测 量 。 在 整 个 设 计 过 程 中 ， 放 大 整 形 电 路 是 把

24、 非 矩 形 波 转 化 成 矩 形 波 ，这 样 单 片 机 才 能 识 别 ； 分 频 电 路 是 为 了 测 量 更 高 频 率 的 信 号 ， 多 路 数 据 选 择 器 是 用 来 选择 输 入 信 号 的 ； 单 片 机 用 来 测 量 频 率 和 切 换 量 程 等 ； 显 示 电 路 用 来 显 示 频 率 值 。 所 制 作基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 4 页 共 32 页的 频 率 计 采 用 外 部 十 分 频 ， 实 现 10Hz2MHz的 频 率 测 量 ， 而 且 可 以 实 现 量 程 自 动 切 换 ，通 过 四 位 数 码 管 显 示

25、频 率 值 ， 再 用 不 同 的 LED发 光 二 极 管 显 示 频 率 值 的 单 位 。2.4 系 统 设 计 框 图本 课 题 设 计 以 单 片 机 为 核 心 ， 设 计 一 种 数 字 频 率 计 ， 应 用 单 片 机 中 的 定 时 器 /计 数器 和 中 断 系 统 等 完 成 频 率 的 测 量 。 其 中 包 括 放 大 整 形 模 块 、 分 频 模 块 、 电 源 模 块 、 单 片机 模 块 、 显 示 模 块 等 。图 2-1 频 率 计 总 体 设 计 框 图基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 5 页 共 32 页3 系 统 硬 件 设 计

26、频 率 计 实 际 需 要 设 计 的 硬 件 系 统 主 要 包 括 以 下 几 个 部 分 ： 单 片 机 模 块 、 电 源 模 块 、放 大 整 形 模 块 、 分 频 模 块 及 显 示 模 块 ， 下 面 将 分 别 给 予 介 绍 。3.1 单 片 机 模 块以 AT89C52单 片 机 为 控 制 核 心 ， 来 完 成 对 待 测 信 号 的 计 数 、 译 码 和 显 示 以 及 对 分 频比 的 控 制 ， 利 用 其 内 部 的 定 时 计 数 器 完 成 待 测 信 号 频 率 的 测 量 。 单 片 机 AT89C52内 部具 有 3 个 16位 定 时 计 数 器

27、 ， 定 时 计 数 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 。3.1.1 AT89C52介 绍AT89C52是 一 个 低 电 压 ， 高 性 能 CMOS 8位 单 片 机 ， 片 内 含 8k bytes的 可 反 复 擦写 的 Flash只 读 程 序 存 储 器 和 256bytes的 随 机 存 取 数 据 存 储 器 （ RAM） ， 器 件 采 用 ATMEL公 司 的 高 密 度 、 非 易 失 性 存 储 技 术 生 产 ， 兼 容 标 准 MCS-51指 令 系 统 ， 片 内 置 通

28、用 8位 中央 处 理 器 和 Flash存 储 单 元 ， AT89C52单 片 机 在 电 子 行 业 中 有 着 广 泛 的 应 用 。基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 6 页 共 32 页图 3-2 PDIP 封 装 的 AT89C52引 脚 图3.1.2 单 片 机 引 脚 分 配根 据 系 统 设 计 及 各 模 块 的 分 析 得 出 ， 单 片 机 的 引 脚 分 配 如 下 表 所 示 。表 3-1 单 片 机 端 口 分 配 表3.1.3 复 位 电 路模 块 端 口 功 能显 示 模 块 P0.0-P0.4、 P2.0-P2.7 数 码 管 频 率 值

29、 显 示P1.4-P1.6 LED单 位 显 示分 频 模 块 P1.0-P1.2 通 道 选 择P1.3 清 零复 位 模 块 RST、 EA 复 位有 时 系 统 在 运 行 过 程 中 出 现 程 序 跑 飞 的 情 况 ， 因 此 在 程 序 开 发 过 程 中 需 要 复 位 。本 文 选 用 手 动 复 位 ， 通 过 复 位 可 以 再 次 测 量 信 号 或 测 量 新 的 信 号 。复 位 电 路 通 常 分 为 两 种 ： 上 电 复 位 和 手 动 复 位 。基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 7 页 共 32 页RST单片机C1R1GNDVCCRST单

30、片机C2R2GNDVCCR3S?SW-PB图 3-2 上 电 复 位 图 3-3 手 动 复 位3.1.4 定 时 /计 数 器方 式 寄 存 器 TMOD：特 殊 功 能 寄 存 器 TMOD为 T0、 T1的 工 作 方 式 寄 存 器 ， 其 格 式 如 下 ：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0T1方 式 字 段 T0方 式 字 段TMOD的 低 4位 为 T0的 方 式 字 段 ， 高 4位 为 T1的 方 式 字 段 ， 它 们 的 含 义 是 完 全 相 同的 。 (1)工 作 方 式 选 择 位 M1,M0M1

31、,M0两 位 确 定 计 数 器 的 结 构 方 式 ， 其 对 应 关 系 如 下 表 ：表 3-2计 数 器 结 构 方 式 功 能 表M1 M0 工 作 方 式 功 能 说 明0 1 方 式 0 13位 计 数 器0 1 方 式 1 16位 计 数 器1 0 方 式 2 初 值 自 动 重 新 装 入 的 8位 计 数 器1 1 方 式 3 仅 适 用 于 T0， 分 为 两 个 8位 计 数 器 ， T1在 方 式 3停 止 计 数基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 8 页 共 32 页(2)定 时 器 方 式 和 外 部 事 件 计 数 方 式 选 择 位 C/TC

32、/T=0为 定 时 方 式 。 在 定 时 方 式 中 ， 以 振 荡 器 输 出 时 钟 脉 冲 的 十 二 分 频 信 号 作 为 计数 信 号 ， 也 就 是 每 一 个 机 器 周 期 定 时 器 加 “ 1” 。 若 晶 振 为 12MHZ， 则 定 时 器 计 数 频 率 为1MHZ， 计 数 的 脉 冲 周 期 为 1us。 定 时 器 从 初 值 开 始 加 “ 1” 计 数 直 至 定 时 器 溢 出 所 需 的 时间 是 固 定 的 ， 所 以 称 为 定 时 方 式 。C/T=1为 外 部 事 件 计 数 方 式 ， 这 种 方 式 采 用 外 部 引 脚 （ T0为 P

33、3.4， T1为 P3.5） 上的 输 入 脉 冲 作 为 计 数 脉 冲 。 内 部 硬 件 在 每 个 机 器 周 期 采 样 外 部 引 脚 的 状 态 ， 当 一 个 机 器周 期 采 样 到 高 电 平 ， 接 着 的 下 一 个 机 器 周 期 采 样 到 低 电 平 时 计 数 器 为 1， 也 就 是 说 在 外部 输 入 电 平 发 生 负 跳 变 时 为 1。 外 部 事 件 计 数 时 最 高 计 数 频 率 为 晶 振 频 率 的 二 十 四 分 之一 ， 外 部 输 入 脉 冲 高 电 平 和 低 电 平 时 间 必 须 在 一 个 机 器 周 期 以 上 。 对 外

34、 部 输 入 脉 冲 计 数的 目 的 通 常 是 为 了 测 试 脉 冲 的 周 期 、 频 率 或 对 输 入 的 脉 冲 数 进 行 累 加 。(3)门 控 位 GATEGATE 为 1 时 ， 定 时 器 的 计 数 受 外 部 引 脚 输 入 电 平 的 控 制 （ INT0 控 制 的 计 数 ， INT1控 制 T1的 计 数 ） ； GATE为 0时 定 时 器 计 数 不 受 外 部 引 脚 输 入 电 平 的 控 制 。3.2 放 大 整 形 模 块放 大 电 路 是 对 待 测 信 号 的 放 大 ， 降 低 对 待 测 信 号 幅 度 的 要 求 ； 整 形 电 路 是

35、 对 不 是 矩形 波 的 待 测 信 号 转 化 成 矩 形 波 信 号 ， 便 于 测 量 。由 于 输 入 的 信 号 可 以 是 正 弦 波 、 三 角 波 、 矩 形 波 等 ， 而 后 面 的 闸 门 或 计 数 电 路 要 求被 测 信 号 为 矩 形 波 ， 所 以 需 要 设 计 一 个 整 形 电 路 则 在 测 量 的 时 候 ， 首 先 通 过 整 形 电 路 将正 弦 波 或 者 三 角 波 转 化 成 矩 形 波 。 在 整 形 之 前 由 于 不 清 楚 被 测 信 号 的 强 弱 的 情 况 。 所 以在 通 过 整 形 之 前 通 过 放 大 衰 减 处 理

36、。本 文 采 用 单 管 共 射 极 放 大 电 路 对 信 号 进 行 放 大 和 再 由 非 门 74LS00构 成 施 密 特 触 发器 对 输 出 的 信 号 进 行 整 形 成 矩 形 波 后 再 次 输 出 。3.2.1 与 非 门 74LS0000 为 四 组 2 输 入 端 与 非 门 （ 正 逻 辑 ） ， 共 有 54/7400、 54/74H00、 54/74S00、 54/74LS00Y=(AB)非基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 9 页 共 32 页表 3-3 74LS00 功 能 表Input Input OutputA B YL L HL H

37、HH L HH H L3.2.2 放 大 整 形 模 块 原 理 图此 模 块 原 理 图 ：图 3-4 放 大 整 形 电 路 原 理 图3.3 分 频 模 块本 文 采 用 12MHZ的 时 钟 ， 最 大 计 数 速 率 为 500 kHz， 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 。为 了 测 量 提 高 精 度 ， 当 被 测 信 号 频 率 值 较

38、低 时 ， 直 接 使 用 单 片 机 计 数 器 计 数 测 得 频率 值 ； 当 被 测 信 号 频 率 值 较 高 时 采 用 外 部 十 分 频 后 再 计 数 测 得 频 率 值 。 这 两 种 情 况 使 用74LS151进 行 通 道 选 择 ， 由 单 片 机 先 简 单 测 得 被 测 信 号 是 高 频 信 号 还 是 低 频 信 号 ， 然 后基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 10 页 共 32 页根 据 信 号 频 率 值 的 高 低 进 行 通 道 的 相 应 导 通 ， 继 而 测 得 相 应 频 率 值 。因 此 此 模 块 主 要 包 括 分

39、 频 器 74LS161、 多 路 选 择 器 74LS151、 与 非 门 74LS00。3.3.1 分 频 器 74LS161芯 片74LS161是 常 用 的 四 位 二 进 制 可 预 置 的 同 步 加 法 计 数 器 。图 3-5 74161引 脚 图表 3-4 74161的 功 能 表从 表 中 可 以 知 道 ， 当 清 零 端 RD=“ 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 RD=“ 1” 且 LD=“ 0” 时 ， 在 CP信 号 上 升 沿 作 用 后 ， 74LS161输

40、 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 RD=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 的异 步 清 零 功 能 和 同 步 计 数 功 能 ， 一 片 74LS161可 以 组 成 16进 制 以 下 的 任 意 进 制 分 频 器 。基 于 单

41、 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 11 页 共 32 页本 文 组 成 了 十 进 制 的 分 频 器 。3.3.2 多 路 选 择 器 74LS151芯 片数 据 选 择 端 （ ABC） 按 二 进 制 译 码 ， 以 从 8个 数 据 （ D0-D7） 中 选 取 1个 所 需 的 数 据 。只 有 在 选 通 端 STROBE 为 低 电 平 时 才 可 选 择 数 据 。 74LS151 有 互 补 输 出 端 （ Y、 W） ， Y 输出 原 码 ， W输 出 反 码 。图 3-6 74L151 引 脚 图74LS151的 功 能 如 下 表 :表 3-5 74151 功

42、 能 表基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 12 页 共 32 页其 中 A、 B、 C 为 选 择 输 入 端 ， D0-D7 为 数 据 输 入 端 ， STROBE为 选 通 输 入 端 （ 低 电平 有 效 ） ， W为 反 码 数 据 输 出 端 ， Y为 数 据 输 出 端 。3.3.3 分 频 模 块 原 理 图分 频 模 块 设 计 原 理 图 ：图 3-7 分 频 模 块 原 理 图3.4 显 示 电 路显 示 模 块 由 频 率 值 显 示 电 路 和 量 程 转 换 指 示 电 路 组 成 。 频 率 值 显 示 电 路 采 用 四 位 共阳 极 数 码

43、 管 动 态 显 示 频 率 计 被 测 数 值 ， 量 程 转 换 指 示 电 路 由 红 、 黄 、 绿 三 个 LED分 别 指示 Hz、 KHz及 MHz频 率 单 位 ， 使 读 数 简 单 可 观 。数 码 管 是 一 种 半 导 体 发 光 器 件 ， 其 基 本 单 元 是 发 光 二 极 管 。 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 。 根 据 管 脚 资 料 ， 可 以 判 断

44、使 用 的 是 何 种 接 口 类 型 。基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 13 页 共 32 页图 3-8 两 种 数 码 管 内 部 原 理 图因 为 这 里 用 的 是 共 阳 极 数 码 管 ， 它 的 公 共 端 为 高 电 平 ， 因 此 要 让 其 中 各 段（ DP,A,B,C,D,E,F,G)的 发 光 二 极 管 发 光 ， 只 要 使 它 另 一 端 置 为 低 电 平 ， 即 置 0。3.4.1 频 率 数 值 显 示 电 路图 3-9 共 阳 极 数 码 管 显 示 电 路 图基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 14 页 共 32

45、 页3.4.2 频 率 数 值 单 位 显 示 电 路图 3-10 LED档 位 指 示 电 路基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 15 页 共 32 页4 系 统 软 件 设 计本 文 中 系 统 软 件 设 计 采 用 模 块 化 设 计 ， 整 个 系 统 分 为 初 始 化 模 块 、 频 率 测 量 模 块 、量 程 自 动 切 换 模 块 和 显 示 模 块 等 。整 个 系 统 软 件 设 计 的 程 序 由 C语 言 编 写 ， 通 俗 易 懂 。系 统 软 件 设 计 模 块 框 图 ：图 4-1 系 统 软 件 设 计 模 块 框 图4.1 开 始程 序

46、预 处 理 ， 先 声 明 头 文 件 ， 定 义 一 些 变 量 。程 序 入 口 ， main()函 数 框 图 :图 4-2 主 函 数 框 图基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 16 页 共 32 页4.2 初 始 化 模 块初 始 化 模 块 初 始 化 分 频 器 、 量 程 档 位 、 LED显 示 、 工 作 寄 存 器 、 中 断 控 制 和 定 时 计 数 器 的 工 作 方 式 等 。4.3 频 率 测 量 模 块 和 量 程 自 动 切 换 模 块经 过 初 始 化 计 数 器 1， 每 一 次 下 降 沿 触 发 一 次 计 数 器 1中 断 ， 每

47、 次 中 断 执 行 中 断 处理 程 序 则 fCnt加 1， 因 此 fCnt为 信 号 下 降 沿 次 数 ； 经 过 初 始 化 定 时 器 0，每 50ms触 发 一 次 定 时 器 0中 断 ， 每 次 中 断 执 行 中 断 处 理 程 序 则 对 数 据 下 降 沿 次 数fCnt进 行 处 理 ， 通 过 对 数 据 的 大 小 判 断 实 现 量 程 自 动 切 换 等 ,从 而 计 算 出 信 号 的 频 率 ，然 后 调 用 显 示 模 块 把 频 率 值 显 示 出 来 。 其 中 ， 16位 定 时 计 数 器 的 最 高 计 数 值 为 65535，因 此 ， 还

48、 需 要 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 。计 数 器 1和 定 时 器 0的 中 断 处 理 框 图 ：图 4-3 计 数 器 1 中 断 处 理 图 4-4 定 时 器 0 中 断 处 理基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 17 页 共 32 页量 程 自 动 切 换 模 块 框 图 ：图 4-5 量 程 自 动 切 换 程 序 流 程 图4.4 显 示 模 块显 示 程 序 将 频 率 值 和 量 程 档 位 在 数 码 管 和 LED管 显 示 出 来 。 由 于 所

49、 有 4位 数 码 管 的8 根 段 选 线 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 ,由 P0.0-P0.3逐 位 轮 流 点 亮 各 个 数 码 管 ,在 此 瞬 间 ,段 选 控 制 口 P2输 出 相应 字 符 。 P1.4-P1.6控 制 三 个 发 光 二 极 管 ， 通 过 光 颜 色 的 不 同 表 示 量 程 档 位 的 不 同 。P0.0-P0.3 对 应 共 阳 极 数 码 管 的 1， 2， 3， 4； P2.0-P2.7 对 应 共 阳 极 数 码 管 的A,B,C,D,E,F,G,DP； P1.4-P1.6 对 应 发 光 二 极 管 的 颜 色 ： 绿 色 (MHZ 档 )， 黄 色 (KHZ),红色 (HZ)。 发 光 二 极 管 全 亮 表 示 所 测 信 号 频 率 超 出 测 量 范 围 。基 于 单 片 机 的 频 率 特 性 测 试 仪第 18 页 共 32 页显 示 模 块 框 图 ：图 4-6 显 示 子 程 序 流 程 图4.5 延 时