毕业论文数字频率计系统设计07477

1、保密类别 编号 xxxx 学院学院 毕毕 业业 论论 文文 数字频率计系统设计 系系 别别 电子信息科学系电子信息科学系 专专 业业 电子信息工程电子信息工程 年年 级级 级电信一班级电信一班 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 年年 月月 日日 摘摘 要要 在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达数量级。因此，在 13 10 生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、ph 值、振动、位移、速度、 加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率 计来测量，以提高精确度。 国际上数字频率计的分类很多。按功能分类，测量某种单一功能的计数器。如频 率

2、计数器，只能专门用来测量高频和微波频率；时间计数器，是以测量时间为基础的 计数器，其测时分辨力和准确度很高，可达 ns 数量级；特种计数器，它具有特种功 能，如可逆计数器、预置计数器、差值计数器、倒数计数器等，用于工业和自动控技 术等方面。数字频率计按频段分类有低速计数器：最高计数频率10mhz；中速计数 器：最高计数频率 10100mhz；高速计数器：最高计数频率100mhz；微波频率计 数器：测频范围 180ghz 或更高。 本方案主要以信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。 at89c52 单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对 分频比的

3、控制。利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。 在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现 1hz1mhz 的频率测量， 而且可以实现量程自动切换流程。以 at89c52 单片机为核心，通过单片机内部定时/ 计数器的门控时间，方便对频率计的测量。其待测频率值使用四位共阴极数码管显示， 并可以自动切换量程，单位分别由 3 个发光二极管指示。本次采用单片机技术设计一 种数字显示的频率计，具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。 关键词：频率计关键词：频率计 单片机单片机 计数器计数器 量程自动切换量程自动切换 abstract in the field of electroni

4、c measuring, frequency measurement is the most accurate, the accuracy is up to orders of magnitude. therefore, many 13 10 physical measure in the production line, such as the temperature, pressure and discharge, liquid and ph value, vibration and move, speed, acceleration, even as various gaseous pe

5、rcentage composition etc. all use sensor to convert into signal frequency, then measure with the digital frequency meter raise the accuracy. there is a lot of kinds of digital frequency meter international.distinguish theclassification of function, measuring a certain single function counter.as the

6、digital frequency meter, could be used to measure high frequency and microwave frequency only;time counter,which is based on measuring time,the time measuring resolution and accurate degree while measuring are very accurate, can reach the ns amount class;the special counter, it has a special kind fu

7、nction, such as reversible counter, preset counter, difference counter,countdown counter etc., which are used for industry and automatic control technology,etc.there is a low speed counter distinguishing the digital frequency meter in band:the highest count frequency100 mhzs;the microwave frequency

8、counter:measure frequency range 1-80 ghzs or higher. this project is mainly formed by signal importation and enlarge an electric circuit and microcontroller module, frequency division module, the display circuit module. at89c52 mcu is the controlling core of the frequency meter, it completes the cou

9、nt of the signal under testing, decoding, display and controllig of the frequency division ratio. using its internal timer and counter to complete measuring the signal under testing. in the design process,the produced frequency meter uses external dividing frequency, to achieve 1hz 1mhz frequency me

10、asurements, and could achieve the process that switch the flow automatically. regard at89c52 microcontroller as the core, with the mcu internal timing / counter gated time, it can be easy for measuring frequency meter. the frequency to be measured displays with four common cathode, and it can automa

11、tically switch range,the unit consists of 3 light-emitting diode indicates. the design uses of microcontroller technology to design a digital frequency meter, it has high accuracy, fast response speed, the advantages of small size. key word: frequency meter single chip counter range automatically sw

12、itch 目目 录录 第一章第一章 前言前言.1 1 1.1 频率计概述 .1 1.2 频率计发展与应用 .1 1.3 频率计设计内容与要求 .3 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计.4 4 2.1 测频的原理 .4 2.2 频率测量的误差分析 .5 2.3 设计任务的分析及方案的论证 .6 2.4 等精度测量技术的理论分析 .7 2.5 总体思路 .8 2.6 具体模块 .8 第三章第三章 硬件电路具体设计硬件电路具体设计.1010 3.1 at89c52 主控制器模块 .10 3.1.1 单片机开发板原理图 .10 3.2 放大整形模块 .12 3.3 分频设计模块 .13 3

13、.3.1 分频电路分析 .13 3.3.2 74ls161 芯片介绍.14 3.3.3 74ls151 芯片介绍.16 3.3.4 分频电路 .17 3.4 显示模块 .18 3.4.1 数码管介绍 .18 第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计.1919 4.1 软件模块设计 .19 4.2 中断服务子程序 .20 4.3 显示子程序 .21 4.4 量程档自动转换子程序 .22 4.5 应用软件简介 .22 4.5.1 keil 简介.23 4.5.2 protues 简介.24 第五章第五章 频率计的系统调试频率计的系统调试.2525 5.1 硬件调试 .25 5.1.1 整形模块调

14、试.25 5.1.2 分频模块调试 .26 5.2 功能调试 .27 5.3 系统调试 .27 5.3.1 系统软硬件调试 .27 5.4 误差分析 .28 总结总结.2929 参考文献参考文献 .3030 致致 谢谢.3131 附件：频率计源程序附件：频率计源程序.3232 第第 1 章章 前言前言 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强， 易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测 量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的 关注。 1.11.1 频率计概述频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研

15、生产领域不可缺少的测 量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本 功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行 模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量 迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测 量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大， 运行速度慢而且测量低频信号不准确。在数字电路中，数字频率计属于时序电 路，它主要由具有记忆功能的触发器构成，计算机及各种数字仪表中，都得到 了广泛的应用。在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量 的测量方案、测量

16、结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得尤为重要。 测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有使用方便、测量迅速， 以及便于实现测量过程自动等优点，是频率测量的重要手段之一。本次采用单 片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等 优点。 1.21.2 频率计发展与应用频率计发展与应用 随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于抵挡产 品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性能搞，低价格。而对于中高档 产品，则要求有高分辨率，高精度，搞稳定度，高测量速率；除通常通用计数 器所具有的功能外，还要有数据处理功能，时域分析功能等等，或者包含电压 测

17、量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现 这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展 到头了。 由于微电子技术和计算机技术的发展，频率计都在不断地进步着，灵敏度 不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。在测试通讯、微波器件或产 品时，通常都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调制的或含有未知频率 分量的、频率固定的或变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确地测 量不同类型的信号，必须了解待测信号特性和各种频率测量仪器的性能。微波 计数器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路，另外还包含多个时间基准、 合成器、中频放大器等。虽然所有的微

18、波计数器都是用来完成技术任务的，但 制造厂家都有各自的一套复杂的计数器的设计、使得不同型号的计数器性能和 价格会有所差别，比如说一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分 析仪的频幕显示，对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器。我们应该视 测试需要正确的选择，以达到最经济和最佳的应用效果。 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仅是测量信 号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。在人们的生活中频率计也 发挥着越来越重要的作用，比如用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，

19、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是频率较低，误差较大。频率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，无法实时的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的捕捉到被测信号频率的变化，因 此频率计拥有非常广泛的引用范围。在传统生产制造企业中，频率计被广泛应 用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化， 用于通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。在计 量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。在无 线通讯测试中，频

20、率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可 以用来对电台的跳帧信号进行分析。 对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，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 些场合需要测量很搞的频率要求，而测量精度也受到芯片本身的限制。提出的 用 at8c52 单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度 和宽范围频率计的设计。 1.31.3 频率计设计内容与要求频率计设计内容与要求 一、任务 目的在于设计出一个高频宽（1hz1mhz），低误差（误差精度为）的时间 6 10 参数测量系统 二、要求 （1）频率测量 a

21、）测量范围信号：方波、正弦波 幅度：0.55 v 频率：1hz1mhz b）测试误差0.1% （2）周期测量 a）测量范围信号：方波、正弦波 幅度：0.55 v 频率：1hz1mhz b）测试误差0.1% （3）周期脉冲信号占空比测量 a）测量范围频率：1hz15khz 幅度：0.55v 占空比变化范围：10%90% b）测试误差1 （4）小信号放大和整形电路 其中，频率测量、周期测量应实现电路实模型及相应软件的设计和调试， 对于周期脉冲信号占空比测量应完成仿真电路设计。 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.12.1 测频的原理测频的原理 实现时间参数的数字化测量的仪器是电子计

22、数器。对于电子计数器而言， 测量频率的实质就是通过计数器记录待测信号的周期变化的次数，然后通过频 率的定义计算出待测信号的频率。 已知频率的测量表达式为： /fn t 从其测量原理和频率的数学表达式中不难看出，计数器测频必须具备以下 三个条件： （1）测量是一个比较的过程，被测信号要和基准信号作比较，必须有一个 标准的单位时间。 （2）为实现在单位时间内对于被控信号的振动次数的记录，必须有一个控 制电路。 （3）被测信号采样后的量化由电子计数器完成，以获得量化值 n。 对应于电子计数器测量频率的原理图如 2.1 所示： 图 2.1 电子测频的原理框图 可知电子计数法测频主要由 3 个部分组成：

23、 （1）时间基准 t 产生电路。 时间基准产生电路的作用是用来产生计数器所使用的标准频率。 （2）计数脉冲形成电路 计数脉冲形成电路的作用是将被测的周期信号转换成可计数的窄脉冲。 （3）计数显示电路 计数显示电路的作用是对主门输出的脉冲进行计数，其结果显示在数码 管上。 2.22.2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析 对于电子计数器而言，直接测频的误差主要由两项组成，即1 量化误差 和标准频率误差。一般地，总误差可采用分项误差绝对值合成，即： 1 (|) xc xxc ff ff tf 式中，等号右边括号内第一项为1 量化误差，第二项为标准频率误差。 （1）量化误差 用电子计数器测量频率，

24、实际上就是一个量化的过程，量化的最小单位是 数码的一个字或者一个脉冲。在测频时候，由于主门开启时刻与计数脉冲之间 的时间关系是不相关的，它们在时间轴上的相对位置是随机的，门控信号很难 精确的是被测信号的整数倍所以量化会带来误差，可知对于计数误差最大为 1 个数，所以计数器计数的最大的相对误差为： 11 x n nnf t 式中，是被测频率；t 是闸门时间。该表达式表明被测频率越高，闸门 x f 时间越宽，相对误差就越小。 （2）标准频率误差 标准频率误差又称为闸门时间误差，它是由晶振信号本身通过分频输出的 信号频率不稳定性导致的闸门时间的不稳定，而造成测频误差。 由误差合成原理可知： c c

25、ft tf 式中，晶振频率为 。该表达式表明闸门相对误差在数值上等于晶振频率 c f 的相对误差。所以，在设计中要求晶振达到的精度要比系统所要达到的精度高 一个数量级。 2.32.3 设计任务的分析及方案的论证设计任务的分析及方案的论证 本设计是一个基于单片机平台的时间参数（频率）测量系统。由于本次系 统设计的测频范围很宽（1hz1mhz） 、精度高（测量误差） ，因此精确的控 6 10 制闸门的开启和关闭，追求计数器较高的频率和较大的计数容量，保持系统在 整个测量频段内的测量精度不变及实现频标信号的高稳定度和高精确度成为了 评价系统设计优劣的关键。 （1）直接测频法（闸门时间计数法） 直接测

26、频法就是在确定的闸门时间内，通过计数器记录待测信号的周期变 化次数，并根据频率的定义来计算待测信号的频率。由于测量的起始时刻和结 束时刻相对于信号而言是随机的，将会有一个脉冲周期的量化误差，也就是对 于不同的闸门时间会产生同样的计数值 n。如图 2.2 中闸门 1 和闸门 2 时间长 度不一样，但是计数值相同。 图 2.2 直接测频法示意图 当测量时间为 t 时，测量的准确度=t/,其中为待测信号，可知对于测 x f x f 量频高时，测量准确度越高。但是低频达不到所要达到的要求。 （2）间接测周法 间接测周法就是在一个信号周期内记录下基准脉冲的个数。原理恰好与直 接测频法相对应，当测量的信号

27、周期越长，即其频率越低，测量的精度就越高， 但对于高频信号就不能适用。 （3）分段法 分段法就是采用直接测频和间接测周相结合的方法，在高频段采用直接测 频，在低频段采用间接测周，但是中间频率难以确定，要实现全频段的等精度 测量，且达到设计的要求，系统的设计复杂度很高。 （4）相关计数测频法 相关计数测频法采用多周期同步测量原理，测量输入信号的整数个周期值 而求得频率的一种测量方法。由于被测信号与门控信号之间采用同步锁定的方 式，使得主门的开启时刻计数脉冲之间的时间关系是相关的，这样便可以实现 在测频范围内频率的等精度测量。 其实，等精度测量并非严格意义上的等精度，闸门信号在测量中的开启和 关闭

28、受控于被测信号的上升沿或下降沿。其测量的精度就有赖于频标信号的稳 定度和精度。若系统要求测量精度为，那么基准源的开机稳定度和温度稳 6 10 定度应该较高，其综合性能应优于。 7 10 综上所述，对于测频方案的选择，直接测频法和间接测周法的原理很简单， 电路实现容易，但是它们都不能满足全频段范围内的信号的测量，分段法在理 论上可以保证等精度测量，其中界频率的确定也比较容易，但是随着系统测量 精度的提高，测试盲区可能会出现。而相关计数测频法虽同时对于未知待测信 号和基准信号两路信号进行计数，且对于闸门控制和频标信号的稳定度有很高 的要求，却可以满足在整个测量频段的等精度测量。 2.42.4 等精

29、度测量技术的理论分析等精度测量技术的理论分析 相关计数法测频原理如下图 2.3 所示，同步闸门是由预置开门脉冲经 0 p 同步后得到的，因而闸门时间可以准确地等于的整周期倍数，所以没 x f w t x f 有量化误差，但由于同步闸门与并不同步，因而存在1 的量化误差，可 0 f 0 n 得到下式： 00 00 () x x fnf fnf 式中，为的频率准确度。由于所用的晶体振荡器有较高的稳定度， 0 0 f f 0 f 误差很小，可以忽略，因而最大的相对误差取决于，所以当=1mhz， x x f f 0 0 n n 0 f 则在=1s 的同步闸门时间内，可达量级，能够满足设计指标。 w t

30、 0 n 6 10 图 2.3 相关计数法测频原理框图 2.52.5 总体思路总体思路 频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位 时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机 at89c52 制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部 十分频，测量较低频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。该频率计 实现 1hz1mhz 的频率测量，八位共阴极动态显示测量结果，可以测量正弦波、 三角波及方波的频率值、周期值以及脉冲宽度。 2.62.6 具体模块具体模块 根据上述系统分析，频率计系统设计具体模块有：单片机控制模块、放大 整形模

31、块、分频模块、独立按键模块及显示模块。各模块作用如下： 1、单片机控制模块：以 at89c52 单片机为控制核心，来完成它待测信号的 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 测信号周期频率的测量。单片机 at89c52 内部具有 2 个 16 位定时计数器， 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。 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。整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。 3、分频模块：考虑单片机外部计数，使用 12 mhz 时钟时，最大计数速率 为 500 khz，因

32、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 74ls161 和 74ls00 进行外部十分频。 4、显示模块：显示电路采用八位共阴极数码管动态显示。 综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、放大整形模块、分频模块及 显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图 2.4 所示。 信号放大 整形 数码管显 示 分频电路 驱动电路 at89c525v电源 图 2.4 频率计总体设计框图 第三章第三章 硬件电路具体设计硬件电路具体设计 根据系统设计的要求，频率计实际需要设计的硬件系统主要包括以下几个

33、部分：at89c52 单片机开发板、放大整形模块、分频模块，下面将分别给予介 绍。 3.13.1 at89c52at89c52 主控制器模块主控制器模块 3.1.1 单片机开发板原理图 单片机开发板原理如 3.1 图 at89c52 引脚图,3.2 图独立按键电路图，3.3 八位数码管显示电路图所示。 图 3.2 独立按键电路图 图 3.1 at89c52 引脚图 3.1.2 引脚功能及单片机端口分配 引脚功能及单片机端口分配如下表 3.1：引脚功能表，表 3.2 ：p3 口的第 二种功能说明表，表 3.3：单片机端口分配表所示。 表 3.1 引脚功能表 模 块端口功能 显示模块p1 口数码管

34、频率值显示 分频模块 p3 口切换频率、周期、脉宽 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 出缓冲器能 驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流。p3 口亦作为 at89c52 特殊功能（第二功能）使用，p3 口功 能如表 3.2 所示。在 flash 编程和校验时，p3 口也接收一些控制信号。 图 3.3 8 位数码管显示电路图 表 3.2 p3 口的第二种功能说明表 引脚号第二功能 p3.0 rxd（串行输入） p3.1 tx

35、d (串行输出) p3.2 （外部中断 0）int0 p3.3 （外部中断 1） p3.4 t0(定时器 0 外部输入) p3.5 t1(定时器 1 外部输入) p3.6 (外部数据存储器写选通)wr p3.7 (外部数据存储器写选通)rd 根据系统设计及各模块的分析得出，单片机的引脚分配如表 3.3 所示。 表 3.3 单片机端口分配表 模 块端口功能 显示模块 p1.1 清零 分频模块 p3.5 分频 3.23.2 放大整形模块放大整形模块 由于输入的信号可以是正弦波、三角波以及方波。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

36、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。当输入信号电压 幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时， 前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时 被测信号得以放大。 根据上述分析，放大电路放大整形电路采用高频晶体管 3dg100 与 74ls00 等组成。其中 3dg100 为 npn 型高频小功率三极管，组成放大器将输入频率为 fx 的周期信号如正弦波、三角波及方波等波形进行放大。与非门 74ls00 构成 施密特触发器，它对放大器的输出波形信号进行整形，使之成为矩 形脉

37、冲。具 体放大整形电路如图 3.4 所示。 5v q10 3dg100 1k r 24 10 r 22 47k r 20 10k r 19 39k r 23 11 12 13 u7d 74ls00 1 2 3 u15a 74ls00 5 6 4 u15b 74ls00 47uf c 17 100uf c 18 47k r 21 d6 f1 vx 图 3.4 放大整形电路 3.33.3 分频设计模块分频设计模块 分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率和周期测量使 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 74ls161 进行分频。 3.3.13.3.

38、1 分频电路分析分频电路分析 本频率计的设计以 at89c52 单片机为核心，利用内部的定时计数器完成 待测信号周期频率的测量。单片机 at89c52 内部具有 2 个 16 位定时计数器， 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。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（使用 12 mhz 时钟时，每 1s 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 的跳变时计数器加 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。外部输入在每个机器周期被采样

39、一次，这样检测一次从 1 到 0 的跳变至 少需要 2 个机器周期（24 个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的 124（使用 12 mhz 时钟时，最大计数速率为 500 khz），因此采用 74ls161 进行外部十分频使测频范围达到 1mhz。为了测量提高精度，当被测信号频率值 较低时，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。 3.3.23.3.2 74ls16174l

40、s161 芯片介绍芯片介绍 74ls161 是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，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 3.5 74ls161 引脚图 时钟 cp 和四个数据输入端 p0p3，清零/mr，使能 cep，cet，置数 pe，数 据输出端 q0q3，以及进位输出 tc (tc=q0q1q2q3cet)。表 3.4 为 74ls161 的功能表。 表 3.4 74ls161 的功能表 清零 rd 预置 ld 使能 ep et 时钟 cp 预置数据输入 a b c d 输出 q0 q1 q2 q3

41、l l l l l hl 上升沿 a b c da b c d hhl 保 持 hh l 保 持 hhh h 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 rd0，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 ld0，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

42、相同，这就是预置操作。接着ep=et=1,在此期间 74ls161 一 直处于计数状态。一直到 ep=0，et1，计数器计数状态结束。 从 74ls161 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，

43、其逻辑关系是 co= q0q1q2q3cet。合理应用计数器 的清零功能和置数功能，一片 74ls161 可以组成 16 进制以下的任意进制分频器。 3.3.33.3.3 74ls15174ls151 芯片介绍芯片介绍 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。74ls151 引脚如图 3.6 所示。 图 3.6 74ls151 管脚图 74ls151 的功能如下表 3.5 所示。其中 a、b、c 为选择输入端，d0-d7

44、 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。 表 3.5 74ls151 功能表 3.3.43.3.4 分频电路分频电路 根据以上分析，采用 74ls161 和 74ls151 设计分频电路如图 3.7 所示。 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 clk 2 load 9 m r 1 gnd 8 vcc 16 rco 15 q3 11 q2 12 q1 13 q0 14 u16 74161 x0 4 x1 3 x2 2 x3 1 x4 15 x5 14 x6 13 x7 12 a 11 b 10 c 9 e 7 g

45、nd 8 vcc 16 y 5 y 6 u14 74151 i11 1 i12 2 o1 3 i21 4 i22 5 o2 6 gnd 7 o3 8 i31 9 i32 10 o4 11 i41 12 i42 13 vcc 14 u13 7400 5v clear 5v p35 5v 5v clear addr0 addr1 addr2 f1 图 3.7 分频电路原理图 74ls00 74ls151 74ls161 3.43.4 显示模块显示模块 频率值显示电路采用八位共阴极数码管动态显示频率计被测数值。频率、 周期、脉宽由独立按键控制转换。 3.4.1 数码管介绍 常见的数码管由七个条状和一

46、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， 可以判断使用的是何种接口类型.两种数码管内部原理如图 3.8。 图 3.8 两种数码管内部原理图 第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计 系统软件设计主要采用模块化设计，叙述了各个模块的程序流程图，并介 绍了软件 keil 和 proteus 的使用方法和调试仿真。 4.14.1 软件模块设计软件模块设计 系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块，信号频率测 量模块和显示模块等模块组成。系统软件流程如图 4.1 所示。 频率计开始工作或者完成一次频率测量，系统软件都

47、进行测量初始化。测 量初始化模块设置堆栈指针（sp）、工作寄存器、中断控制和定时计数器的 工作方式。定时计数器的工作首先被设置为计数器方式，即用来测量信号频 率。 开始 系统初始化 频率测量 频率是否超过1khz 硬件十分频 计数器计数 测频率值 测量数据 显示 n y 图 4.1 系统软件流程总图 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

48、 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。 4.2

49、4.2 中断服务子程序中断服务子程序 t0中断服务子程序流程如图4.2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。 中断开始 关外部计数器 中断计数器装初值 开外部计数器 选择相应档位 判断计数是否为1s 中断返回 y 图4.2 t0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4.3所示。 中断开始 中断开始 计数器加1 图4.3 计数

50、器1中断服务子程序 4.34.3 显示子程序显示子程序 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 10ms20ms 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 4.4 所示。 开始

51、 选择档位 数据各位分离 送数据显示 延时 结束 图 4.4 显示子程序流程图 4.44.4 量程档自动转换子程序量程档自动转换子程序 使用定时方法实现频率测量时，外部的待测信号通过频率计的预处理电路 变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时计数器的输入脚 （p3.5）。工作高电平是否加至定时计数器的输入脚；当判定高电平加至定 时计数器的输入脚，运行控制位 tr 置 1，启动定时计数器对单片机的机器 周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时 tr 清 0，停 止计数，然后从计数寄存器读出测量数据。由显示电路显示测量结果，根据测 量结果判断，进行频率计比较后，进行档位

52、的自动切换，具体档位自动切换流 程图如图 4.5 所示。 开始 测量频率值x 显示频率值 判断x值 x1khz xnew project”菜单，出现一个对话框，要求给将要建立 的工程起一个名字，你可以在编缉框中输入一个名字,点击“保存”按钮，出现 第二个对话框，按要求选择目标器件片。建立新文件并增加到组。分别设置 “target1”中的“target,output,debug”各项，使程序汇编后产生 hex 文件。 （2）汇编，调试系统程序 keil 单片机模拟调试软件内集成了一个文本编辑器，用该文本编辑器可以 编辑源程序。在集成开发环境中选择菜单“file new.”、单击对应的工 具按钮或

53、者快捷键ctrl +n 将打开一个新的文本编辑窗口，完成汇编语言源文 件的输入，并且完成源程序向当前工程的添加。 然后在集成开发环境中选择菜单“filesave as.”可以完成文件的第 一次存储。注意，汇编语言源文件的扩展名应该是“asm”，它应该与工程文件 存储在同一文件夹之内。在完成文件的第一次存储以后，当对汇编语言源文件 又进行了修改，再次存储文件则应该选择菜单“filesave”、单击对应的工 具按钮或者快捷键ctrl +s 实现文件的保存。 接着的工作需要把汇编语言源文件加入工程之中。选择工程管理器窗口的 子目“source group 1”，再单击鼠标右键打开快捷菜单。在快捷菜单

54、中选择 “add file to group source group 1”，加入文件对话框被打开。在这 个对话框的“查找范围（i）”下拉列表框中选择存储汇编语言源文件的文件夹， 在“文件类型（t）” 下拉列表框选择“asm source file（*.a*；*.src）”， 这时存储的汇编语言源文件将显示出来。双击要加入的文件名或者选择要加入 的文件名再单击“add”按钮即可完成把汇编语言源文件加入工程。文件加入以 后，加入文件对话框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。如果不需 要加入其它文件，单击“close”按钮可以关闭加入文件对话框。这时工程管理 窗口的文件选项卡中子目录“sou

55、rce group 1”下出现一个汇编语言源文件。 需要注意，当把汇编语言源文件加入工程但还没有关闭加入文件对话框，这时 有可能被误认为文件没有成功地加入工程而再次进行加入操作，系统将显示所 需的文件已经加入的提示。在这种情况下，单击提示框中的“确定”按钮，再 单击“close”按钮可以关闭加入文件对话框。 （3）编译源程序，出现错误时，返回上一级对错误更改后重新编译，直到 没有错误为止。 4.5.24.5.2 protuesprotues 简介简介 protues是labcenter公司出品的电路分析、实物仿真系统，而keil是目 前世界上最好的51单片机汇编和c语言的集成开发环境。他支持汇

56、编和c的混合 编程，同时具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。protues能够很方便的和 keil、matlab ide等编译模拟软件结合。proteus提供了大量的元件库有 ram，rom，键盘，马达，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件，它可 以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、avr，pic等常用的mcu，与keil和 mplab不同的是它还提供了周边设备的仿真，只要给出电路图就可以仿真。 这里我将 keil 和 protues 两个软件的快速集成起来使用。 （1）首先将 keil 和 protues 两个软件安装好。 （2）然后在 c：program file

57、slabcenter eletronicsprotues 6 professionalmodels(我的 protues 是安装 c 盘里面的)目录下的 vdm51.dll 动态连接库文件复制到 c:keilc51bin 目录下面（我的 keil 也安装在 c 盘） 这个文件将在 keil 的 debug 设置时用到。 （3）打开 protues 软件，新建一文件将硬件原理图绘入图中。 （4）将 keil 生成的 hex 文件下载入单片机中，点击“开始”进行仿真。 （5）在 keil 中进行 debug，同时在 proteus 中查看直观的结果（如 lcd 显示） 。这样就可以像使用仿真器一样

58、调试程序。利用 proteus 与 keil 整合 进行实验，具有比较明显的优势，当然其存在的缺点也是有的。利用仿真实验 可以做全部的软件实验和极大多数的硬件系统，虚拟仿真实验室，因极少硬件 投入、所以经济优势明显，不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏带来的不足， 而且排除了原材料消耗和仪器损坏等因素。 第五章第五章 频率计的系统调试频率计的系统调试 频率计的系统调试包括系统软、硬件联合调试。硬件调试包括整形模块、 分频模块等模块，软件调试就是通过修改程序，使频率计功能完善，提高频率 计的测量精度。使用软件仿真，调试仿真结果，同时使用数字万用表和示波器 测试输出电压值和输出波形，调试出正确的硬件电

59、路。 5.15.1 硬件调试硬件调试 5.1.15.1.1 整形模块调试整形模块调试 整形电路采用与非门 74ls00 构成施密特触发器，它对正弦波、三角波等各 种波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲。 整形电路在 multisim10 中进行电路的仿真与调试，在 multisim10 绘制的 整形电路如图 5.1 所示。选择虚拟函数发生器输入不同的信号，同时使用数字 示波器测的输出波形，经测试施密特触发器可以把 1hz-1mhz 的正弦波等波形整 形为方波信号，仿真结果如图 5.2 所示。 u1a 74ls00d u2b 74ls00d u3c 74ls00d 2 3 xfg1 0 xsc1

60、a b ext trig + + _ _ + _ 4 d3 1n4148 5 1 图 5.1 整形电路仿真 图 5.2 整形电路输出波形仿真 搭建整形电路模块，测试电路基本正确，使用数字示波器测得输入输出波 形如图 5.3 所示。 图 5.3 整形电路实际输出波形 5.1.25.1.2 分频模块调试分频模块调试 为了达到 1hz-1mhz 的频率范围，使用外部分频，搭建分频电路，测试电路 基本正确，选择函数发生器输入 1mhz 以下不同频率的的方波信号，同时使用数 字示波器测的输出波形，经观察分频电路可以把 1mhz 以下不同频率的方波波形 进行十分频，示波器测得输入输出波形如图 5.4 所示