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基于单片机的4位数字频率计设计论文(含程序).doc
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基于单片机的4位数字频率计设计论文(含程序).doc
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数字频率计实验报告
2004-7-1
1
摘要
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、
测量结果都有十分密切的关系,因此,频率的测量就显得更为重要。测量频率的
方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及
便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。数字式频率计的
测量原理有两类:一是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个
数;二是间接测频法即测周期法,如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的
频率测量,通常采用计数器、数据锁存器及控制电路实现,并通过改变计数器阀
门的时间长短在达到不同的测量精度;间接测频法适用于低频信号的频率测量,
本设计中使用的就是直接测频法,即用计数器在计算1S内输入信号周期的个数。
数字频率计是数字电路中的一个典型应用,实际的硬件设计用到的器件较多,
连线比较复杂,而且会产生比较大的延时,造成测量误差、可靠性差。随着现场
可编程单片机的广泛应用,运用单片机控制,将使整个系统大大简化,提高了系
统的整体性能和可靠性。
关键词:频率测量;单片机;数据处理
数字频率计实验报告
2004-7-1
2
目录
摘要....................................................................................................................................................1
目录....................................................................................................................................................2
一 系统概述....................................................................................................................................3
1.系统组成.................................................................................................................................3
2.信号处理方法.........................................................................................................................3
二 器件简介....................................................................................................................................6
1.主控制器 AT89S52 ................................................................................................................6
(1)MSC-51 芯片资源简介...........................................................................................6
(2)单片机的引脚...............................................................................................................7
(3)89S51 单机的电源线....................................................................................................8
(4)89S51 单片机的外接晶体引脚....................................................................................8
(5)89S51 单片机的控制线................................................................................................8
(6)89S51 单片机复位方式................................................................................................9
2.数码管显示器简介...............................................................................................................10
(1)数码管的分类........................................................................................................10
(2)数码管的驱动方式................................................................................................10
(3)数码管参数............................................................................................................11
(4)数码管应用............................................................................................................11
(5)数码管使用的电流与电压....................................................................................12
(6)恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响............................................................12
(7)怎样测量数码管引脚.................................................................................................12
3.元件设计软件 CPLD ...........................................................................................................13
(1)CPLD 简介 ............................................................................................................13
(2)CPLD 器件特点 ....................................................................................................13
三 系统设计..................................................................................................................................14
1.硬件设计...............................................................................................................................14
(1)信号予处理电路....................................................................................................14
(2)单片机系统............................................................................................................14
(3)数据显示电路........................................................................................................15
(4)VHDL 实现 74LS160 功能...................................................................................15
2.系统软件设计.......................................................................................................................18
数字频率计实验报告
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3
(1)数据处理过程.............................................................................................................18
(2)系统软件框图.............................................................................................................19
(3)浮点数学运算程序.....................................................................................................19
(4)实测结果和误差分析............................................................................................20
四 参考文献..................................................................................................................................22
附件 1:程序清单...........................................................................................................................23
一 系统概述
1.系统组成
频率计由单片机89C51 、信号予处理电路、串行通信电路、测量数据显示电
路和系统软件所组成,其中信号予处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形
整形和分频电路。系统硬件框图如图1 所示。信号予处理电路中的放大器实现对
待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形整形电路实现把
正弦波样的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/ CMOS 兼容信号;分
频电路用于扩展单片机的频率测量范围并实现单片机频率测量和周期测量使用
统一的输入信号。
图1 系统硬件框图
系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转
换模块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数
算术运算模块、浮点数到BCD 码转换模块。系统软件框图如图2 所示。
数字频率计实验报告
2004-7-1
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2.信号处理方法
本频率计的设计以AT89C51 单片机为核心,利用它内部的定时/ 计数器完成待测信
号周期/ 频率的测量。单片机AT89C51 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中断要求的功能。在构
成为定时器时,每个机器周期加1 (使用12MHz 时钟时,每1us 加1) ,这样以机器周
期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从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。
外部输入每个机器周期被采样一次,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1/ 24 (使用12MHz 时
钟时,最大计数速率为500 KHz) 。定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR 控
制,当TR置1 ,定时/ 计数器开始计数;当TR 清0 ,停止计数。设计综合考虑了频率
测量精度和测量反应时间的要求。例如当要求频率测量结果为3 位有效数字,这
时如果待测信号的频率为1Hz ,则计数闸门宽度必须大于1000s。为了兼顾频率测
量精度和测量反应时间的要求,把测量工作分为两种方法。当待
测信号的频率大于100Hz 时,定时/ 计数器构成为计数器,以机器周期为基准,由软
件产生计数闸门,这时要满足频率测量结果为3 位有效数字,则计数闸门宽度大于
1s 即可。当待测信号的频率小于100Hz 时,定时/ 计数器构成为定时器,由频率计
的予处理电路把待测信号变成方波,方波宽度等于待测信号的周期。用方波作计
数闸门,当待测信号的频率等于100Hz ,使用12MHz 时钟时的最小计数值为10000 ,
完全满足测量精度的要求。
图2 系统软件框图
数字频率计实验报告
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1. 3 频率计的量程自动切换
在使用计数方法实现频率测量时,这时外部的待测信号为定时/ 计数器的计数源,
利用软件延时程序实现计数闸门。频率计的工作过程为:首先定时/计数器的计数
寄存器清0 ,运行控制位TR 置1 ,启动定时/ 计数器;然后运行软件延时程序,同时
定时/计数器对外部的待测信号进行计数,延时结束时TR 清0 ,停止计数;最后从计
数寄存器读出测量数据,在完成数据处理后,由显示电路显示测量结果。在使用定
时方法实现频率测量时,这时外部的待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度
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。这时频率计
的工作过程为:首先定时/ 计数器的计数寄存器清0 ,然后检测方波高电平是否加
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,在完成数据处理后,由显示电路显示测量结果。测量结果的显示格式采
用科学计数法,即有效数字乘以10 为底的幂。这里设计的频率计用5 位数码管显
示测量结果:前3 位为测量结果的有效数字;第4 位为指数的符号;第5 位为指数的
值。采用这种显示格式既保证了测量结果的显示精度,又保证了测量结果的显示
范围(0. 100Hz - 9. 99MHz) 。量程自动转换的过程由频率计测量量程的高端开
始。由于只显示3 位有效数字,在测量量程的高端计数闸门不需要太宽, 例如在10.
0 KHz -9919 KHz 频率范围,计数闸门宽度为10mS 即可。频率计每个工作循环开
始时使用计数方法实现频率测量,并使计数闸门宽度为最窄,完成测量后判断测
量结果是否具有3 位有效数字,如果成立,将结果送去显示,本工作循环结束;否则
将计数闸门宽度扩大10 倍,继续进行测量判断,直到计数闸门宽度达到1s ,这时对
应的频率测量范围为100Hz - 999Hz。如果测量结果仍不具有3 位有效数字,频率
计则使用定时方法实现频率测量。定时方法测量的是待测信号的周期,这种方法
只设一种量程,测量结果通过浮点数运算模块将信号周期转换成对应的频率值,
再将结果送去显示。这样无论采用何种方式,只要完成一次测量即可,频率计自动
开始下一个测量循环,因此该频率计具有连续测量的功能,同时实现量程的自动
转换。
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