毕业设计一种数字频率计的设计

毕业设计一种数字频率计的设计内容摘要：

示模块）做了详细的分析。 根据设计要求，所要设计的系统除了达到最基本测量频率的功能外还必须要有一定精度，一定的测量范围和一定的适应波形。 主系统的框架图如图 所示。 整体电路包含了以下部分，分别是稳压电源模块、 信号整形 模块 、分频处理 模块 、数据选择 稳压电源模块 分频模块CD4518 数据选择模块74LS151 整流模块LM311 单片机模块 AT89C52 显示模块12864LCD 分频模块CD4518 周期信号输入接口 图 系统框图 模块 、单片机 模块 和数据显示 模块 以及其他辅助电路。 系 统时钟采用内部晶振方式，约为 12MHz。 本数字频率计的工作原理：待测信号通过接口输入信号整形部分 LM311，整流模块LM311 将未知信号转换成所需要的方波，整流出来的方波通过分频器 CD4518，然后信号输入到数据选择器 74LS151，数据选择器 74LS151 将最后的选择结果传输给单片机AT89C52，此时由单片机 AT89C52 来控制选择不同的分频信号，并将信号的频率计数，转化为相应的显示代码发往液晶显示器 12864LCD 输出显示结果。 信号整形 电路 我们可以有很多种方法将未知转换成方波，例如我们学过的施密特触发器，传统的运放，以及过零比较器等等。 施密特触发器有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持。 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓。 施密特触发器的电路连接图如图 所示 图 施密特触发器 慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。 输入的信号只要幅度 达到某一值时，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。 由传统运放组成的能将信号转换为脉冲的电路连接如图 所示。 在本次设计中我选用的是过零比较器，此过零比较器由一个 LM311 构成， 它可以将正弦波变成所需要的方波，而且 LM311 的转换速度为 200ns，带宽增益为 4MHz，符合本设计的要求。 图 信号转换电路 信号转换电路主要由 LM311 构成，如下图 所示：它是一个过零比较器，其 1脚接地， 2 脚作为输入端， 3 脚与 1 脚相连并接一个阻 值为 1K 的滑动变阻器。 4 脚与 8脚分别接 12V 及 +12V 直流电压。 5， 6 脚悬空， 7 脚作为输出端，并接一个 5K 的上拉电阻及 +5V 直流电压。 这样，当正弦信号通过这个过零比较器的时候，将会被处理 图 过零比较器的仿真模型 成方波输出。 考虑 待测频率可能较高，而 LM311 的转换速度 200ns，可以满足设计要求。 信号分频与数据选择电路 分频与数据选择是由两个部分组成的，即分频部分和数据选择部分。 分频部分我选用的是 CD4518 如图 所示。 CD 4518 采用并行进位方式，只要输入一个时钟脉冲，计数单元 Q1 翻转一次：当 Q1 为 1， Q4 为 0 时，每输入一个时钟脉冲，计数单元 Q2 翻转一次；当 Q1=Q2=1 时，每输入一个时钟脉冲 Q3 翻转一次；当Q1=Q2=Q3=1 或 Q1=Q4=1 时，每输入一个时钟脉冲 Q4 翻转一次。 这样从初始状态 （ “0”态）开始计数，每输入 10 个时钟脉冲，计数单元便自动回复到 “0”态。 利用这一性质我们就可以通过两片 CD4518 芯片得到十分频、一百 分频、一千分频、一万分频的脉冲信号。 数据选择部分我选用的是 74LS151，其引脚图如图 所示。 74LS151 为互补输出的 8 选 1 数据选择器。 使能端为 1 时，不论引脚 11 状态如何，均无输出，多 图 CD4518 引脚图 图 74LS151 路开关被禁止。 使能端为 0 时，多路开关正常工作，根据地址码，即引脚 11 的状态选择 I0 到 I7 中某一个通道的数据输送到输出端。 如此说来只需将原信号接 I0，再分别将分频器分出 的十分频、一百分频、一千分频、一万分频的脉冲信号接八路模拟开关 74LS151 的 I I I I I5 口，使用单片机通过引脚 1 9 控制 74LS151来选择不同分频信号就能实现所要功能了。 具体连接方式如图 所示。 单片机最小系统设计 本次设计使用的单片机为 AT89C52 单片机，系统主要由晶振电路，复位电路与单片机芯片组成。 晶振电路由一个 12M 的晶振外加两个 30pf 的电容组成。 由晶振两端引出的两个引脚和单片机的 X1 和 X2 相连。 复位电路由一个按键，两个电阻，和一个电容组成，两个电阻 的阻值分别为 100 欧姆和 10K 欧姆，其中 10K 欧姆的电阻要求与地相连。 复位电路与单片机上的 RESET 脚相连。 单片机上的 INT0 管脚作为信号的输入端， P20—P23 口作为与 LCD 连接的接口，以便控制其显示。 具体的连接方法如图 所示。 图 分频数据选择器 如图 单片机系统 显示方案论证 LED方案 七段数码管，如图 所示。 对于 LED 七段数码管，有其自身的优势，如 无汞、节能、节材、对 环境无电磁干扰、无有害射线等。 此外， LED 七段数码管采用 低压供电 ,无高压环节，为了绝缘的开销要小很多，比较经济，而且可靠性高。 它附件简单，无启动器、镇流器或超高压变压器。 结构简单，具有固体光源的最大优点，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题，耐冲击。 而且编程简单，使用寿命长。 色彩纯厚，由半导体PN 结自身产生色彩，纯正，浓厚，柔和不刺眼。 无需维护， 10 万小时寿命，可以使用50 年，大大减少使用期间的维护费用。 但是它的字符显示能力有限，无法根据用户的要求显示更为复杂的文字。 LCD12864方案 液晶显示器 LCD12864，如图 所示。 对于液晶显示器来说 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 图 七段数码管 图 12864LCD 带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位 /8 位并行、 2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集 .利用该模块灵 活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示 84 行1616 点阵的汉字 . 也可完成图形显示 .低电压低功耗是其又一显著特点。 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 综合各方面的考虑，在本次设计中我采用的带中文字库的 12864LCD 液晶显示器。 第 4章 软件设计 本设计软件部分采用了 MCS51 汇编语言编制，采用了结构 化，模块化的程序设计方法。 包括了主程序、外部中断 0 子程序、外部中断 1 子程序、 IC 卡与 片外数据存储器的读写软件设计、 显示子程序 等模块组成。 本章还给出了详细的流程图。 具体程序见附录 B。 首先，系统要初始化。 接着要使用一个循环做延时程序，算出益处的终端个数，此时控制 74LS151 选择需要的通道联通，通道的选择要尽量考虑到单片机所能计算的频率值，然后记下分频倍数作为后期处理数据之用。 若采用了分频，则将单片机算出的数据乘以相应的分频数使其还原为 最初频率，若没有分频，则将数据直接处理为符合12864LCD 显示的数据送显示模块显示。 计数模块是本系统的核心模块，本系统的主要工作都是由它来完成的。 当计数模块开始工作，首先检测一下模块的输入复位信号是否有效为高电平，如果有效，则将模块内的变量复位，同时将输出信号复位。 如果不是处于复位的状态，则先判断被测信号是否大于 20MHz，如果大于 20MHz，则采用直接测频法进行测量。 反之，则检测预置门控信号是否有效，即 START 是否为高电平，如果该信号满足是高 电平的条件，则要检测被测信号的上升沿是否来到，如果上升沿来到，则同时启动计数模块内的两个计数器，对被测信号和标准频率信号同时开始计数。 直到预置门控信号的下降沿到来，同时将两个计数器停止计数，然后，输出使能信号，通知单片机来读取计数结果。 计数模块主要是用内部的两个计数器在预置门控时间内对被测信号和时基信号进行计数，而完成频率测量工作的。 测量完成后，向单片机输出计数结果和输出使能信号，由单片机完成数据运算、处理，如果这次的计数结果符合测量的精度要求，则将计数结果送往下面的显示模块将其显示出来。 如果计数结果达不 到量程、精度等要求，则通知控制模块做出调整，重新进行测量，直到各项指标满足要求为止。 因为该系统的测量范围是 0. 1Hz50MHz，范围比较宽，为了保证测量精度，该系统采用了两种方法相结合的办法，来解决问题。 不但保证了系统在低频阶段实现了较高的测量精度，而且在高频阶段用比较简单的方法得到了较高的测量精度，从而在整体上提高了系统的测量精度。 计数模块流程图如图 所示。 图 计数模块流程图 控制模块是整个测频系统的控制部分，它控制着系统其它模块的工作，控制 着整个系统测量工作的开始。 开始 CRL=1 模块内变量和输出信号复位 直接测量法 START=0。 单片机取数 结束 Fx20M? START=1? Fx=1? 计数模块开始计数 Y N Y N N N N Y Y 在整个系统测量工作过程中，控制模块控制其开始，并控制其它模块的工作情况。 要使控制模块工作需要三个条件 :首先必须产生控制模块的时钟 (当开始脉冲宽度大于模块时钟一个周期时 )。 接着初始化模块电路的 CLR(复位信号 )、 SEL(设定选择信号 )等。 最后对 CLR 的状态进行检测。 当 CLR=„1‟时，先复位其内部的变量，然后输出 CLR 信号。 当 CLR= `0‟时，这时输出频率开始测量 CLK 信号，以便测频系统开始工作。 控制模块流程图如图 所示。 图 控制模块 流程图 基准时间产生模块主要产生信号选择模块需要的基准时间 (闸门时间 )以及为控制模块提供时钟。 当模块检测到该模块的复位脉冲信号有效时，首先将本模块内的变量复位，然后产生模块输出复位信号，用于下一个模块。 随后，当模块将检测到输入的开始信号开始 CLK 分频 CLR=1。 CLR 上升。 模块内变量复位 输出脉冲测量信号 结束 Y Y N N START 有效时，模块先输出模块复位信号，对后面的模块进行复位。 然后检测输入复位脉冲信号 RESET 是否有效，如果有效，则将本模块内的变量复位，然后产生模块输出复位信号。 如果无效，则完成分频工作。 基准时间产生模块流程图如图 所示。 图 基准时间产生模块流程图 信号选择模块设计 信号选择模块首先检测模块的输入复位信号 RESET 是否为高电平，如果是高电平的话，则进行模块的复位操作，复位成初始化的状态，并且输出复位脉冲信号。 如果不是处于复位状态，则根据初始化的状态选出一个信号，当作时基信号。 然后检测控制模块的状态，如果为高电平，则将选择信号的状态加一。 如果为低电平，则将其状态减 1，直到最后选到合适的信号。 信号选择模流程图如图 所示。 开始 RESET=1。 RESET=1。 START=1。 结束 闸门信号 FSD 分频 复位变量 N N N Y Y Y 图 信号选择模块流程图 测量频率之前需要计算在 10ms 延时内的脉冲个数，此时还需要知道是否经过了分频以及分频了多少次，这一步通过数据选择部分就能够知道。 算出分频的次数，在最后数据处理的时候相应的还原最初频率。 至于一个周期的时间我们可以通过测量两个下降沿的时间来知道，最后将处理好的数据送显示部分显示。 软件流程图如图 所示。 开始 RESET=1。 模块变量复位 SEL+1 +。 SEL1 CHOICE=1? 信号选择 结束 Y Y N N。