数字频率计 课程设计说明书课程设计名称： 专业课程设计 课程设计题目： 数字频率计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 2012 年 6 月 29 日摘要数字频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，在计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域应用广泛。 本文详细介绍数字频率计的软件设计，并概述了硬件设计，以中界频率为界，低频采用测周法，而高频采用测频法。其中，硬件电路由放大电路、整形电路、单片机定时计数电路、7279显示电路四个部分组成。通过单片机STC89C51实现对特定周期窄脉冲的计数功能；通过芯片LM324实现对小信号的放大；通过芯片74LS14将输入的非方波整形成方波；通过芯片hd7279A驱动数码管可连续动态显示4位数。软件部分采用的是一种结构化语言C51进行编程。它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护。主要功能模块有主程序、测频法程序、测周法程序、分离千、百、十、个位程序、7279显示程序组成。本数字频率计可测量范围在1Hz9999Hz的正弦波、方波、三角波的信号，时基宽度为1us,10us,100us,1ms，本数字频率计测量误差大约在0.1%左右，精度为0.04%，直接由软件判断测频所用方法，解决了存在的换挡速度慢等缺点，并且节约了硬件上的成本。具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便等优点，而且还具有成本低、性价比高、功耗低等特点。因此，该频率计具有一定的实用价值。关键词：测频法、测周法、STC89C51单片机、HD7279A目录前言3第一章 硬件电路方案设计及设计要求41.1 设计内容及要求41.2 方案比较41.3 方案论证51.4方案选择6第二章 系统组成和工作原理72.1系统组成72.2 系统工作原理72.2.1频率计测量方法简介72.2.2工作原理8第三章 硬件电路设计93.1单片机最小系统电路93.1.1 STC89C51功能简介103.1.2单片机STC89C51引脚图113.1.3复位电路123.2 放大整形模块143.3 施密特整形143.4 HD 7279A显示模块15第四章 软件设计及程序流程图184.1 编程语言的选择及程序的编译调试184.2 单片机计数原理194.3主程序设计194.3.1 设计思路194.3.2程序流程图20第五章 实验调试、测量结果记录和误差分析245.1实验调试245.2 测量结果记录245.3误差分析265.3.1产生误差的原因265.3.2减小误差的方法26第六章 小结和体会28参考文献29附录一 元器件清单30附录二 实验电路图30附录三 实验代码31前言当今社会，随着科技的进步，数字系统的设计有了很大的进步，如今运行速度快、在功能更加强大的基础上更加便于使用携带成了发展的方向。60年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，结合电测技术创造出了完全新的数字式仪表。它在测试方法、原理、仪器结构和操作方法上完全与前面所讲的模式式仪表不同，在质的方面也有很大的飞跃，70年代以来，把微型计算机的功能引入数字仪表，产生了新型智能化仪表，它具有程序控制、信息储存数据处理和自动检修功能，使数字仪表向高准确度、多功能、高可靠性和低价格方面大大迈进了一步。近代的数字频率计就其功能而言，早已超出了早期只能测量频率的范畴，而具有测量周期、频率比、脉冲时间、累加计数等用途，并能输出标准频率、时标脉冲、闸门时间脉冲及编码信号等，成为一机多能、测频范围宽、测量精度高、测量速度快、自动化程度高、直接数字显示、操作简便的常用电子仪器，它在教学、科研、生产、国防中得到广泛使用。频率测量仪在数字电路、模拟电路中应用比较广泛，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，经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪：可以测量电容做成数字电容测量仪;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量方面的广泛应用。由于时基电路，逻辑控制电路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。因此，本课程报告采用单片机为核心的控制电路，放大整形电路、和显示电路的构成原理，判断所测量频率与中界频率的大小关系，在高频段测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法，将使整个系统大大简化，提高整体性能，并且进行了相应的硬软件设计。其基本功能是测量正弦信号、三角波信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量，以十进制数字的方式显示被测信号频率。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，因此它在电子测量过程中必不可少。第一章 硬件电路方案设计及设计要求1.1 设计内容及要求基本要求：1频率变换范围1Hz-9999Hz2 测量精度1%3 4位LED显示4 可测量方波、正弦波、三角波5 高频采用测频法，低频采用测周法测量1.2 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的动态扫描把测出的数据送到数字显示电路显示。其实原理框图如图1所示信号放大电路信号整形单片机STC89C51电路数字显示电路图1.1 方案一原理图 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所示逻辑控制电路译码显示器锁存器闸门电路计数器时基电路放大整形电路图1.2方案二原理框图1.3 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，再被送到波形整形电路整形，把被测得正弦波或者三角波为方波。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。1.4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，成本相对高了点。基于上述，所以选择了方案一。第二章 系统组成和工作原理2.1系统组成本系统主要由放大模块、施密特整形模块、单片机模块和HD7279驱动显示模块组成。通过软件判断高频或低频，单片机计数脉冲周期或个数来动态测量所求频率，并通过7279数码管显示出来。得到系统的总体结构框图如图2.1所示HD7279驱动数码管显示单片机模块（计数、定时） 施密特整形放大模块 图2.1 数字频率计功能模块2.2 系统工作原理2.2.1频率计测量方法简介（1）测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数。用一标准闸门信号（闸门宽度为Tc）对被测信号的重复周期进行计数，计数结果为Nx时，其待测频率为（公式2-1） 时间Tc为标准闸门宽度（s），Nx为计数器计出的脉冲个数（重复周期数），测量的精度主要取决于计数Nx的误差。其特点在于：测量方法简单；待测信号频率越高，精度越高；测量时间越长，误差越小；但当待测信号频率较低时，误差较大。（2）测周法此法是在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率信号变化次数N0。这种方法测出的频率是 =/ （公式2-2） 此法的特点是低频检测时精度高，但高频检测时误差很大。为了提高T法高频测量时的精度可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍。2.2.2工作原理本次设计的数字频率计是以STC89C51 单片机为核心, 被测周期信号通过放大整形电路经过操作形成特定周期的窄脉冲，送到单片机的T0（P3.4）口外脉冲触发计数。以1KHz为中界频率，1000Hz-9999Hz为高频段采用测频法，记下1s脉冲个数 c=256TH0+TL0 (式2-3) 1Hz-999Hz为低频段采用测周法，计算10个脉冲所用时间TT=溢出次数溢出时间+计数值1us f= (式2-4)最后，将被测信号频率通过显示电路读取数值。第三章 硬件电路设计本频率计的数据测量系统主要元器件是单片机STC89C51，由外部晶振完成对待测信号频率的定时和计数等功能，外部还要有放大电路、整形电路、显示电路。3.1单片机最小系统电路本次设计的数字频率计是以宏晶公司STC89C51微处理器作为系统的控制核心，单片机控制电路主要由晶振电路、复位电路及串行通信电路构成。由其组成的单片机最小系统电路原理图如图3.1所示。 图3.1 单片机最小系统 3.1.1 STC89C51功能简介(1)增强型1T 流水线/ 精简指令集结构8051 CPU (2)工作电压：3.4V-5.5V （5V 单片机）/ 2.0V-3.8V （3V 单片机 (3)工作频率范围：0 -35 MHz，相当于普通8051 的0420MHz.实际工作频率可达48MHz. (4)用户应用程序空间12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字节 (5)片上集成512 字节RAM (6)通用I/O 口（27/23个），复位后为：准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口） 可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏 每个I/O 口驱动能力均可达到