数字显示频率计电路设计制作

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1、本 科 毕 业 设 计/论 文题目： 数字频率计 学 院： 姓 名： 学 号： 专 业： 年 级： 指导教师： 中国大学毕业设计之频率计 数字显示频率计电路设计制作摘要：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。为了实现智能化的计数测频，实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是将单片机用于频率计的设计当中。本课题介绍以51单片机作为核心器件，另外还包括信号输入、信号放大、信号选择、时钟提供、数据显示等功能模块的数字频率计的设计方法。频率计的硬件电路是用Protel绘图软件绘制而成，软件部分的单片机控制程序

2、，是用汇编语言编写而成。由于本设计采用了模块化的设计方法，提高了测量频率的范围。关键词：测量；频率计；单片机；汇编Design of a digital frequency meter based on SCMAbstract：Among electronic technology, frequency is one of the most basic parameters, and result of measuring have a very close relation to a lot of electric parameters, so the measurement of freq

3、uency seems even more important. In order to realize the counting of intellectuality examines frequently, realize a wide-range, high-accuracy cymometer, an effective method is to use one-chip computer for the design of the cymometer. This subject recommends regarding 51 Single-Chip computer as the k

4、ey device, include signal input, signal amplify, 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 Protel mapping software, the one-chip computer control procedure of the s

5、oftware part, wrote the assembler language. Because originally design the design method to adopt module, improve the range of measuring frequency.Key words: Measurement, Cymometer, Single-Chip computer, Compilation目 录第1章 绪 论11.1 概述11.2 课题的目的意义11.3 国内外研究状况21.4 频率计的技术要求41.5 制作数字频率计的步骤4第2章 方案提出与论证62.1

6、频率测量原理62.2 频率测量方法概述62.3 可用方案介绍82.4 确定方案8第3章 系统硬件设计103.1 系统硬件总述103.2 信号输入电路113.2.1 信号输入1通道电路123.2.2 信号输入2通道电路143.3 开关电路153.4 计数电路153.5 AT89C51介绍173.6 数字频率计显示电路183.7 时钟控制电路223.8 电源电路22第4章 系统软件设计244.1 系统软件总述244.2 显示器初始化264.3 计数子程序274.4 数制转换子程序294.5 显示子程序32第5章 硬件电路制作与调试355.1 硬件电路制作355.1.1 PCB制作355.1.2 元

7、间焊接355.2 电路调试355.3 调试心得体会36结 论38致 谢39参考文献40附录1：电路图41附录2： PCB图42附录3：频率计总程序43附录4：硬件电路实物图53中国大学毕业设计之频率计第1章 绪 论1.1 概述在电子技术中，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，因此频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。因此频率测量方法的优化也越来越受到重视。测量频率的方法有很多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测

8、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。另外，由于把微型计算机的功能引入到了数字仪表，因此测量的数字化、智能化逐渐成为当前测量技术的发展趋势。数字化处理技术使得测量仪器设备功能完美，但数字处理的实时性受到处理速度的限制，实时测量对电路的处理速度要求越来越高，目前的微控处理芯片发展迅速，出现了诸如DSP，FPJA等不同领域的应用芯片。将这些芯片应用到频率计制作当中，使频率计的测量精度及速度也得到了很大程度上的提升1。其次，为了实现智能化的电子计数测频,实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是运用单片机测量频率。单片机频率计较以往的频率计有硬件电路少的优点，过去

9、许多用硬件实现的功能可以通过单片机的软件程序来实现，因为软件可以降低频率计的成本，往往只需要增减几段代码就可以实现不同的功能，同时也降低了硬件电路设计的难度，减少出错率，通过软件调试的方法还可以提高频率测量的精度。特别是MCS51系列单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器、仪表等领域。本课题设计的频率计以89C51单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。1.2 课题的目的意义本课题主要研究如何用单片机来设计数字频率计。因为在电子技术中，频率的测量十分重要，这就要求频率计要不断的提高其测量的精度和速度。在科技以日新月异的速度向前发展，经济

10、全球一体化的社会中，简洁、高效、经济成为人们办事的一大宗旨。在电子技术中这一点表现的尤为突出，人们在设计电路时, 都趋向于用尽可能少的硬件来实现, 并且尽力把以前由硬件实现的功能部分, 通过软件来解决。因为软件实现比硬件实现具有易修改的优点, 如简单地修改几行源代码就比在印制电路板上改变几条连线要容易得多, 故基于微处理器的电路往往比传统的电路设计具有更大的灵活性。单片机就属于这一类设计电路，单片机因其功能独特和廉价已在全球有数千种成功的范例, 在国内也开发出了充电器、空调控制器、 电子定时器、汽车防盗器、卫星接收机以及各种智能仪表等实用产品2。频率计也是单片机的一种很重要的应用, 价格低廉且

11、具有实际意义。虽然使用逻辑分析仪也可以很好的测量信号的频率等参数，但其价格太昂贵。实现测量的数字化、自动化、智能化已成为各类仪表设计的方向，而由单片机控制的、全自动的、数字显示的频率计就符合这一设计理念。本课题涉及到了电路设计、编写程序、绘制电路图，绘制电路板等多方面的知识。在做该课题的过程中，我对频率计有了更为全面的认识，频率计不但有很多种设计方法，而且不同设计结构的频率计有不同的优点。另外，对于制作频率计的编程方面，虽然C语言和汇编语言我都学过，但都学的不精，而且也没有自己编过程序。通过这一次的实践，它给我的编程方面上了很好的一节课，提高了我的编程能力和实际动手操作能力，这对我以后的工作和

12、学习都有很大的帮助。1.3 国内外研究状况随着科学技术的发展，频率计的设计方法也越来越多样化，有用具有记忆功能的触发器设计而成的频率计，还有用可编程逻辑器件设计而成的频率计，还有用以单片机为核心器件设计而成的频率计。说到用单片机设计的频率计，这里说一下单片频率计频率计ICM7216D3。单片频率计ICM7216D是美国Intersil公司首先研制的专用测频大规模集成芯片。它是标准的28引脚的双列直插式集成电路，采用单一的+5V稳压电源工作。它内含高频振荡器、10进制计数器、7段译码器、位多路复用器、能够直接驱动LED显示器的8段段码驱动器、8位位码驱动器。其基本的测频范围为DC至10MHz，若

13、加预置的分频电路，则上限频率可达40MHz或100MHz，单片频率计ICM7216D只要加上晶振、量程选择、LED显示器等少数器件即可构成一个DC至40MHz的微型频率计，可用于频率测量、机械转速测量等方面的应用。还有，PTS2600是英国研制的一款微波频率计，该频率计可以测量频率高达26GHz的信号，而价格才只有几万元，可谓是物美价廉。PTS2600虽然是一个低价格的微波频率计，但它能在四个波段有很好的灵敏度测量40Hz到20GHz的频率。也可以用它来测量高达26GHz的频率，只是灵敏度稍稍低了一些。日常工作中，用它来测量VF/VHF/UHF频段的频率，也十分方便和准确。PTS2600使用一

14、个12位数字的LCD液晶显示屏来显示所测得的频率、闸口时间（分辨率相关）、菜单功能以及频率表的测量结果。所有这些数值都是同时显示在一个屏幕上的。PTS2600的机箱采用高标准的铝质材料制成，各模块安装在下方有钢板支承的母板上。模块相对独立，维修方便，主要通过更换模块进行。 我国利用相检宽带测频技术设计的高精度频率计也非常具有突破性和实用性4。该项新技术及仪器是针对已有测频技术的特点及存在问题，推出完全新颖的检测精度高、便于实施且设备构成又比较经济的一种新技术及仪器。其测量精度高于一般仪器1000倍以上。而价格只相当国外同档仪器价格的1/2和1/18。该成果特点：学术思想新颖，提出了两频率信号间

15、的量化相移分辨率与最大公因子频率值及两比对信号频率值之间的关系。应用最大公因子频率的概念，用相位检测的方法进行中、高频宽频率范围的高精度测量，测量精度高而设备构成简单，它可以替代多种专用测量仪器并开发出多种用途不同的频率及周期性信号的测量仪器。用宽带相检测频技术与计算机等先进技术相结合所研制的XDU-17型高分辨率计，具有比对频率范围宽、测量精度高，设备结构简单的特点。与国内外同类仪器相比，它在测量精度等方面均达到国外同类设备的先进水平，而且性能价格比远远优于国外同类型仪器。该技术已获国家发明专利。使用这项新技术，可很好地解决各种非标准频率源的比对问题，可作为高精度频率计，还可以取代各种用途单

16、一的频标比对、校频仪器。因此这项技术具有显著的开发深度与广度。获陕西省第二届技术成果交易洽谈会金牌奖；中国发明协会第六届全国明发展览会银牌奖。该项技术国内需求量较大，故具有广泛的市场前景，应尽快投放市场。2005年我国还研制出了中国虚拟测振仪。中国虚拟测振仪是采用通用微机（台式、便携式或笔记本式），通过“东方科卡”和“DASP”（达世普）、PDB等大型软件实现的“PC卡泰”微机卡式自动测试分析仪器，是专门设计的集数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、桩基检测、噪声与声强测量、动力学修改和响应计算等多种功能于一体的独创新产品。它包含有65项信号处理新技术，28项特殊工程应用新技术，其中变时基传

17、递函数分析技术获国家发明专利。目前DASP系统可同时运行多个虚拟仪器软件，可替代64台以上的仪器，具有数百项分析测试功能。其频率测量范围为DC200MHz，超低频测量达到0.0001Hz；A/D位数达16位和24位；超低频快速测量时间仅需几分之一周期到一个周期时间，比常规仪器提高效率几十倍；频率测量精度达到0.001，幅值精度达到0.01，频率和幅值测量显示达到7位数字，阻尼比测试可达4位数字。系统的测试精度相当于国外的7位频率计和7位电压表的精度。在超低频信号测量方面，精度、频宽和效率均大大超过国内外同类产品。在今年4月中国振动工程学会振动与噪声控制分会组织的研讨评议会上，专家们一致认为，该

18、系统功能强大，技术创新多，测试精度高，效率高，效果好，体积小，重量轻，便于携带，应用范围广，主要技术指标居国内领先水平，达到国际先进水平，部分技术如变时基、变频基、倒熵谱、精熵谱、拟小波等技术指标居国际领先水平。1.4 频率计的技术要求频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已经30多年的发展史。作为一种频率测量仪器，一直以来，人们对频率计的技术特性主要有如下需求：（1）足够宽的测量范围。人们对频率测量的范围的追求是无止境的，在某些特殊的测试场合，要求频率计的测量范围足够宽，随着现代电子技术的发展，特别是高速芯片技术的发展，有些频率计数器能够直接测量100GHz以上的频率。在机动车的防撞雷达和低功

19、率通讯中继站就需要这种性能的频率计。（2）高精度和高分辨率。精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精度越高测量越准确。分辨率表明多么小的频率变化可能在仪器上显示出来。假如需要在测量4GHz时有1Hz的分辨率，仪器必须至少显示10位数。高分辨率可以快速测出更小的漂移值和不稳定值5。对于本课题所设计的频率计，要达到如下的技术要求：（1）频率测量范围：10Hz1.0GHz；（2）测量信号幅度：1V；（3）测量误差： 0.01%；（4）显示和响应时间：0.001s；（5）控制单元采用51系列单片机或其他功能相当的单片机；（6）测量结果通过LCD显示。1.5 制作数字频率计的步骤本

20、课题的制作是分这几个步骤完成的：1、查阅大量的资料，完成开题报告。在这个过程中我经常到图书馆查阅单片机以及数字频率计的相关资料，同时我也经常上网搜索这方面的资料，知识总是在不断积累的过程中了解和掌握的。因此，一段时间下来，我对频率计的国内外研究状况、发展趋势、工作原理和制作方法都有了比较清晰的了解。2、确定方案。制作频率计的方法有很多种，有模拟电路与数字电路相结合制作而成的，有用专用的频率计集成芯片制作而成的，有用单片机作为核心芯片制作而成的，等等。由于本课题是要求用51系列单片机制作数字频率计，因此选定用AT89C51单片机来制作数字频率计。3、复习所要用到的硬件知识。在确定了方案后，我认真

21、的复习模电、数电，在这个方案中模电的知识主要体现在信号输入的前置放大整形电路中，在这部分电路中主要用到三极管的放大原理。另外还有三端电源电路部分。数电知识主要体现在信号选择的开关电路部分以及计数电路部分。4、硬件设计。硬件设计主要是指画硬件电路，在这里要用到一个画图软件Protel。Protel我在大二的时候曾经学习过，由于基本没有用过，也没有复习过，所以刚开始看的时候还是有点困难。画硬件电路不仅可以体现一个人的基础知识掌握的如何，更重要的是可以锻炼一个人的全局策划能力，不要小看一个电路设计，我们不仅要设计出来使其可以正常工作，还要使设计美观大方，要尽用小的图纸设计出来。这样不仅看的时候好看，

22、也以节约资源。5、软件设计。本课题的软件部分是用汇编语言设计而成的。系统软件的设计采用了模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块,由系统的监控程序统一管理执行。编写完程序后，要编译，编译通过后生成HEX文件，然后讲该文件烧到单片机里可以了。6、PCB板制作。根据画好的原理图生成网络表，然后将网络表调入PCB中，进行PCB布局、布线、补泪滴和覆铜等操作，之后进行DRC设计规则检查，无误后将PCB文件交给制板厂家生产。7、元件焊接。PCB板制作完成后，只是一个等待焊接元件的空板子，下面要由自己来焊接元件。8、硬件调试。第2章 方案提出与论证2.1 频率测量原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的

23、频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。2.2 频率测量方法概述 表2-1 频率测量方法频率测量方法模拟法数字法直读法比较法电容充放电式电子计数式电桥法谐振法差频法示波法拍频法李沙育图形法测周期法直读法又称无源网络频率特性测量法；比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较

24、，通过观、听比较结果，获得被测信号的频率；电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数，再用电磁式仪表测量充放电电流的大小，从而测出被测信号的频率值；电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法，它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量6。 利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等一系列优点，所以下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种方法。 （1）脉冲数定时测频法(M 法)：此法是记录在确定时间内待测信号的脉冲个数，则待测频率为： （2-1）显然，时间 为准确值，测量的精度主要取决于计数的误差。其特点

25、在于：测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。 （2）脉冲周期测频法(T法)： 此法是在待测信号的一个周期 内，记录标准频率信号变化次数 。这种方法测出的频率是： （2-2）此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。 （3）脉冲数倍频测频法(AM法)：此法是为克服 M 法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过 A倍频，把待测信号频率放大 A 倍，以提高测量精度。其待测频率为； （2-3）其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比 M法高A倍，但控制电路较复杂。 （4）脉冲数分频测频法(AT法)：此法是为了提高T法高频测量时的精

26、度形成的。由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍，所测频率为： （2-4）其特点是高频测量精度比T法高A倍；但控制电路也较复杂。 （5）脉冲平均周期测频法(M/ T法)：此法是在闸门时间内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数 和标准信号的脉冲数 。若标准信号的频率为，则待测信号频率为： （2-5）M/ T 法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。 （6）多周期同步测频法：是由闸门时间与同步门控时间共同控制计数器计数的一种测量方法，待测信号频率与 M/ T法相同。此法的优点是，闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的1个字误差，测量

27、精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。2.3 可用方案介绍数字频率计是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。传统的数字频率计大多采用74LS系列数字集成电路直接测频，在使用过程中存在电路结构复杂，测量精度低、故障率高、维护不易等问题。于是，随着芯片技术的发展，很多芯片被应用到频率计的设计当中，因此频率计的设计又大致出现了两种方案7。一种是专用芯片，如利用MAXIM 公司的ICM7240制作的频率计。其特点是简单易行,但由于这种芯片的最高计数频率仅有15MHz，远不能达到在一些场合需要测量很高频率的要求,而且测量精度也受到芯片本身的限制。另一种方

28、案是以单片机为主再附加一些外围电路来设计数字频率计，采用这种方案有一个很大的优点，那就是可通过单片机的软件设计，采用适当的算法，取代很多以前用硬件实现的电路，这不仅能弥补以往频率计测量精度低、故障率高、维护不易等不足，而且性能也得到了很大的提高。2.4 确定方案从方案介绍里可以得知两种方案都比较简洁。但是前一种方案是采用的专用集成芯片，用这种芯片来做数字频率计达不到培养学生能力的目的，而且该种方案设计的频率计的精度不够高。后一种方案由于使用了功能较强的单片机，使系统可以用软件设计来代替原来的部分硬件设计以实现原有功能。采用软件设计，不仅可以通过对软件的调整来提高频率计的测量精度，而且制作出现故

29、障时修改比较容易。单片机是一种发展极快，应用方式极其灵活的芯片。它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到了广泛的应用，同样单片机也应用到了频率计的制作当中。本设计是对被测信号进行分频后送入单片机，由单片机对其测量，将测量的结果，经过运算后通过显示器显示出来。单片机中一般都设有定时计数器,如MCS-51 系列的单片机片内有两个独立的16 位定时计数器,再利用外扩展计数器的方法就可以构成24 位、32 位等量程的计数器,从而可以使其计数模值提高到16M、4G左右,若再采用单片机的定时计数器溢出中断的办法,计数模值可以更高；从理论上讲,采用这种扩展的

30、办法构成的计数器其模值可以是任意大6。若这种计数器输入的计数脉冲是周期性的、连续的脉冲信号，就可以构成频率计。显然，从理论上看这种频率计的测量模值也可以做到任意大。但在实际应用中，由于电子器件的开关速度都不可能做到任意大，从而大大地限制了其工作频率。因此提高频率计的工作频率只能在硬件选材上下工夫。第3章 系统硬件设计3.1 系统硬件总述本课题所设计的频率计由单片机AT89C51 、计数器74HC393 、分频器MB501以及时钟晶振等构成。利用外扩的计数器74HC393和单片机AT89C51 内含的16 位计数器来构成多位计数器对待测信号计数。采用的双四位二进制计数器74HC393最高计数频率

31、可达39MHz。若先对外部信号进行分频计数，再利用AT89C51对所测信号进行相对应的扩频，这样可使频率计的最高测量频率达GHz 数量级范围，由此达到频率计测量的宽范围的要求8。该频率计测量范围为10Hz2.0GHz ,分2 个频段实现。(1) 1Hz60MHz (2) 50MHz2.0GHz。如图3-1所示，为频率计的原理方框图。信号放大闸门选择信号放大分频计数器单片机时钟提供显示信号输入信号输入图3-1 频率计原理方框图下面对频率计的每一组成部分做一下简单的相应介绍，后面的章节将对每一部分做简单介绍。1. 信号输入电路：此部分包括两个小部分，第一部分是信号保护电路，是有两个反向并联的二极管

32、组成。第二部分是由三极管、电容、电阻、电感组成的放大电路，用来提高输入阻抗和放大前级提供的微弱信号。2. 分频电路：这一部分只用于信号50MHz的电路，实现对高频信号的分频。3. 闸门选择电路：由于该频率计有两个信号输入端口，因此频率计工作时，要先根据被测频率的大概大小来判断闸门电路应该接通与哪个端口相连的电路，这样测出的频率才会比较精确。4. 计数器：由四块双四位二进制计数器74HC393、单片机AT89C51内部计数器T0共同构成，其中AT98C51内的计数器被设置成16位计数器。5. 时钟提供：制作单片机频率计的关键点在于时基信号的准确性和稳定性，它决定频率计的技术精度。6. 显示：当待

33、测信号的频率被测量出大小后需要由显示电路显示出来，这里的显示模块是1602LCD，选用1602LCD是因为其占用单片机资源极少，并且还可以显示一些辅助信息。该频率计的输入电路分成两个端口，对应两个频段，输入电路主要完成对被测量信号的限幅、放大和整形。通道1输入信号频率为1Hz60MHz，通道2为50MHz2.0GHz，自校信号取自单片机的时钟电路，频率为11.0592MHz。电路的核心是计数及控制逻辑电路，通道2实现高速频率计数，计数最高频率可达2.0GHz。单片机完成整个系统的控制功能，包括信号的处理、计数过程控制及频率测量结果的处理和显示等。计数器在单片机的控制下主要完成计数功能，并锁存闸

34、门时间内的计数值。电源部分采用220V交流电经变压、滤波、稳定后得到5V电压供整个系统使用。最后频率计测量的结果由液晶显示器1602LCD显示出来。如果不用该显示器而用数码管来显示，则要采用数码管专用驱动芯片来做一个显示模块。频率计的整机电路图见附录1。PCB板图见附录2。3.2 信号输入电路本频率计的输入电路分两个量程，分别对应两个频段。图3-2为信号输入1通道的电路图，其测量范围是1Hz60MHz，图3-3为信号输入2通道的电路图，其测量范围是50MHz2.0GHz。输入电路主要完成对被测信号的限幅、放大、整形与转换作用。图3-2 信号输入1通道的电路图图3-3 信号输入2通道的电路图3.

35、2.1 信号输入1通道电路信号输入1通道电路中，首先采用两个二极管对幅度较大的输入信号进行限幅。输入端采用RC高通电路，下限频率可达1Hz。在这里C10，R12，Q2，R13组成放大电路的射极输出器，用来提高输入阻抗。那么为什么要用射极输出器来提高输入阻抗呢？射极输出器在电子技术中的应用十分广泛，对交流信号而言，射极输出器的三极管的集电极是输入与输出回路的公共端，所以是集电极电路，因从发射极输出，所以叫射极输出器，它具有高输入电阻和低输出电阻的特点9。因为输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，这对高内阻的信号源更有意义。如果信号源的内阻较高，而它接一个低输入电阻的共发射极放大电路，那么，

36、信号电压主要降在信号源本身的内阻上，分到放大电路输入端的电压就很小。又如测量仪器里的放大电路要求有高的输入电阻，以减少输入信号的损耗，同时减小仪器接入时对被测电路产生的影响，从而提高测量的准确性，就会用射极输出器作为输入级。另外，如果放大电路的输出电阻较低，则当负载接入后或当负载增大时，输出电压的下降就较小，或者说它带负载的能力较强。所以射极输出器也常用作多级放大电路的输出级。有时还将设计输出器接在两级共发射极放大电路之间，则对前级放大电路而言，它的高输入电阻对前级的影响甚小；而对后级放大电路而言，由于它的输出电阻低，正好与输入电阻低的共发射极电路相配合，这就是射极输出器的阻抗变换作用。由此可

37、见，虽然射极输出器本身的电压放大倍数较小，但接入多级放大电路后（作为输入级、输出级或中间级），使放大电路的的工作得到了改善。因此在这个数字频率计的设计当中就用到了射极输出器来提高输入阻抗。C11，R14，R15，C13，Q3组成共射放大器，用来放大前级提供的微弱信号10。下面来介绍一下共发射极放大电路的一般组成。如图3-4（a）是共射极极交流放大电路，（b）图是共射极直流放大电路。在图3-4（a）中的共发射极交流基本放大电路中，输入端接低频交流电压信号（如音频信号，频率为20Hz20KHz）。输出端接负载电阻RL（可能是小功率的扬声器，微型继电器、或者接下一级放大电路等），输出电压用表示。电路

38、中各元件作用如下：o IC +VCCis VCE VBE IB +VCC +VCC C1 +RB RC + C2 RS RL RB RC i (a) (b)图3-4 共发射交流放大1集电极电源VCC是放大电路的能源，为输出信号提供能量，并保证发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，使晶体管工作在放大区。VCC取值一般为几伏到几十伏。 2晶体管T是放大电路的核心元件。利用晶体管在放大区的电流控制作用，即= 的电流放大作用，将微弱的电信号进行放大。3集电极电阻RC是晶体管的集电极负载电阻，它将集电极电流的变化转换为电压的变化，实现电路的电压放大作用。RC一般为几千到几十千欧。4基极电阻RB以保证工

39、作在放大状态。改变RB使晶体管有合适的静态工作点。RB一般取几十千欧到几百千欧。5耦合电容C1、C2起隔直流通交流的作用。在信号频率范围内，认为容抗近似为零。所以分析电路时，在直流通路中电容视为开路，在交流通路中电容视为短路。C1、C2一般为十几微法到几十微法的有极性的电解电容。另外，经查阅资料，共射极放大电路有如下的特点：(1) 无输入信号时，晶体管的电压、电流都是直流分量。有输入信号后，、都在原来静态值的基础上叠加了一个交流分量。虽然、的瞬时值是变化的，但它们的方向始终不变，即均是脉动直流量。(2) 输出与输入频率相同，且幅度比大的多。(3) 电流、与输入同相，输出电压与输入反相，即共发射

40、极放大电路具有“倒相”作用。图3-2中，在三极管Q3的集电极与基极之间接有电阻R14，它是联系放大电路的输出电路和输入电路的一个反馈电阻，实现的是交流负反馈的作用。L1，C12在这里用做滤波电路。滤除高频干扰，为放大器提供稳定电源。3.2.2 信号输入2通道电路信号输入2通道电路的前面部分同信号输入1通道电路完全相同，在这里就不再重复了，唯一不同的是多了一个可编程分频电路。因此在这里主要讲一下这个可编程分频电路。在这个可编程分频电路里有一个分频器，首先要了解一下分频器是做什么用的。 由于现在的音箱几乎都采用多单元分频段重放的设计方式，所以必须有一种装置，能够将功放送来的全频带音乐信号按需要划分

41、为高音、低音输出或者高音、中音、低音输出，才能跟相应的喇叭单元连接，分频器就是这样的装置11。如果把全频带信号不加分配地直接送入高、中、低音单元中去，在单元频响范围之外的那部分 “多余信号”会对正常频带内的信号还原产生不利影响，甚至可能使高音、中音单元损坏。 从电路结构来看，分频器本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络，高音通道是高通滤波器，它只让高频信号通过而阻此低频信号；低音通道正好想反，它只让低音通过而阻此高频信号；中音通道则是一个带通滤波器，除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过，高频成份和低频成份都将被阻止。在实际的分频器中，有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异，还要加入

42、衰减电阻；另外，有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络，其目的是使音箱的阻抗曲线平坦一些，以便于功放驱动。这是分频器在音箱上的应用，之所以要用音箱的例子来说明分频器的应用，是因为音箱对大家来说都十分熟悉，讲解起来也更容易理解。在频率计信号输入2通道的电路中，信号经过前两级的放大，被送到MB501这个分频电路中，通过改变MB501引脚的接法，可以改变分频比，有256、128、64三种分频比，最高工作频率为2.0GHz。改变2脚和6脚的接法可以得到不同的分频比。本电路接法是64分频，由于MB501自带放大、整形电路，故应用电路极为简单。由3脚控制其是否接入电路，当MB501的8脚为+5

43、V时，分频器工作。AT89C51的10脚可以判断信号输入2通道电路的工作情况，从而来分辨信号输入端输入的是否是50MHz的信号。3.3 开关电路图3-5 开关电路图图3-5为开关电路，分频后的信号从MB501（4脚）输出。经过C14隔直后送到与非门74HC00的10脚，也就是U4C。这个门在这里当开关兼整形作用。当J2接通其1脚的时候（也就是当J2接通9脚的时候），这时门U4C打开。信号便能从10脚输入到8脚。这里的三个门U4B、U4C、U4D是起到一个开关作用。信号从U4D的11脚输出，到达电子开关U4A的2脚，再从U4A的3脚输出送到分频 74HC393；经过74HC393的256分频，最

44、后送到AT89C51的INT0口。3.4 计数电路该频率计的计数电路是利用外扩的计数器74HC393和单片机AT89C51 内含的16 位计数器来构成多位计数器分别对待测信号计数的12。在这里，将对待测信号计数的外部扩展的计数器74HC393的8脚引到AT89C51 的T0端，再利用AT89C51 的内部计数器即可构成多位计数器。将AT89C51 的定时器/ 计数器设置为16 位的计数方式可构成24 位的计数器，若利用T0 定时器计数溢出中断还可构成总共32 位或32 位以上的计数器，可视具体场合而定，在这里就不多讲了。图3-5为本频率计的计数电路。图3-6 计数电路图本课题的数字频率计的计数

45、电路的工作原理如下：计数一般是有时间的，取一段时间内脉冲的个数。比如1s。第一步先把AT89C51的12脚置0，再把12脚置1（这里的置1时间为1s，这里也就是采样的时间），打开电子开关。然后数据被送到74HC393分频，分频后的信号送到14脚T0口进行内部计数。时间到了1s就关闭电子开关，也就是把12脚 INT0置0，13脚INT1置0 单片机内部的计数器停止计数，继而对这段时间内脉冲个数进行保存。再读取,P0、P2口的状态，再把这数据和以前计数的数据相加，得到很精确的频率，再把这频率数据转换，送到LCD显示。然后89C51的13脚置1清除现有的数据信号，进行下一次数据采集。在频率计的计数过

46、程当中，如何实现1s 的定时时间是一个关键13。一般思路是利用AT89C51 本身的定时器的软件中断来实现1s 的定时。此种方法由于要达到1s 的定时，必须用AT89C51 的定时中断的多次中断来实现。若每次软件定时50ms，则需20 次中断才能达到1s。由于定时器的软件中断响应会存在延时，而且还会随着AT89C51 外部晶振频率的不同而不同，因此用软件中断很难调整到确定的1s 定时时间。并且由于内部定时器的计数频率是经过晶振频率的十二分频以后得到的，因此也很难达到所需的精度。下面介绍用硬件来实现定时的方法，用硬件来实现定时的硬件电路可将待测信号输入换成标准信号输入即可，本设计中为晶振输入。因

47、此在整个频率计的设计中需用两片74HC393 来计数。硬件实现定时的方法是对标准信号，如晶振产生的时钟信号，用外部扩展的计数器74HC393和AT89C51 内部的计数器共同对其计数来实现。将用于对标准信号计数的外部扩展计数器74HC393的最高位引到AT89C51 的T0 端， 利用AT89C51 单片机的T0口计数溢出中断可以实现对标准信号的计数和定时。若采用10MHz 晶振，要实现1s 定时，可用外部扩展的计数器和AT89C51 内部计数器构成的整个计数器计数，当其计数到10 兆个数后利用T0口的计数器计数溢出中断来实现定时即可。要使用于定时的计数器达到10 兆个计数，仅需对AT89C5

48、1 的T0计数器设置计数初始值。同理,要实现0. 01s、0. 1s 和10s的定时，也仅需设置用于定时的标准计数器的初始值，这可用软件来设定。3.5 AT89C51介绍图3-7 AT89C51外部引脚图如图3-7所示，是AT89C51的外部引脚图，下面对其每一个引脚及功能做一下简单介绍14。1 VCC（40）：电源+5V。2 VSS（20）：接地，也就是GND。3 XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时

49、，需在XTL2 上加外部时钟信号。4 PSEN（29）：片外ROM 选通信号，低电平有效。5 ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM 编程脉冲输入端。6 RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。7 EA/VPP（31）：内/外部ROM 选择端。8 P0 口（39-32）：双向I/O 口。9 P1 口（1-8）：准双向通用I/0 口。10 P2 口（21-28）：准双向I/0 口。11 P3 口（10-17）：多用途口。在本课题设计的频率计电路当中，单片机AT89C51是核心元件，它控制着整个电路的运行，包括计数器的开启与关闭、定时器的开启与关闭、外部计数器的开启

50、与关闭、高频信号分频、数据读入、数值转换以及数据显示都是由单片机来控制的。在这个电路中单片机既然要完成上述工作，就要先对单片机做一些相应的操作，只有这样，电路运行时单片机才能知道如何控制整个电路15。对单片机的操作主要分为四个步骤：第一步是源代码编辑，在源代码编辑完毕后一定要保存；第二步是编译源代码，编译要靠专业的编译软件。在编写完源代码后，在某个编译软件环境下，一般只要点击工具栏的编译按钮稍等片刻就会出现一个编译信息窗口，如果编译通过就会有编译完成，结果如下：0个警告，0个错误的编译信息，或编译成功的字样；如果编译错误则会出现编译错误的信息并提示错误的行号。第三步是程序仿真，这一步相对来说较

51、为简单。第四步是芯片烧写，把编译通过的程序写入单片机中，这要借助一种硬件工具编程器（也叫烧录器）。程序烧写到单片机里后，就可以把单片机的芯片插入到提前焊好的电路板上的单片机的底座上了。当整个频率计的电路板制作完成后，运行电路，单片机就可以控制整个电路了。3.6 数字频率计显示电路本课题设计的数字频率计的显示电路如图3-8所示，在CON16后面接1602LCD液晶显示器来显示频率值。74HC393的计数结果被单片机的P0、P2口读入，与单片机内部计数值合到一起。再通过乘以16（2.0G档用到）、二进制到十进制转换处等处理后，送入图形液晶显示模块1602LCD中显示出来。在这里之所以要用1602L

52、CD，是因为其占用单片机资源较少，并且还可以显示一些辅助信息。在这里没有用常用的数码管来显示，是由于其工作时需单片机扫描，这样就不能用软件延时了。当然一定要用数码管显示的话，可以采用数码管专用驱动芯片来做一个显示模块。但是这样要比只是用一块液晶显示麻烦一些。图3-8 频率计显示电路图图3-9 1602液晶显示器实物平常我们做电子仪器设计时，在显示部分大多数都是用数码管来显示数值，可能会对液晶显示器不太熟悉，因此在这里单独介绍一下液晶显示器LCD160216。如图3-9所示，是液晶显示器的实物图形，它采用标准的16脚接口，其引脚功能如下：第1脚：VSS为电源地，接GND.第2脚：VCC接5V正电

53、源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时间可以写入指令或者显示地址，RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：BLA背光电源正极（+5V）输入引脚。第16脚：B

54、LK背光电源负极，接GND。1602液晶显示模块内部的控制器共有11条指令，如表3-3所示。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：1为高电平，0为低电平）。表3-1 1602液晶模块内部的控制器的控制指令指 令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清显示0000000001光标返回000000001*置输入模式00000001I/DS显示开/关控制0000001DCB光标或字符移动000001S/CR/L*置功能00001DLNF*置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址（ACG）置数据存储器地址001显示数据存储器地址（ADD）读忙标志或地址01BF计数器地

55、址（AC）写到CGRAM/DDRAM10要写的数读CGRAM/DDRAM11读出的数据指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和和显示模式设置。I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平表示无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体的现实的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位。S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：

56、功能设置命令。DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线。N：低电平时为单行显示，高电平时为双行显示。F：低电平时显示5*7的点阵字符，高电平时显示5*10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接受命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。下面是LCD1602液晶显示模块的一些主要技术参数：1、 逻辑工作电压（VDD）：+4.5V+5.5V2、 LCD驱动电压（VDD-VL）：+4.5+13.0V3、 工作温度（Ta）：060（常温）/-2075（宽温）4

57、、 工作电流：2.0Ma5、 屏幕视域尺寸：62.5*16.1mm由于1602液晶显示模块可以直接和51系列单片机进行接口，所以在设计该数字频率计时就直接将1602LCD接到了单片机的后面。在图3-8中，我们可以看到在CON16的3脚上接了一个10k电位器PR1，这里的电位器是用来调节液晶显示器的对比度的。当该电位器的旋钮直接和电源端相连时，显示器屏幕的对比度最弱，当其旋钮直接和地端相连时，显示器屏幕的对比度最高。液晶显示器的数据来源是单片机的P1口，当单片机的T1端口由高电平跳变成低电平时，液晶显示器开始执行命令，并最终显示出频率的数值。3.7 时钟控制电路时钟控制电路如图3-10所示。制作

58、频率计的关键点在于时基信号的准确性和稳定性，它决定频率计的计数精度。在这里选用11.0592的晶振组成的电路来作为单片机AT89C51的时钟电路，由单片机用软件方法得到所需的门控信号。许多用单片机做的频率计用的时基都是单片机通过中断方式获得，由于AT89C51中断方式工作时存在有延时问题，这在低分辨率下可以忽略，但对大于100MHz时的1Hz的分辨率是不能忽略的。所以在这个设计当中，时基的获得没有使用中断而是直接使用软件延时得到的。图3-10 时钟控制电路图3.8 电源电路图3-11 频率计电源电路图频率计的电源电路如图3-11所示。在这个电源电路里，LM7805是核心芯片，该集成稳压芯片为三

59、端器件：1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便。普通的MCS-51单片机的工作电压是直流5V，而此频率计的电源输入端输入的是9V的电压，那么如何将9V的电压变成5V的电压呢？首先将输入的9V电压经过由四个二极管组成的全波整流器，使之变成9V的直流电，然后通过LM7805将9V的直流电稳压变成5V的直流电，提供给单片机。关于LM7805（LM表示是美国国家半导体公司产品），它是一个线性稳压模块，其输入电压一般是8V15V，最大输出电流是1.5A18，它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。它的作用通常是将815V（数据手册上标的是7V20V）的电压稳定到5V输出。注意，这个输入电压不可以过高，也不可以过低，过高要加散热片，过低则不能使输出电压达到5V。在这个频率计电源电路里，输入电压是9V，LM7805将输入的9V直流电稳压转变成5V的直流电后，从芯片的3脚输出，就可以驱动整个电路了。第4章 系统软件设计4.1 系统软件总述前面的章节已经提