近年來，隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，特別是類似單片機等相關(guān)集成電路生產(chǎn)技術(shù)的快速堀起，推動了儀器儀表及家電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用程序代碼來簡化硬件電路的復雜程度，使其不斷向著體積小，價格低廉，功能更加多樣化、智能化的方向發(fā)展。功能齊全，價格低廉的產(chǎn)品越來越受到人們的青睞，當然，科技的發(fā)展最先受益的 還是從事前沿科技研究領域的人員，對于他們來說，一款好的測量設備將為他們的研究工作帶來便利的同時也減輕很多負擔。就目前而言，高端儀器設備很多均依賴進口，研究并制造出屬于我們國家自己的高端儀器設備將是我們一直努力的方向，而且也具有非常廣闊的發(fā)展前景。

1硬件電路設計

本設計主要由信號采集電路、放大整形電路、分頻電路、信號處理電路、電源電路和顯示電路等模塊組成。當采集到的被測信號經(jīng)過放大整形電路后被整形為幅度適中的矩形波后，根據(jù)其頻率的高低選擇相應的分頻電路對其進行適當?shù)姆诸l處理，然后單片機對分頻后的信號進行測頻，再經(jīng)過處理后將結(jié)果送出去，驅(qū)動顯示電路輸出的數(shù)字頻率信息，同時指示相應的量程，從而實現(xiàn)對頻率的自動測量和顯示。頻率計的總體工作原理框圖如圖1所示。

1,1放大整形電路的設計

9013是一種NPN結(jié)構(gòu)的三極管，集電極和發(fā)射極之間的最高電壓25V，集電極和基極之間的最高電壓為45V，發(fā)射極和基極之間的最高電壓為5V，集電極的最高電流0,5A；三極管的最高耗散功率為0,625W，最高的結(jié)溫為150℃，其特征頻率為150MHz；放大倍數(shù)范圍是40倍～110倍；工作溫度范圍為-55～+150℃；74LS14是一種雙列直插式封裝具有六反相器的施密特觸發(fā)器，其工作的最高電源電壓為7V，工作環(huán)境溫度范圍為0～70℃；三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14一起構(gòu)成的放大整形電路能夠有效的對方波，正弦波，矩形波，三角波等信號進行放大和整形，并且能夠穩(wěn)定的輸出，具有較強的驅(qū)動能力，能夠滿足本課題對0Hz～20MHz的頻率范圍要求。三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14構(gòu)成的放大整形電路如圖2所示。

1.2信號分頻部分電路設計

74LS161為二進制同步計數(shù)器，具有同步預置數(shù)、異步清零以及保持等功能。合理應用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器；74LS151是具有選通輸入端，互補輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，數(shù)據(jù)選擇端(ABC)按二進制譯碼，以從8個數(shù)據(jù)(D0～D7)中選取1個所需的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)選擇器74LS151與計數(shù)器74LS161構(gòu)成的分頻電路能夠比較方便的完成對信號的分頻處理，通過數(shù)據(jù)選擇器來控制計數(shù)器構(gòu)成的分頻器工作，從而實現(xiàn)對不同數(shù)量級的頻率信號進行有效的分頻處理；為后續(xù)電路的順利進行提供必要的保證。信號分頻模塊的電路圖如圖3所示。

1.3信號處理部分電路設計

單片機系統(tǒng)的拓展通常是以最小系統(tǒng)為基礎的。信號處理模塊主要是依靠單片機的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)是一個真實有用的單片機最小配置系統(tǒng)。對于AT89C51單片機而言，因為片內(nèi)帶有程序存儲器，所以只要在芯片上外接復位電路和晶振電路就構(gòu)成了最小系統(tǒng)。單片機的XTAL1和XTAL2引腳是用來連接晶振電路的，XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端，它是內(nèi)部時鐘工作電路及振蕩器的反向放大器的輸入端；XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的器一端，在片內(nèi)它是振蕩器的反向放大器的輸出端。RST為單片機的復位端，接復位電路，該引腳為高電平時可使單片機復位，回到初始狀態(tài)。復位電路主要包括復位開關(guān)、復位電阻和復位電容。單片機的最小系統(tǒng)如圖4所示。

1,4顯示部分電路設計

在本設計系統(tǒng)中，由于只要對信號頻率和量程進行顯示，因而選擇4位共陽極的數(shù)碼管來動態(tài)顯示所測得的頻率，選用紅、黃、綠三色的發(fā)光二極管來指示對應的量程，分別對應為MHz、kHz、Hz檔。由于發(fā)光二極管的工作電流較小，一般在10mA左右，所以為了保證發(fā)光二極管的正常工作，還必須為其加上200Ω的限流電阻。四位數(shù)碼管用來顯示頻率的測量值，當頻率在0～9999Hz時，B檔位指示燈(綠)點亮；當頻率在10～999,9kHz時，K檔位指示燈(黃燈)點亮；當頻率在1～20MHz時，M檔位指示燈(紅燈)點亮。由四位共陽極的數(shù)碼管和三色發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示電路如圖5和圖6所示。

1,5電源部分電路設計

本設計要用到5V的直流電源為各個模塊供電，利用變壓器將220V的交流電進行降壓處理，得到9V的交流電壓，通過整流橋?qū)祲汉蟮慕涣麟妷哼M行整流處理變?yōu)橹绷麟妷?，再通過電容進行濾波處理，濾除高頻干擾信號，最后選擇穩(wěn)壓塊7805串聯(lián)作用于整流濾波后的直流電壓，并且為7805加上了散熱鋁片來保證其正常的散熱和工作，從而使其輸出穩(wěn)定的+5V直流電壓提供給各個模塊，理論計算得知整個系統(tǒng)的功率在穩(wěn)壓管的額定功率的范圍內(nèi)，從而保證整個系統(tǒng)的正常工作。電源電路原理圖如圖7所示。

2軟件設計

在單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)過程中，C語言的應用最為廣泛。C語言不僅能直接對計算機的硬件進行操作，而且語言靈活、程序結(jié)構(gòu)良好、代碼效率高、可移植性好。

2,1系統(tǒng)總流程圖

流 程圖分析：當電源開啟后，系統(tǒng)進行初始化，系統(tǒng)開始運行，單片機內(nèi)部開始判斷輸入信號頻率的高低，按從高到低的順序進行分頻測算從而得到合適的分頻系數(shù)來 控制數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)對信號進行分頻處理，根據(jù)頻率的高低范圍來確定點亮相應的量程指示燈以及確定要顯示小數(shù)的位數(shù)，最后將倍頻后的結(jié)果通過動態(tài)掃描的顯示 方式在四位數(shù)碼管上顯示出相應的測量結(jié)果。系統(tǒng)總流程圖如圖8所示。

2,2量程顯示的程序流程圖

流程圖分析：在系統(tǒng)確定了量程范圍后，根據(jù)不同的量程范圍分別電路不同顏色的量程指示燈：當頻率范圍在0～9999Hz時，綠色的發(fā)光二極管點亮；頻率范圍在10～999.9kHz時，黃色的發(fā)光二極管點亮；當頻率范圍在1～20MHz時，紅色的發(fā)光二極管點亮。顯示量程的程序流程圖如圖9所示。

3電路調(diào)試與結(jié)果

系統(tǒng)的調(diào)試主要從軟件調(diào)試和硬件調(diào)試兩方面著手，當然，所有的一切都是為了實現(xiàn)既定任務為目標的。軟件調(diào)試和硬件調(diào)試過程是緊密相關(guān)、互相配合的，本次頻率計設計重點是對軟件程序的調(diào)試。

利用函數(shù)信號發(fā)生器輸入正弦信號分別為279Hz時，觀察數(shù)碼管的結(jié)果。得到結(jié)果如圖10所示。

利用函數(shù)信號發(fā)生器輸入方波信號分別為680kHz時，得到結(jié)果如圖11所示。

利用函數(shù)信號發(fā)生器輸入鋸齒波信號分別為2,76MHz時，觀察數(shù)碼管的結(jié)果。得到結(jié)果如圖12所示。

利用函數(shù)信號發(fā)生器輸入三角波信號分別為583Hz時，觀察數(shù)碼管的結(jié)果。得到結(jié)果如圖13所示。

4結(jié)論

本設計經(jīng)Keil軟件進行調(diào)試后在Proteus軟件中進行仿真，并且經(jīng)過實物的測試，實現(xiàn)了對方波、三角波、鋸齒波、正弦波的頻率進行測量。具有自動切換并指示量程，精度較高，測量范圍較大等特點，符合電子儀表的發(fā)展趨勢，具有一定的實用價值。

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