基于单片机的频率特性测试仪课程设计

ID:262244 · 发表于 2018-3-27 21:00

放大整形模块

由于输入的信号可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。

本文采用单管共射极放大电路对信号进行放大和再由非门74LS00构成施密特触发器对输出的信号进行整形成矩形波后再次输出。

3.2.1 与非门74LS00

74LS00 为四组2 输入端与非门（正逻辑），共有 54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00　　Y=(AB)非

Input	Input	Output
A	B	Y
L	L	H
L	H	H
H	L	H
H	H	L

3.2.2 放大整形模块原理图

此模块原理图：

图5 放大整形电路原理图

3.3 分频模块

本文采用12MHZ的时钟，最大计数速率为500 kHz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。

为了测量提高精度，当被测信号频率值较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。这两种情况使用T1（P3.5)和TO(P3.4，程序定义为十分频接入口）计数选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应选择，继而测得相应频率值。

因此此模块主要包括分频器74LS161、与非门74LS00。

3.3.1 分频器74LS161芯片

74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器。

表4 74161的功能表

从表中可以知道，当清零端RD=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当RD=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当RD=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的异步清零功能和同步计数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。本文组成了十进制的分频器。

图6上图为分频电路

3.4 显示电路

显示模块由频率值显示电路和量程转换指示电路组成。频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测数值，量程转换指示电路由红、黄、绿三个LED分别指示Hz、KHz及MHz频率单位，使读数简单可观。

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型。

图7 两种数码管内部原理图

因为这里用的是共阳极数码管，它的公共端为高电平，因此要让其中各段（DP,A,B,C,D,E,F,G)的发光二极管发光，只要使它另一端置为低电平，即置0。

3.4.1 频率数值显示电路

图8共阳极数码管显示电路图

3.4.2 频率数值单位显示电路

图9 LED档位指示电路

四、系统软件设计

本文中系统软件设计采用模块化设计，整个系统分为初始化模块、频率测量模块、量程自动切换模块和显示模块等。

整个系统软件设计的程序由C语言编写，通俗易懂。

系统软件设计模块框图：

图10系统软件设计模块框图

4.1 开始

程序预处理，先声明头文件，定义一些变量。

程序入口，main()函数框图:

图11 主函数框图

4.2 初始化模块

初始化模块初始化分频器、量程档位、LED显示、工作寄存器、中断控制和定时／计数器的工作方式等。

4.3 频率测量模块和量程自动切换模块

经过初始化计数器1，每一次下降沿触发一次计数器1中断，每次中断执行中断处理程序则fCnt加1，因此fCnt为信号下降沿次数；经过初始化定时器0，

每50ms触发一次定时器0中断，每次中断执行中断处理程序则对数据下降沿次数fCnt进行处理，通过对数据的大小判断实现量程自动切换等,从而计算出信号的频率，然后调用显示模块把频率值显示出来。其中，16位定时／计数器的最高计数值为65535，因此，还需要先由硬件十分频后，再有定时／计数器对被测信号计数，加大测量的精度和范围。

计数器0（或者1）和定时器2的中断处理框图：

图12 计数器0（或者1）中断处理图13定时器2中断处理

量程自动切换模块框图：

图14 量程自动切换程序总流程图

4.4 显示模块

显示程序将频率值和量程档位在数码管和LED管显示出来。由于所有4位数码管的8 根段选线由单片机的P0口控制,因此,在每一瞬间4位数码管会显示相同的字符,要想每位显示不同的字符就必须采用扫描方法轮流点亮各位数码管,即在每一瞬间只点亮某一位显示字符,由P1.0-P1.3逐位轮流点亮各个数码管,在此瞬间,段选控制口P0输出相应字符。P2.4-P2.6控制三个发光二极管，通过光颜色的不同表示量程档位的不同。

P1.0-P1.3对应共阳极数码管的1，2，3，4；P0.0-P0.7对应共阳极数码管的A,B,C,D,E,F,G,DP；P2.4-P2.6对应发光二极管的颜色：绿色(MHZ档)，黄色(KHZ),红色(HZ)。发光二极管全亮表示所测信号频率超出测量范围。

显示模块框图：

图15 显示子程序流程图

4.5 延时模块

延时模块框图：