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基于单片机的矩形波频率计设计

2020-03-20  |  作者:现代职业教育杂志  |  栏目:论文中心

作者:郭萌萌 本文字数:2460
  [摘           要]  设计并介绍一款以STC89C52RC单片机为基础的具备测量信号源频率功能的数字频率计。该频率计由三个模块搭建而成,分别是整形放大电路模块、单片机系统和液晶显示。工作原理是将信号源采集到的信号输入整形放大模块中,将信号放大方便识别的同时整形成可以被系统识别的方波信号。处理后的信号输送到单片机系统中去,由单片机内的定时器、计数器对方波信号进行脉冲计数。计数的结果就是信号源的频率信息,,结果被传输到液晶显示屏上显示。设计的频率计可以实现对输入信号幅度在50mV-5V之间和在20HZ~400KHZ之间的信号进行频率计数的功能。经测试其Hz一档最大误差为1Hz,精度为1%,而在KHz一档最大误差为0.16KHz,精度为0.04%。
  [关    键   词]  单片机;频率计;液晶显示
  [中图分类号]  TM935.13                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603(2019)34-0306-02
   一、绪论
   随着我国电子信息产业的迅猛发展,频率测量的需求越来越大。传统时序电路等硬件的应用限制了测量范围的提高,而且因为硬件条件的限制其精度往往比较低。因此,传统频率计越来越不能满足现如今对频率测量范围和精度的要求。结合这个现实需求,本文提出了一种新的频率测量方式,即顺应单片机技术发展成熟的趋势,将单片机用作频率测量系统的控制系统,避免了传统频率计的缺点,可以有效增强频率计的性能。
   (一)研究背景和意义
   现在人们设计新的电路时,往往都倾向于尽可能减少硬件的应用,设法将过去通过硬件电路实现的功能通过软件来解决,减少设计难度的同时也尽可能地增加器件的使用程度。软件实现相比于比硬件实现具有易修改的特点,其带来的便利性和适用性更符合如今的需要,只通过软件修改几行简单的源代码就可以方便地实现功能的改变,相比在硬件电路上更改布线甚至改变电路设计无疑灵活、高效得多。
   (二)常用算法
   现如今电子设备的广泛使用离不开数字技术的发展和使用。数字频率计是现代通信测量设备和系统中不可或缺的测量设备,对电路产生信号的频率精度和信号的输出稳定度都有极
  高的要求。以下对几种常用的频率计算方式进行简单的优劣
  分析。
   1.直接式
   其好处在于高响应速度、低相位噪声,但也有电路搭建复杂、硬件庞大的缺点。
   2.锁相式
   能自动对频率信号进行实时跟踪、采集,能耗低且十分利于小型化改进。
   3.直接数字式
   是现在发展的重点,既拥有锁相式的优势,还具有可靠的工作稳定性和很高的精度。
   二、总体设计及其工作原理
   (一)设计内容及总体设计
   本文围绕单片机进行设计,将其作为控制模块的核心器件设计数字频率计。单片机本身也可以完成计数和定时的功能,加上其内部的中断系统相互配合可达到测频的目的。数字频率计应满足以下几个要求。
   1.可测范围达20Hz~400KHz,可测方波,正弦波,三角波。
   2.测量误差为正负2Hz。
   3.良好的人机功效,集成液晶显示屏。
   整个设计的工作流程:首先将测量到的信号传输到整形放大模块,经过处理可将输入信号变成可被闸门识别的方波信号。随后方波信号被传输到单片机系统中,单片机会使用其本身的定时器/计数器对输入的方波信号进行计数,计算的结果就是所测信号的频率值。
   (二)频率计的工作原理
   频率计的工作原理可以描述为:对测量的信号fs,将所测信号传输到整形放大电路中做预处理,使之变成单片机可以识别和计数的脉冲信号,经过处理后信号频率和被测信号的频率相同并没有改变,这样对频率的测量就变成了对脉冲信号的计数。当信号的状态处于低电平时,计數器开始计数;当其状态为高电平时,计数器维持保持的状态,产生的数据传到锁存器中。
   设计要求的频率测量范围为20Hz~400KHz,该频率范围属于低频范围,即设计应着重于对低频信号的测量进行优化,故此次设计拟采用T法(测周期法)对信号进行频率测量。
   三、硬件电路及原件选型
   (一)硬件电路
   最前端采用集成运放OP07和电压比较器LM393来构成放大整形模块。作为最重要的模块,单片机选型选用成熟可靠的STC89C52RC单片机。最后的显示模块使用1602液晶显示模块。
   (二)放大整形电路
   放大整形模块最先对所测信号进行处理。整形放大模块有两个部分,一是集成运放器OP07;另一个是电压比较器LM393,整体有这两个部分共同构成。
   (三)单片机模块
   单片机为主的核心模块设计有三个结构,三部分相互作用共同完成功能。这三个部分分别是STC89C52RC单片机、12M晶振构成的时钟电路和排阻等结构。
   时钟电路:单片机正常运行依赖时钟提供的基准时间运作的。因此,时钟信号的状态诸如稳定性和速度可以直接影响单片机运作。如果时钟不稳定,单片机就无法正常运行,严重影响反应速率和稳定性。

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