基于單片機的頻率特性測試儀課程設計

ID:262244 · 發表于 2018-3-27 21:00

放大整形模塊

由于輸入的信號可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的閘門或計數電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。

本文采用單管共射極放大電路對信號進行放大和再由非門74LS00構成施密特觸發器對輸出的信號進行整形成矩形波后再次輸出。

3.2.1 與非門74LS00

74LS00 為四組2 輸入端與非門（正邏輯），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 放大整形模塊原理圖

此模塊原理圖：

圖5 放大整形電路原理圖

3.3 分頻模塊

本文采用12MHZ的時鐘，最大計數速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現單片機頻率測量使用統一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統的測頻誤差。

為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數器計數測得頻率值；當被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數測得頻率值。這兩種情況使用T1（P3.5)和TO(P3.4，程序定義為十分頻接入口）計數選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據信號頻率值的高低進行通道的相應選擇，繼而測得相應頻率值。

因此此模塊主要包括分頻器74LS161、與非門74LS00。

3.3.1 分頻器74LS161芯片

74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器。

表4 74161的功能表

從表中可以知道，當清零端RD=“0”，計數器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當RD=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態分別與并行數據輸入端D3，D2，D1，D0的狀態一樣，為同步置數功能。而只有當RD=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應用計數器的異步清零功能和同步計數功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。本文組成了十進制的分頻器。

圖6上圖為分頻電路

3.4 顯示電路

顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數碼管動態顯示頻率計被測數值，量程轉換指示電路由紅、黃、綠三個LED分別指示Hz、KHz及MHz頻率單位，使讀數簡單可觀。

數碼管是一種半導體發光器件，其基本單元是發光二極管。常見的數碼管由七個條狀和一個點狀發光二極管管芯制成，叫七段數碼管，根據其結構的不同，可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管兩種。根據管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型。

圖7 兩種數碼管內部原理圖

因為這里用的是共陽極數碼管，它的公共端為高電平，因此要讓其中各段（DP,A,B,C,D,E,F,G)的發光二極管發光，只要使它另一端置為低電平，即置0。

3.4.1 頻率數值顯示電路

圖8共陽極數碼管顯示電路圖

3.4.2 頻率數值單位顯示電路

圖9 LED檔位指示電路

四、系統軟件設計

本文中系統軟件設計采用模塊化設計，整個系統分為初始化模塊、頻率測量模塊、量程自動切換模塊和顯示模塊等。

整個系統軟件設計的程序由C語言編寫，通俗易懂。

系統軟件設計模塊框圖：

圖10系統軟件設計模塊框圖

4.1 開始

程序預處理，先聲明頭文件，定義一些變量。

程序入口，main()函數框圖:

圖11 主函數框圖

4.2 初始化模塊

初始化模塊初始化分頻器、量程檔位、LED顯示、工作寄存器、中斷控制和定時／計數器的工作方式等。

4.3 頻率測量模塊和量程自動切換模塊

經過初始化計數器1，每一次下降沿觸發一次計數器1中斷，每次中斷執行中斷處理程序則fCnt加1，因此fCnt為信號下降沿次數；經過初始化定時器0，

每50ms觸發一次定時器0中斷，每次中斷執行中斷處理程序則對數據下降沿次數fCnt進行處理，通過對數據的大小判斷實現量程自動切換等,從而計算出信號的頻率，然后調用顯示模塊把頻率值顯示出來。其中，16位定時／計數器的最高計數值為65535，因此，還需要先由硬件十分頻后，再有定時／計數器對被測信號計數，加大測量的精度和范圍。

計數器0（或者1）和定時器2的中斷處理框圖：

圖12 計數器0（或者1）中斷處理圖13定時器2中斷處理

量程自動切換模塊框圖：

圖14 量程自動切換程序總流程圖

4.4 顯示模塊

顯示程序將頻率值和量程檔位在數碼管和LED管顯示出來。由于所有4位數碼管的8 根段選線由單片機的P0口控制,因此,在每一瞬間4位數碼管會顯示相同的字符,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點亮各位數碼管,即在每一瞬間只點亮某一位顯示字符,由P1.0-P1.3逐位輪流點亮各個數碼管,在此瞬間,段選控制口P0輸出相應字符。P2.4-P2.6控制三個發光二極管，通過光顏色的不同表示量程檔位的不同。

P1.0-P1.3對應共陽極數碼管的1，2，3，4；P0.0-P0.7對應共陽極數碼管的A,B,C,D,E,F,G,DP；P2.4-P2.6對應發光二極管的顏色：綠色(MHZ檔)，黃色(KHZ),紅色(HZ)。發光二極管全亮表示所測信號頻率超出測量范圍。

顯示模塊框圖：

圖15 顯示子程序流程圖

4.5 延時模塊

延時模塊框圖：