自适应数字频率计综述报告（信处112王薪博小组）

本文格式为Word版，下载可任意编辑——自适应数字频率计综述报告（信处112王薪博小组）信处112自适应数字频率计电子综合设计

电子技术综合

设计

自适应数字频率计设计

组员姓名（学号）：

专班日

业级期

：：

：2023年12月26日

信处112自适应数字频率计电子综合设计

目录

第一章背景和意义4

1.1频率计概述21.2频率计发浮现状及研究概况31.3本课题研究背景及主要研究意义41.4数字频率计的种类5其次章方案设计5

2.1总体方案62.2各模块方案设计72.2.1分频模块92.2.2选择模块102.2.3控制模块112.2.4显示模块12第三章详细设计13

3.1硬件详细设计143.1.1单片机AT89C52153.1.2测量数据显示电路163.1.3分频选择电路173.2软件详细设计183.2.1定时器设计流程193.2.2中断服务设计流程213.2.3显示部分设计流程233.2.4切换量程设计流程24第四章调试与结果25

4.1调试环境264.2调试与结果分析264.2.1分模块调试29

第1页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

4.2.2系统联调30第五章结论31结语32

信处112自适应数字频率计电子综合设计

差倍增法和差拍法相结合的测量方法，这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，再通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间状况下，得到比测频法更高的系统分辩率和测量精度???，但是依旧存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。

在电子系统广泛的应用领域中，四处看见处理离散信息的数字电路。供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。数字频率计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器，不但要求电路产生频率的确凿度和稳定度都高的信号，也要能便利的改变频率。

数字频率计的实现方法主要有：直接式、锁相式、直接数字式和混合式（1）直接式

优点：速度快、相位噪声低，但结构繁杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。（2）锁相式

优点：相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，简单实现系列化、小型化、模块化和工

程化。

（3）直接数字式

优点：电路稳定、精度高、简单实现系列化、小型化、模块化和工程化。

1.3本课题研究背景及主要研究意义

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器，所以频率的测量就显得更为重要。在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。本课题采用的是直接测频式的频率计，设计原理简单、电路稳定、测量精度高，大大的缩短了生产周期与研发周期。

１.４数字频率计的种类

现在市面上寻常使用的数字频率计主要有的计数器。此种数字频率计是较早时期的电子产品，到现在中小规模集成电路应用技术不断完善时，它的应用也不断得到加强。但很明显，此种

第5页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

数字频率计已处于淘汰阶段，由于其自身不具备智能化、自动化，完全借助于机械示的操作，对一些智能的频率计功能已无法完成，所以，现在使用这种数字频率计的已经很少。

（2）采用现场可编程门阵列（CPLD/FPGA）作为系统控制核心制成的数字频率计。它通过EDA

技术和硬件描述语言（VHDL）对进行数字频率计的设计。这种技术是在近几年才发展起来的新技术，具有很大的发展空间和应用价值。

（3）采用单片机为系统控制核心的数字频率计。这种数字频率计具有十明显显的优势：体积小，

所用芯片少，精度高，测量范围广，易于扩展功能，智能化、自动化强度高，便于控制。因此采用单片机技术设计数字器件已逐渐成为主流。

第6页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

其次章方案设计

2.1总体方案设计

本课题设计的是一种以单片机为主控制的自适应频率计。可以实现自动判别输入周期信号（1-9999kHz）的特点。要求输入信号为方波，正向输入峰值为5V（实测为4.93V）。该频率计首先将不同频率范围的方波信号直接由接口电路送给单片机,由单片机的计数器对其进行计数,最终通过显示电路显示数值。数字频率计主要由以下几部分组成：（1）分频电路；（2）频率测量电路；（3）显示电路。由于单片机内部振荡频率很高,所以一个机器周期的量化误差相当小,可以提高低频信号的测量的确凿性。

本课题主要是以单片机AT89C52为核心,通过分频、测频电路,以及软件程序的编写,实现方波频率的显示。整体设计思路可用框图2.1表示。框图中各部分的作用及所采用的器件说明如下：

图2-1设计方案框图

2.1.1分频模块

测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数〞。被测信号，通过

输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码规律便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式：

fx=N（2-1）T

图2-2说明白测频的原理及误差产生的原因。

第7页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

时基信号待测信号

丢失（少计一个脉冲）计到N个脉冲多余（比实际多出了0.x个脉冲）

图2-2测频原理

本设计要求自动判别输入周期频率为1Hz-9999KHz信号。

由于单片机的计数频率上限较低（12MHz晶振时，约为500KHz），所需要对高频被测信号进行硬件欲分频处理，采用74LS393进行分频处理。74LS393有两套完全一致的4位二进制计数器，因此一片393可实现2分频、4分频、8分频、直到256分频。其连接方法为：CLK脚接需被分频的信号；MR脚为清零信号（高电平有效），一般直接接地；而Q0，Q1，Q2，Q3脚分别为2，4，8，16分频输出脚。

74LS393芯片介绍：

双四位二进制计数器（异步清零），异步清零端为高电平日，不管时钟1A，2A状态如何，即可以完成清除功能。

当异步清零端为低电平日，在1A、2A脉冲下降沿作用下进行计数操作。外接纳脚如图2-3所示。

图2-374LS393外接纳脚

其真值表如图2-4所示。

第8页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

图2-474LS393真值表

对应原理图如图2-5。

图2-5分频模块

2.1.2选择模块

设计采用74LS393进行分频处理后，需要再用CD4051将输入信号送入核心控制器件

单片机中完成运算、控制及其显示功能。CD4051就是一种单端8通道多路开关，它带有三个输入端A,B,C，和一个阻止输入端INH。从A,B,C输入的信号来选择8个通道中的一个。当阻止端INH为1时，译码器输出为全0，此时八个通道全部断开，即阻止输入。当INH输入为0时，译码器正常工作，[6]此时工作如如表2-1。

第9页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

图3-2晶体振荡器电路

图3-3单片机复位电路

3.1.2测量数据显示电路

如图2-10所示。一般而言，数据显示有静态显示和动态显示两种。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通和截止。优点是显示稳定，显示亮度大；缺点是使用的数码管数量少。正是由于这个缺点和本设计的要求，数字频率计的显示电路选择了采用动态扫描显示。所谓动态显示，就是LED显示器一位一位地轮番电亮（扫描）。对于每一位LED显示器来说，一段时间点亮一次[10]。LED显示器的亮度既与导通电流有关，也与LED显示器点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整LED显示器的导通电流和时间比例参数，实现较高亮度且稳定的显示。LED显示器采用共阴极动态显示形式，4LED用一四位集成的数码管连接组成。频率计数结果以BCD码的形式存放在89C52的存储单元中，通过P0口接到74LS245上，控制4位LED的段选码；通过P3.3口接到CD4051上，控制4位LED的位选码。根据本设计的原理图知，数据是

第15页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

从A端传送到B端，因此设T/R=1，即是高电平有效。另外，由于51单片机的P0口没有上拉电阻，在将P0口设置为输出端时，必需考虑在段驱动的每一段位上接入上拉电阻，使LED显示管能够工作。我们知道，单片机的P1口扫描输出时总有一位为高电平，假使没有反相驱动器将这一位的高电平变成低电平，那在LED上显示出来的将是乱码。所以在编程与设计电路的时候特别注意段选与位选码的设定。由于，当地一次实物做出来后，数码管是没有任何显示的（位选码，与原理图不符）。

下图4-5便是测量数据显示电路。

图3-4测量数据显示电路

3.1.3分频选择电路

分频模块：考虑单片机外部计数，使用12MHz时钟时，最大计数速率为500kHz，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。可用74LS393进行外部八分频。

74LS393是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器

[11]

，可以灵活的运用在各种数字电路，

以及单片机系统种实现分频器等好多重要的功能。74LS161引脚如图3-5所示。

第16页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

图3-574LS393引脚图

时钟CP和四个数据输入端P0~P3，清零/MR，使能CEP，CET，置数PE，数据输出端Q0~Q3，以及进位输出TC(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)。表4为74LS393的真值表。

表3-174LS393的真值表清零RDLHHHH预置LD×LHHH使能EPET××××L××LHH时钟CP×上升沿××上升沿预置数据输入ABCD××××ABCD××××××××××××输出Q0Q1Q2Q3LLLLABCD保持保持计数其中RD是异步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数据输入端，EP和ET是计数使能端，RCO(=ET.QA.QB.QC.QD)是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了便利。计数过程中，首先参与一清零信号RD＝0，使各触发器的状态为0，即计

第17页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

数器清零。RD变为1后，参与一置数信号LD＝0，即信号需要维持到下一个时钟脉冲的正跳变到来后。在这个置数信号和时钟脉冲上升的共同作用下，各触发器的输出状态与预置的输入数据一致，这就是预置操作。接着EP=ET=1,在此期间74LS393一直处于计数状态。一直到EP=0，ET＝1，计数器计数状态终止。

从74LS393功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0〞，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0马上为全“0〞，这个时候为异步复位功能。当CR=“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CR=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，其规律关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS393可以组成16进制以下的任意进制分频器。

3.1软件详细设计

本设计中软件流程如图3-6所示。为使图1所示流程能顺利地完成预期的功能,在初始化部分,分频部分,频率测量,数据显示部分都分别设计了流程图???。

软件设计流程图如图3-6。

开始系统初始化适合的通道频率计数显示

图3-6软件设计流程图

首先定时／计数器的计数寄放器清0，运行控制位TR置1，启动对待测信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值（即测量频率的高量程）开始测量，计数闸门终止时TR清0，中止计数。计数寄放器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。判

第18页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

断该数的最高位，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的计数，直到满足测量数据有效位数的要求。定时／计数器的工作被设置为定时器方式，定时／计数器的计数寄放器清0，在判断待测信号的上跳沿到来后，运行控制位TR置为1，以单片机工作周期为单位进行计数，直至信号的下跳沿到来，运行控制位TR清0，中止计数。16位定时／计数器的最高计数值为65535，当待测信号的频率较低时，定时／计数器可以对被测信号直接计数，当被测信号的频率较高时，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。

3.2.1定时器部分设计流程

开始AT89C52初始化启动定时器，开TO/T1中断定时，计数

图3-7系统程序流程图

程序设计内容

（1）．定时/计数器T0和T1的工作方式设置，由图可知，T0是工作在计数状态下，对输入的频率信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC/24，由于fOSC＝12MHz，因此：T0的最大计数频率为250KHz。对于频率的概念就是在一秒只数脉冲的个数，即为频率值。所以T1工作在定时状态下，每定时1秒中到，就中止T0的计数，而从T0的计数单元中读取计数的数值，然后进行数据处理。送到数码管显示出来。

（2）．T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时5ms，共定时200次，即可完成1秒的定时功能。

第19页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

3.2.2中断服务设计流程

T0中断服务子程序流程如图20所示。测频时,定时器T0工作在定时方式,每次定时50mS,则T0中断20次正好为1秒,即T0用来产生标准秒信号,定时器T0用作计数器,对待测信号计数,每秒钟的开始启动T0,每秒钟的终止关闭T0,则定时器T0之值乘以分频系数就为待测信号的频率。

中断开始关外部计数器判断计数是否为1sY选择相应档位开外部计数器中断计数器装初值中断返回

图3-8T0中断服务子程序

定时／计数器T1工作在计数方式,对信号进行计数,计数器1中断流程图如图21所示。

中断开始计数器加1中断开始

图3-9计数器1中断服务子程序

3.2.3显示程序设计流程

显示子程序将存放在显示缓冲区的频率或周期值送往数码管上显示出来,由于所有4位数码管的8根段选线并联在一起由单片机的P2口控制,因此,在每一瞬间4位数码管会显示一致的字

第20页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

符,要想每位显示不同的字符就必需采用扫描方法轮番点亮各位数码管,即在每一瞬间只点亮某一位显示字符,在此瞬间,段选控制口P2输出相应字符。由P0.0-P0.3逐位轮番点亮各个数码管,每位保持1mS,在10mS～20mS之内再点亮一次,重复不止,利用人的视角暂留,好像4位数码管同时点亮。数码管显示子程序流程如图22所示。

开始选择档位数据各位分开延时送数据显示终止

图3-10显示子程序流程图

在通过软件实现动态显示的时候???，需要用到字型码查表图，现将表1列出下：

表3-2七段LED显示器共阴极字型码

显示字符gfedcbadp字型码（共阴极）

01234567

00111110

10001110

10100010

10110110

11011111

11111001

10110111

00000000

3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H

第21页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

89ABCDEF.全亮全灭

11110111010

11111011010

10111111010

11011110010

11110100010

11100100010

11101011010

00000000110

7FH6FH77H7CH39H5EH79H71H80HFFH00H

要显示的数据以BCD码的方式存放在单片机RAM的存储单元中。首先将位选码、段选码初始化赋值，分别送单片机端口，通过查表将存储单元的数据送LED显示；调延时程序，指向下一个显示单元，直到所有位显示完退出。

3.2.4切换量程设计流程

使用定时方法实现频率测量时，外部的待测信号通过频率计的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时／计数器的输入脚（P3.5）。工作高电平是否加至定时／计数器的输入脚；当判定高电平加至定时／计数器的输入脚，运行控制位TR置1，启动定时／计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否终止；当判定高电平终止时TR清0，中止计数，然后从计数寄放器读出测量数据。由显示电路显示测量结果，根据测量结果判断，进行频率计比较后，进行档位的自动切换，具体档位自动切换流程图如图23所示。

第22页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

开始测量频率值X判断X值XNewproject〞菜单，出现一个对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，你可以在编缉框中输入一个名字,点击“保存〞按钮，出现其次个对话框，按要求选择目标器件片。建立新文件并增加到组。分别设置“target1〞中的“Target,output,debug〞各项，使程序汇编后产生HEX文件。

（2）汇编，调试系统程序

Keil单片机模拟调试软件内集成了一个文本编辑器，用该文本编辑器可以编辑源程序。在集成开发环境中选择菜单“File→New...〞、单击对应的工具按钮或者快捷键Ctrl+N将开启一个新的文本编辑窗口，完成汇编语言源文件的输入，并且完成源程序向当前工程的添加。

然后在集成开发环境中选择菜单“File→SaveAs...〞可以完成文件的第一次存储。注意，汇编语言源文件的扩展名应当是“ASM〞，它应当与工程文件存储在同一文件夹之内。在完成文件的第一次存储以后，当对汇编语言源文件又进行了修改，再次存储文件则应选中择菜单“File→

第24页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

2设计硬件PCB图

硬件设计PCB图

3自适应数字频率计测量频率程序：

#include

#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint

sbitA0=P1^5;sbitA1=P1^6;sbitA2=P1^7;

第35页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

longFREQUENCY=0;//ucharcount=0;ucharflag=0;

//频率定义

//溢出标志

//定时次数20

ucharqian,bai,shi,ge;

ucharflag1=0;//判断频率是否超出数码管显示范围

ucharFREQUENCY_DIVIDE_MODE;//定义分频模式从低到高，依次判断ucharDISBUF[4]={0,0,0,0};

//定义位选

ucharflag2=0;//判断是否完成一次一秒测频ucharflag3=0;

voidDisPlay(void);//voidDelay(uintz);voidTimeinit(void);

voidUNIT_SWITCH(longx);voidCHANEL_SET(uchary);voidchuankouInit(void);voidtx_str(longx);voidjishu(void);

ucharFREQUENCY_DIVIDE_MODE_CULCULATE(void);//分频模式判定调理ABC开关，改变通道

voidmain(void){

//发送完成标志

//单位转换//通道选择

//串口定义//串口发送

Timeinit();chuankouInit();

FREQUENCY_DIVIDE_MODE=0;//初始化通道，先使用最低分频进行判定CHANEL_SET(FREQUENCY_DIVIDE_MODE);while(1){

第36页

信处112自适应数字频率计电子综合设计

适

if(flag2==1)

{

flag2=0;

//完成了一次频率测量

if(FREQUENCY_DIVIDE_MODE_CULCULATE())//若返回值为1，证明数据范围合

{

switch(FREQUENCY_DIVIDE_MODE)

//在数据范围适合的前提下，进行频

率复原}

voidDelay(uintz)//yanshi{}

voidDisPlay(void){

}

}

{}

//单位交换

case0:FREQUENCY=FREQUENCY*2;break;case1:FREQUENCY=FREQUENCY*4;break;case2:FREQUENCY=FREQUENCY*8;break;case3:FREQUENCY=FREQUENCY*16;break;case4:FREQUENCY=FREQUENCY*32;break;case5:FREQUENCY=FREQUENCY*6