2023年電賽頻率計設計報告

此處貼密封紙，然后此處貼密封紙，然后掀起并折向報告背面，最后用膠水在后面粘牢。數(shù)字頻率計（F題）2023年8月15日摘要數(shù)字頻率計可以直接計數(shù)單位時間內(nèi)被測信號的脈沖數(shù)，并以數(shù)字形式顯示頻率值。主要由四個部分構成：輸入電路、時基（T）電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。首先通過OP37G把輸入信號進行放大，由施密特觸發(fā)器CD40106整形，由于其對正向和負向增長的信號有不同的閥值電壓，使得高低電平具有遲滯性，得到更穩(wěn)定的方波。接著通過74LS160對過高頻率的信號進行分頻；而后通過AT89S52控制閘門電路來控制計數(shù)器計數(shù)的標準時間，再由計數(shù)器對通過的高電平進行計數(shù)，用數(shù)碼管顯示計數(shù)后的高電平數(shù)，即得到被測信號的頻率。關鍵詞：AT89S52、放大整形電路、施密特觸發(fā)器、分頻、時基電路、數(shù)碼管目錄169211引言：1115922系統(tǒng)理論分析與設計1117542.1放大電路的選擇:1189192.2整形電路：1120232.3分頻電路2237462.4計數(shù)模塊2257842.5顯示模塊2245813電路與程序設計277453.1電路的設計2220343.1.1系統(tǒng)總體框圖236523.1.2電路原理圖3189483.1.3電源4151583.2程序的設計4292533.2.1程序功能描述與設計思路4217163.2.2程序流程圖4242874測試方案與測試結果642974.1測試方案670064.2測試條件與儀器7105794.3測試結果及分析726314.3.1測試結果(數(shù)據(jù))8192334.3.2測試分析與結論84320附錄1：電路原理圖919564附錄2：源程序10數(shù)字頻率計（F題）1引言：數(shù)字計數(shù)式頻率計能直接計數(shù)單位時間內(nèi)被測信號的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。數(shù)字計數(shù)器主要由四個部分構成：輸入電路、時基（T）電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。首先通過寬帶前置放大電路把輸入信號進行放大，由CD40106整形得到能被計數(shù)器識別的脈沖波；接著通過74LS160對過高頻率的信號進行分頻；而后通過AT89S52控制閘門電路來控制計數(shù)器計數(shù)的標準時間，再由計數(shù)器對通過的脈沖信號進行計數(shù)，用LCD1602顯示計數(shù)后的脈沖數(shù)，即得到被測信號的頻率。本系統(tǒng)主要由放大整形模塊、分頻模塊、計數(shù)模塊、顯示模塊、電源模塊構成，整體流程框圖如下：數(shù)碼管顯示AT89C532單片機分頻，脈沖信號寬帶放大、整形數(shù)碼管顯示AT89C532單片機分頻，脈沖信號寬帶放大、整形2系統(tǒng)理論分析與設計2.1放大電路的選擇:因為輸入的被測信號幅值不確定，在本設計中要求測量的幅值在50MV-1V之間，所以必須在對脈沖技術前必須對信號進行處理，使其轉化為能被計數(shù)器識別的高電平。方案一：三極管放大優(yōu)勢：放大的可調(diào)性更高，缺點：三極管的放大特性在高頻時不穩(wěn)定，只適用于中低頻的放大。且單個三極管的放大倍數(shù)有限，對于幅值極低的信號無法滿足。方案二：運算放大器放大優(yōu)勢：電路簡單，集成度高，比較穩(wěn)定缺點：運算放大器就是由多個三極管集成，單其參數(shù)固定，放大倍數(shù)足夠。且運算放大器的工作范圍較大，對于較高頻率的信號同樣適用。綜合考慮本設計的需求，我們決定采用運算放大器進行信號的放大，因為本次設計的要求是達到10MHZ以上，采用三極管無法處理這么高的頻率。因此采用運算放大器。2.2整形電路：由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)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。方案1：使用電壓比較器優(yōu)點：電路簡單，使用方便，容易受到噪聲干擾。缺點：輸出的方波不夠平穩(wěn)，在輸入的波形不穩(wěn)定的情況下，電壓比較器不能在同樣的地方開啟，使得輸出的方波占空比不穩(wěn)定。且當電流不夠大時，波形邊沿不夠陡峭。方案2：使用施密特觸發(fā)器優(yōu)點：因為對正向和負向增長的輸入信號具有不同的閥值電壓，從而使傳輸特性具有遲滯特性。使得輸出的波形保持在兩種狀態(tài)之間，較為穩(wěn)定?？杀苊庠肼曊`觸發(fā)電路。缺點：對于以0V及以上為低電平的信號，施密特觸發(fā)器處理效果不好。綜合考慮這兩種整形電路，因為本設計只需要多方波和正弦波進行處理，所以決定采用施密特觸發(fā)器，因其處理的波形更穩(wěn)定，且能有效避免雜波的干擾。2.3分頻電路因為AT89S52單片機對于1MHZ以上的信號處理比較吃力，所以在對經(jīng)過放大整形后的脈沖進行計數(shù)時，要先對高頻的部分進行分頻，使其降低到單片機可計數(shù)的頻段，而后在顯示時輸出計數(shù)的數(shù)值乘以相應的分頻倍數(shù)?？梢赃x用74LS160計數(shù)器對其進行分頻，74LS160可以實現(xiàn)任意倍數(shù)的分頻，比較方便。我們將輸入信號的頻率范圍分為三個頻段：1HZ到100kHZ為低頻段，此頻段可直接輸入單片機進行計數(shù)；100kHZ到1MHZ為中頻段，放大整形后進行10分頻，輸入單片機計數(shù)；而1MHZ到10MHZ為高頻段，放大整形后進行100分頻再輸入單片機計數(shù)。最后的顯示模塊即由計數(shù)器得到的脈沖數(shù)再乘以相應的放大倍數(shù)輸出顯示，即為輸入信號的頻率。2.4計數(shù)模塊計數(shù)模塊由T89S52單片機進行計數(shù)2.5顯示模塊顯示模塊由AT89S52單片機進行控制，我們考慮到了數(shù)碼管顯示和LCD1602顯示這兩種顯示方式。方案一：數(shù)碼管顯示優(yōu)點：簡單明了，數(shù)據(jù)一目了然缺點：只能顯示數(shù)字，不能顯示其他的提示。方案二：LCD1602顯示優(yōu)點：可以顯示其他提示，使得顯示的內(nèi)容更加全面缺點：成本稍高。3電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1所示信號源信號源數(shù)碼管顯示AT89C532單片機分頻，脈沖信號寬帶放大、整形數(shù)碼管顯示AT89C532單片機分頻，脈沖信號寬帶放大、整形\圖1系統(tǒng)總體框圖3.1.2電路原理圖1、寬帶放大模塊系統(tǒng)框圖圖2放大子系統(tǒng)框圖2、整形、分頻子系統(tǒng)電路圖3整形、放大子系統(tǒng)電路3、顯示電路圖4、顯示電路3.1.3電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供5V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。3.2程序的設計3.2.1程序功能描述與設計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)自動分檔和顯示。1）鍵盤實現(xiàn)功能：設置頻率值、頻段、電壓值以及設置輸出信號類型。2）顯示部分：顯示頻率、周期、檔位。2、程序設計思路3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖顯示模塊子程序流程圖4測試方案與測試結果4.1測試方案1、放大整流模塊電路測試：圖5寬帶放大電路如圖是對放大模塊的測試，當輸入信號頻率在200KHZ以下，波形顯示正常，函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出的信號源經(jīng)過OP37放大過之后，通過示波器觀察輸出的是頻率與信號源相同，幅值為4V到5V的脈沖信號。施密特觸發(fā)器CD40106，得出的是頻率與信號源相同，幅值為5V的方波，符合計數(shù)器的幅值要求。但輸入頻率超過200KHZ,OP37輸出波形嚴重失真，并逐漸歸零，無法計數(shù)。2、軟件仿真測試采用Multisim仿真軟件，用軟件畫好仿真電路，寫入編號的程序，查看現(xiàn)象。圖6輸入信號波形圖7輸出信號波形圖8軟件仿真數(shù)碼管示數(shù)3、硬件軟件聯(lián)調(diào)當輸入信號頻率在200KHZ以下，數(shù)碼管顯示正常與函數(shù)信號發(fā)生器輸出波形的頻率一致，誤差極小。當輸入頻率超過200KHZ,數(shù)碼管顯示數(shù)值不再與信號源一致，并逐漸歸零。4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：函數(shù)信號發(fā)生器、模擬示波器、數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計、5V直流電源、Multisim仿真軟件4.3測試結果及分析Multisim軟件仿真結果與實際電路測試結果不同，推測應該是OP37的最大工作頻率在200KHZ以下，所以在高頻階段OP37無法正常，故頻率計無法正常顯示。而在我們實驗室現(xiàn)有的器材中，OP37可以達到的工作頻率已經(jīng)是最高，故受器材限制，頻率計無法更進一步，測量更高的信號頻率。4.3.1測試結果(數(shù)據(jù))50MV測試結果如表所示：（單位/HZ）信號頻率15050020002000010000030000010000003000000顯示150500200020002100010299916757600000.2V測試結果如表所示：（單位/HZ）信號頻率15050020002000010000030000010000003000000顯示150500200020002100001328900240000001V測試結果如表所示：（單位/HZ）信號頻率15050020002000010000030000010000003000000顯示150500200020000100009307800958760004.3.2測試分析與結論根據(jù)上述測試結果，當輸入信號超過200KHZ時，頻率計的誤差就開始增大，當頻率越來越大時，頻率計示數(shù)越來越不穩(wěn)定，當信號到達3MHZ是示數(shù)完全歸零由此可以得出以下結論：1、當輸入信號在200KHZ以下時，數(shù)字頻率計的示數(shù)很精確，誤差極小，可以正常使用。2、當輸入信號超過200KHZ,數(shù)字頻率計的示數(shù)開始不穩(wěn)定，一直到2MHZ左右，越來越不穩(wěn)定，當輸入信號超過3MHZ，頻率計示數(shù)完全歸零。3、頻率計只可以在低于200KHZ的頻率時能夠?qū)崿F(xiàn)信號頻率的精準測量，即只能測量中低頻的信號。綜上所述，本設計未達到設計要求。附錄1：電路原理圖附錄2：源程序#include<reg52.h>#definevalueP0#defineplaceP1unsignedchard[4];unsignedcharNum[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f};sbitclear=P2^3;sbitledG=P2^4;sbitledY=P2^5;sbitledR=P2^6;unsignedcharcount=0;unsignedchargears;unsignedinttN;unsignedintfCnta;unsignedlongregCnta;unsignedintfCntb;unsignedlongregCntb;unsignedlongpCnt;voidDelay(unsignedintDelayTime){while(DelayTime--);}voiddisplay(){if(gears==1){d[3]=0;d[2]=pCnt/100;d[1]=(pCnt%100)/10;d[0]=pCnt%10;place=0x01;value=Num[d[3]];Delay(200);place=0x02;value=Num[d[2]];Delay(200);place=0x04;value=Num[d[1]];Delay(200);place=0x08;value=Num[d[0]];Delay(200);ledG=1;ledY=1;ledR=0;}if(gears==2){d[3]=pCnt/1000;d[2]=(pCnt%1000)/100;d[1]=(pCnt%100)/10;d[0]=pCnt%10;place=0x01;value=Num[d[3]];Delay(300);place=0x02;value=Num[d[2]];Delay(300);place=0x04;value=Num[d[1]]+0x80;Delay(300);place=0x08;value=Num[d[0]];Delay(300);ledG=1;ledY=0;ledR=1;}if(gears==3){d[3]=pCnt/1000;d[2]=(pCnt%1000)/100;d[1]=(pCnt%100)/10;d[0]=pCnt%10;place=0x01;value=Num[d[3]]+0x80;Delay(50);place=0x02;value=Num[d[2]];Delay(50);place=0x04;value=Num[d[1]];Delay(50);place=0x08;value=Num[d[0]];Delay(50);ledG=0;ledY=1;ledR=1;}if(gears==4){d[3]=0;d[2]=0;d[1]=0;d[0]=0;place=0x01;value=Num[d[3]];Delay(100);place=0x02;value=Num[d[2]];Delay(100);place=0x04;value=Num[d[1]];Delay(100);place=0x08;value=Num[d[0]];Delay(100);ledG=0;ledY=0;ledR=0;}}voidintialize(){clear=1;ledG=1;ledY=1;ledR=0;TMOD=0x66;gears=1;RCAP2H=(65536-62500)/256;RCAP2L=(65536-62500)%256;TH2=RCAP2H;TL2=RCAP2L;tN=16;ET2=1;TR2=1;ET0=1;TR0=1;ET1=1;TR1=1;TH0=0;TL0=0;TH1=0;TL1=0;EA=1;}voidmain(){intialize();while(1){display();