浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 夏 禹

設(shè)計一個低頻光控/手動非正弦信號發(fā)生器，用穩(wěn)壓電源提供的和電源供電，實現(xiàn)光控方波（方波信號幅度符合邏輯電平規(guī)范）與三角波信號的頻率控制和顯示輸出。該系統(tǒng)主要由光控器件、非正弦信號發(fā)生電路、信號周期檢測電路和周期顯示電路等四個部分組成。波形發(fā)生電路可在光控兩種方式之間切換，當(dāng)用手控方式時，輸出信號的新能指標(biāo)要求與光控時一致。

光控器件對所處環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測，并且根據(jù)光的強(qiáng)弱控制非正弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生不同頻率的方波、三角波信號輸出。與此同時，信號周期檢測電路對輸出信號（可以為外接的正弦或非正弦信號）的周期進(jìn)行檢測，并通過顯示器將檢測結(jié)果顯示出來。

一、方案論證

1.系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)是以AT89C2051為核心，由方波三角波發(fā)生電路、波形整形電路、CPU電路、顯示電路和系統(tǒng)軟件所組成。方波三角波發(fā)生電路用于產(chǎn)生所要求的方波和三角波，其中信號的頻率可以又光敏電阻或者電位器控制；波形整形電路將方波三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的信號或者外接信號(包括方波、三角波、正弦波)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接受的CMOS方波信號。CPU用Atmel公司的AT89C2051芯片。顯示電路由數(shù)碼管、三極管等組成。

2.波形發(fā)生電路

由三角波、方波發(fā)生器產(chǎn)生三角波和方波信號，其中三角波輸出經(jīng)過比較器產(chǎn)生方波該電路方式是本系統(tǒng)信號產(chǎn)生部分采用的方案。這種電路在一定的頻率范圍內(nèi)，具有良好的三角波和方波信號。

3.波形整形電路

方案中使用LM311作為運放，可以不需要穩(wěn)壓管和之后的三級管電路而直接輸出標(biāo)準(zhǔn)的5VCMOS電平，這樣做可以減少連線以及元件帶來的干擾和其他不穩(wěn)定因素。

4.主控電路

單片機(jī)控制模塊：以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量。單片機(jī)AT89C2051內(nèi)部具有2個16位定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。(因為AT89C51所需外圍元件少，擴(kuò)展性強(qiáng)，測試準(zhǔn)確度高。)如圖1。

圖1

5.周期頻率測量原理

計數(shù)法測頻的原理是“在單位時間內(nèi)對被測信號進(jìn)行計數(shù)”。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進(jìn)入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入單片機(jī)計數(shù)。若在一定的時間間隔T內(nèi)累計周期性的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率的表達(dá)式為式：

應(yīng)當(dāng)指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由N和T倆個參數(shù)所決定的，一方面是單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達(dá)到。上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。

本系統(tǒng)中采用計數(shù)法測率，通過軟件實現(xiàn)將頻率轉(zhuǎn)換為周期，以AT89C2051單片機(jī)為核心，利用他內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量。單片機(jī)AT89C2051內(nèi)部具有2個16位定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在1s時間間隔內(nèi)，計數(shù)器對外部輸入信號自動計數(shù)，當(dāng)定時器1s時間結(jié)束時，計數(shù)器停止對外部輸入信號計數(shù)，從寄存器中讀取相應(yīng)的計數(shù)值，再通過軟件處理送到數(shù)碼管顯示，如圖2所示。

圖2

6.顯示模塊

在周期頻率測量中，顯示是最重要的模塊。顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值，使用三極管9012進(jìn)行驅(qū)動，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測量。量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、綠兩個LED分別指示Hz、KHz檔，使讀數(shù)簡單可觀。

本系統(tǒng)中采用三位共陽極數(shù)碼管來顯示測到的周期或頻率。LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有1～2mA，最大極限電流也只有10～30mA，所以它的輸入端在5V電源或高于TTL高電平(3.5V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.單片機(jī)AT89C2051簡介

本設(shè)計采用的是AT89C2051芯片，AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有2K字節(jié)可反復(fù)擦寫的只讀存儲器(PEROM)和128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。該單片機(jī)采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)，并且兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令，片內(nèi)含有通用8位中央處理器的快速集成電路芯片，AT89C2051是一種功能強(qiáng)大的單片機(jī)，它有很高的性價比而被廣泛深入的應(yīng)用。

2.單片機(jī)最小系統(tǒng)

復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運行的基本模塊。有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。所以本次設(shè)計選用手動復(fù)位。

高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計選取12.000M無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯(lián)2個20pF陶瓷電容幫助起振。

3.數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼管電路設(shè)計不加三極管驅(qū)動時，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測量與調(diào)試。因此加入三極管9012進(jìn)行驅(qū)動數(shù)碼管。

在本系統(tǒng)中采用黃、綠兩個LED分別指示KHz、Hz檔，根據(jù)被測信號的頻率值大小，可以自動切換量程單位，無需手動切換，便于測量和讀數(shù)，簡單方便。

三、軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率測量模塊等各種功能模塊組成。上電后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，系統(tǒng)軟件開始運行。在執(zhí)行過程中，根據(jù)運行流程分別調(diào)用各個功能模塊完成頻率測量、周期頻率切換、測量結(jié)果顯示。

顯示子程序?qū)⒋娣旁陲@示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數(shù)碼管上顯示出來，由于所有3位數(shù)碼管的8根段選線并聯(lián)在一起由單片機(jī)的P7口控制，因此，在每一瞬間3位數(shù)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(shù)碼管，即在每一瞬間只點亮某一位顯示字符，在此瞬間，段選控制口P3輸出相應(yīng)字符。由P3.2、P3.4、P3.7逐位輪流點亮各個數(shù)碼管，每位保持1mS，在10mS-20mS之內(nèi)再點亮一次，重復(fù)不止，利用人的視角暫留，好像3位數(shù)碼管同時點亮。

四、完整電路圖

五、結(jié)論

頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。單片機(jī)具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、價格低廉等特點。為適應(yīng)實際工作的需要，本次設(shè)計給出了一種較小規(guī)模和單片機(jī)(AT89C2051)相結(jié)合的頻率計的設(shè)計方案，不但切實可行，而且體積小、設(shè)計簡單、成本低、可測頻帶寬，大大降低了設(shè)計成本和實現(xiàn)復(fù)雜度。

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