实验一 数字频率计
一、 实验目的
1.熟悉数字频率计的原理
2.熟悉数字频率计的设计
3.熟悉Proteus软件使用
4.熟悉电路的调试
二、实验原理
在电子测量领域中，频率测量的精确度是Z高的，可达10至10 数量级。因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度。数字频率计是一种基本的测量仪器。它被广泛应用于航天、电子、测控等领域，还被应用在计算机及各种数学仪表中。一般采用的是十进制数字，显示被测信号频率。基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变坏的物理量。由于其使用十进制数显示，测量迅速精确，显示直观，所以经常被用来使用。
本文主要介绍数字频率计的设计和调试，本作品是基于52单片机作为平台，基本原理是通过52单片机进行频率的采集和分析工作，在通过程序使其显示在LCD1602的液晶显示屏上，通过液晶显示屏，让使用者能够直观的看到当前的输入频率是多少。
由于52单片机能处理的频率信号强度有限，所以这次我们先用74HC390芯片对输入的信号进行了分频，使其降低了100倍，才送去给单片机处理，而且为了使1602液晶显示屏能更好的兼容，在程序上我们做了三次初始化，通过Proteus仿真软件实现接口电路设计，并进行实时仿真。
Proteus软件是一种电路分析和实物模拟仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以进行仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能强大，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点，近年来受到广大用户的青睐。
1 系统概述
1.1 设计任务
设计出数字频率计，使其能测出正弦波、三角波或方波等波形的频率，测量范围为1Hz—20MHz，且能检测幅度Z小值为1Vpp的信号。再通过LCD1602液晶显示屏显示检测到的即时频率数值。
1.2 总体方案
数字频率计主要模块有信号采集模块、脉冲产生模块分频模块。设计中需要用到的芯片有89S52单片机、74HC14、LCD1602液晶屏等。
2 数字电压表的Proteus软件仿真电路设计
待测信号从P1(正):P4(负)输入。通过2SC3355三极管进行信号放大。使用74HC14施密特触发反相器进行多种波形向脉冲波形的转换，并优化。脉冲波形进入74HC390波纹计数器进行100分频。未分频脉冲和100分频脉冲分别进入单片机的两个定时/计数器，经过软件算法处理，产生待测信号频率数值。将此数值通过LCD1602液晶显示模块进行输出。
硬件电路原理图如图所示。
2.1 信号采集模块
为了有效防止因信号过小而造成的检测障碍，在信号输入处采用了三极管共射放大电路，如图所示。实际工作中，我们必须解决放大电路与信号源及放大电路与负载之间的耦合问题。一方面要求耦合电路能够传输交流的输入和输出信号，传输过程中的信号损耗尽可能小；另一方面又要求信号源，放大电路、负载之间的直流工作状态互补影响，即有“隔直”作用，电路的C1、C7就很好的解决了这个问题即固定偏置共射极放大器。集电极电压通过基极偏置电阻R2使晶体管Je正偏；同时拖过R3使Jc反偏，从而实现信号源放大。
2.2 脉冲产生模块
脉冲产生模块采用74HC14实现了三次施密特触发并反相，从图可以看出，来自信号采集模块的经过放大的信号从74HC14的1脚进入，经过1A→1Y、2A→2Y和3A→3Y三次施密特触发并反相Z终将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的信号从6脚输出。
具体到每一个施密特触发反相器来说，其转移特性和输入输出波形关系如图所示。
通过Proteus，可以同时观察到有信号输入时74HC14的1脚、2脚、4脚和6脚上的波形仿真。
2.3 分频模块
74HC390具有有八个主从触发器和附加门以构成两个独立的4位计数器，其中每个计数器皆包含两个部分：“除2计数部分”和“除5计数部分”，每个计数器又有一个清除输入和一个时钟输入。它可以实现等于2 分频、5 分频乃至100 分频的任何累加倍数的周期长度，且可以连成十进制计数器或二-五进制计数器以分别实现两种进制的数值输出。由于每个计数级都有并行输出，所以系统定时信号可以获得输入计数频率的任何因子。
若从nCP0输入频率为f的时钟信号，则会在nQ0得到频率为f/2的信号；若从nCP1输入时钟信号，则会在nQ1、nQ2、nQ3得到按表1变化的组合信号。
由于单片机可操作频率有限，若输入信号频率过大则单片机无法成功实现脉冲计数，因此需要使用74HC390进行分频，以100分频为宜(具体为200KHz以上信号采取100分频后再检测，200KHz或以下信号则检测未经100分频的原始信号)。采取的方法为：从表中可以看出，若从nCP1输入频率为f的时钟信号，则会在nQ2处输出频率为f/5的脉冲信号，因此可进行如图1.5所示的连线方法，1CP1--1Q2→2CP1--2Q2→1CP0--1Q0→2CP0--2Q0，其中“→”代表芯片外部电气连接，“--”代表芯片内部功能连接，从而得到5×5×2×2=100分频，即若从1CP1输入一个频率为f的信号，则会从2Q0输出一个频率为f/100的分频信号。
3 数字电压表的软件程序设计
系统上电状态，初始化ADC0808的启动地址，未分频脉冲和100分频脉冲分别进入单片机的两个定时/计数器，经过软件算法处理，产生待测信号频率数值，并在LCD1602液晶屏上显示相应频率。
主函数的主要任务就是进行各种初始化并开启无限循环检测输入信号频率值的变化并通过改变脉冲计数的值在LCD1602上表现出来
本电路的程序设计主要包括初始化部分、LCD1602显示、延时和中断部分。部分程序代码如下所示。
三．实验设备
1、PC一台
2、软件：Proteus；Keil
四、实验内容
1.完成电路原理学习
2.在Proteus环境内完成电路搭建
3.仿真电路
本设计数字频率计能测出正弦波、三角波或方波等波形的频率，测量范围为1Hz—20MHz，且能检测幅度Z小值为1Vpp的信号。再通过LCD1602液晶显示屏显示检测到的即时频率数值。当输入频率大于20KHz的信号时，由于采用了100分频采样，显示结果稍有误差，如输入Z大测量频率20MHz的信号时，LCD1602液晶显示屏上显示的测量结果为19998900HZ，误差不超过十万分之一，在可接受范围之内。本系统在设计过程中通过Proteus仿真软件的调试，具有电路简单、成本低、精度高、速度快和性能稳定等特点。
