2015年电赛频率计设计报告

2021年1月21日发(作者：霍光)
此处贴密封纸，
然后掀起并折向报告背面，
最后用胶水在后面粘
牢。






2015
年全国大学生电子设计竞赛



数字频率计（
F
题）













2015
年
8
月
15
日



摘




要




数字频率计可以直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，
并以数字形式显示
频率值。主 要由四个部分构成：输入电路、时基（
T
）电路、计数显示电路以及
控制电路。

首先通过
OP37G
把输入信号进行放大，
由施密特触发器
CD 40106
整形，
由
于其对正向和负向增长的信号有不同的阀值电压，
使得高 低电平具有迟滞性，
得
到更稳定的方波。接着通过
74LS160
对过高频率 的信号进行分频；而后通过
AT89S52
控制闸门电路来控制计数器计数的标准时间，
再由计数器对通过的高电
平进行计数，用数码管显示计数后的高电平数，即得到被测信号的频率。
关键词：
AT89S52
、放大整形电路、施密特触发器、分频、时基电路、数 码
管









I

目




录


1
引言：

............................. ........................................
1
2
系统理论分析与设计

....................... ..................................
1
2.1
放大电路的选择
:
.
................. .................................................. ............................................
1
2.2
整形电路：

.
.................... .................................................. ..................................................
1
2.3
分频电路

.
............... .................................................. .................................................. .........
2
2.4
计数模块

.
..... .................................................. .................................................. ...................
2
2.5
显示模块

.
............................................. .................................................. .............................
2
3
电路与程序设计

......................... ....................................
2
3.1
电路的设计

.
.................... .................................................. ..................................................
2
3.1.1
系统总体框图

.
........... .................................................. ............................................
2
3.1.2
电路原理图

.
................. .................................................. .........................................
3








3.1.3
电源

.
..................... .................................................. ..................................................
4
3.2
程序的设计

.
.............. .................................................. .................................................. ......
4
3.2.1
程序功能描述与设计思路

.
................................................. ....................................
4
3.2.2
程序流程图

.
.................. .................................................. .........................................
4
4
测试方案与测试结果

....................... ..................................
6
4.1
测试方案

.
..................... .................................................. .................................................. ...
6
4.2
测试条件与仪器

.
....... .................................................. .................................................. ....
7
4.3
测试结果及分析

.
...... .................................................. .................................................. .....
7
4.3.1
测试结果
(
数据
) .... .................................................. .................................................
8
4.3.2
测试分析与结论

.
.......... .................................................. .........................................
8
附录
1
：电路原理图

.................... .......................................
9
附录
2
：源程序

...................... ........................................
10





II

数字频率计（
F
题）


1
引言：





数字计数式频率计能直接计数单位时间内被测信号的脉冲数 ，然后以数字形式显示
频率值。数字计数器主要由四个部分构成：输入电路、时基（
T
）电路、计数显示电路
以及控制电路。首先通过宽带前置放大电路把输入信号进行放大，由
CD 40106
整形得
到能被计数器识别的脉冲波；
接着通过
74LS160对过高频率的信号进行分频；
而后通过
AT89S52
控制闸门电路来控制计数器 计数的标准时间，
再由计数器对通过的脉冲信号进
行计数，用
LCD1602
显示计数后的脉冲数，即得到被测信号的频率。

本系统主要由放大整形模块、分频模块、计数 模块、显示模块、电源模块构成，整
体流程框图如下：




宽带放大、整形



分频，脉冲信号

AT89C532
单片机

数码管显示

2
系统理论分析与设计

2.1
放大电路的选择
:
因为输入的被测信号幅值不确定，在本设计中要求测量的幅值在
50MV-1V
之间，
所以必须在对脉冲技术前必须对信号进行处理，使其转化为能被计数器识别的高电平。

方案一：三极管放大

优势：放大的可调性更高，

缺点：三极管的 放大特性在高频时不稳定，只适用于中低频的放大。且单个三极管
的放大倍数有限，对于幅值极低的信号 无法满足。

方案二：运算放大器放大

优势：电路简单，集成度高，比较稳定

缺点：运算放大器就是由多个三极管集成，单 其参数固定，放大倍数足够。且运算
放大器的工作范围较大，对于较高频率的信号同样适用。

综合考虑本设计的需求，我们决定采用运算放大器进行信号的放大，因为本次设计
的要求是达到
10MHZ
以上，
采用三极管无法处理这么高的频率。
因此采用运算放大器。

2.2
整形电路：

由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后 面的闸门或计数电路要求被测信号为
矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形 电路将正弦波或者
三角波转化成矩形波。

方案
1
：使用电压比较器






优点：电路简单，使用方便，容易受到噪声干扰。






缺点：输出的方波不够平稳，在输入的波形不稳定的情况下，电压比较器不能在同

1

样的地方开启，
使得输出的方波占空比不稳定。
且当电流不够大时，
波形边沿不够陡峭。

方案
2
：使用施密特触发器

优点 ：因为对正向和负向增长的输入信号具有不同的阀值电压，从而使传输特性具
有迟滞特性。
使得 输出的波形保持在两种状态之间，
较为稳定。
可避免噪声误触发电路。

缺点：对于以
0V
及以上为低电平的信号，施密特触发器处理效果不好。
< br>综合考虑这两种整形电路，因为本设计只需要多方波和正弦波进行处理，所以决定
采用施密特触发 器，因其处理的波形更稳定，且能有效避免杂波的干扰。

2.3
分频电路

因为
AT89S52
单片机对于
1MHZ
以上的信号处理比较吃力， 所以在对经过放大整
形后的脉冲进行计数时，
要先对高频的部分进行分频，
使其降低到 单片机可计数的频段，
而后在显示时输出计数的数值乘以相应的分频倍数。
可以选用
7 4LS160
计数器对其进行
分频，
74LS160
可以实现任意倍数的分频 ，比较方便。

我们将输入信号的频率范围分为三个频段：
1HZ
到
100kHZ
为低频段，此频段可直
接输入单片机进行计数；
100kHZ
到
1MHZ
为中频段，放大整形后进行
10
分频，输入
单片机计数；而
1MHZ
到
10MHZ
为高频段，放大整形后进行
100
分 频再输入单片机计
数。最后的显示模块即由计数器得到的脉冲数再乘以相应的放大倍数输出显示，即为输
入信号的频率。

2.4
计数模块

计数模块由
T89S52
单片机进行计数

2.5
显示模块

显示模块由
AT89S52
单片机进行控 制，我们考虑到了数码管显示和
LCD1602
显示
这两种显示方式。

方案一：数码管显示

优点：简单明了，数据一目了然

缺点：只能显示数字，不能显示其他的提示。

方案二：
LCD1602
显示

优点：可以显示其他提示，使得显示的内容更加全面

缺点：成本稍高。


3
电路与程序设计

3.1
电路的设计

3.1.1
系统总体框图

系统总体框图如图
1
所示





2






信号源



宽带放大、整形


图
1


系统总体框图

分频，脉冲信号


AT89C532
单片机

数码管显示






















































































































3.1.2
电路原理图

1
、宽带放大模块系统框图


图
2


放大子系统框图

2
、整形、分频子系统电路


图
3


整形、放大子系统电路



3







3
、显示电路

图
4
、显示电路


3.1.3
电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提 供
5V
电压，确保电
路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现 ，故不作详述。

3.2
程序的设计

3.2.1
程序功能描述与设计思路

1
、程序功能描述

根据题目要求软件部分主要实现自动分档和显示。

1
）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。

2
）显示部分：显示频率、周期、档位。

2
、程序设计思路

3.2.2
程序流程图

1
、主程序流程图


4


2
、显示模块子程序流程图



5







4
测试方案与测试结果

4.1
测试方案

1
、放大整流模块电路测试：


图
5
宽带放大电路

如图是对放大模块的测试，当输入信号频率在
200KHZ
以下，波形显示正常，函
数信号发生器发出的信号源经过
OP3 7
放大过之后，通过示波器观察输出的是频率与信
号源相同，幅值为
4V
到< br>5V
的脉冲信号。施密特触发器
CD40106
，得出的是频率与信
号 源相同，幅值为
5V
的方波，符合计数器的幅值要求。但输入频率超过
200KHZ, OP37
输出波形严重失真，并逐渐归零，无法计数。

2
、软件仿真测试

采用
Multisim
仿真软件，用软 件画好仿真电路，写入编号的程序，查看现象。



图
6
输入信号波形

6