数电课程设计

目录。1．选题背景 1

2．总体方案设计 2

2.1 总体方案选 2

2.1.1方案设计一：由硬件电路设计的频率计 2

2.1.2方案设计二：基于单片机的频率计设计 3

2.2 方案比较和方案选择 4

3. 单元模块设计 4

3.1 放大整形电路模块 4

3.2 单片机模块 5

3.2.1 at89c51简介 5

3.2.2 由at89c51构成的单片机电路 6

3.2.3 软件设计流程 7

3.3 电源电路模块 8

3.3.1 电源电路的设计 8

4 系统调试 10

4.1 放大整形电路的** 10

4.4电源电路的安装与测试 13

5 系统功能、指标系数 15

5.1 指标系数分析 15

6 设计总结 16

参考文献 17

附录ⅰ 18

附录ⅱ： 21

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。因此，频率的测量就显得更为重要。频率就是周期性信号在单位时间内变化的次数。

频率计数器是测量信号频率的装置，也可以用来测量方波脉冲的脉宽。通常频率以数字形式直接显示出来，简便易读，即所谓的数字频率计。频率测量对生产过程监控有很重要的作用，可以发现系统运行中的异常情况，以便迅速做出处理。

测量频率的方法有多种，例如无源测频法，有源侧频发和电子技术法，其中电子计数器测量频率具有使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接采用。本设计是基于学过的单片机技术和c语言，设计的一种数字式量程自动切换频率计数器，该频率计具有操作简单方便、响应速度快、体积小等一系列优点，可以及时准确地测量低频信号的频率。

方案一中频率计由时基电路、放大整形电路、闸门电路、逻辑控制电路、计数器、锁存器和译码显示器构成，电路方框图如下：

图2-1 方案1方框图。

上图为硬件电路组成的数字频率计。其中被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间，当1s信号来到时，闸门开通，被测信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止计数。

若在闸门时间内计数器得到的脉冲个数为n，则被测信号频率。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从0开始计数。

该方案中频率计由放大整形电路、单片机、led显示器和电源电路构成。其中，信号的核心处理部分为单片机，由at89c51构成。

图2-2 方案二方框图。

由方框图可知，被测信号经放大整形变成单片机at89c51所需要的脉冲信号，之后由单片机对信号进行处理，即计数、锁存和译码，随后将结果由led显示。

方案一：设计的全过程均采用硬件，由组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成。电路结构很繁琐，用到的器件较多，连线比较复杂，制造出的产品不但体积较大，运行速度慢，而且会产生比较大的延时，从而造成测量误差和可靠性都比较差。

尤其测量低频信号时不宜直接采用硬件设计。

方案二：与方案一恰好相反，由单片机构成的频率计可以将硬件部分的计数、锁存、译码等集成在一块单片机芯片上，由程序直接控制，电路简单、操作方便、响应速度快、体积小，并且能够可以及时准确地测量低频信号的频率。

通过以上方案的比较分析，我选择的是第二个方案，因为方案二电路实现起来很简单而且准确性高。

总电路原理图见附录ⅱ：

放大电路由晶体管2n4123与4ls00等组成，其中2n4123组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74ls00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。放大整形电路如下图所示：

图3-1 放大整形电路。

图3-1所示为频率计的放大整形电路。由于本设计要求能够对锯齿波、正弦波和方波信号进行检测，但单片机at89c51输入端的被测信号必须为矩形脉冲信号，所以在将信号进行单片机处理之前必须先将其放大整形处理，一来可以放大微弱的输入信号；二来可以将正弦波、锯齿波转变为单片机所需要的矩形脉冲。上图所画即为输入正弦波信号时的情况，输出为矩形脉冲信号，调节滑动变阻器的阻值可以改变输出方波信号的占空比，**结果见第四部分。

单片机模块主要以at89c5l为核心，频率测量电路选用at89c5l作为频率计的信号处理核心。at89c51包含2个16位定时／计数器、1个具有同步移位寄存器方式的串行输入／输出口和4kx 8位片内flash程序存储器。16位定时／计数器用于实现待测信号的频率测量或者待测信号的周期测量。

同步移位寄存器方式的串行输入／输出口用于把测量结果送到显示电路。at89c51的引脚图如下所示：

图3-2 at89c51引脚图。

在构成为定时器时，每个机器周期加l(使用12hz时钟，每l惦加1)，这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时，在相应的外部引脚发生从l到o的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从l到0的跳变至少需要2个机器周期(24个振荡周期)，所以最大计数速率为时钟频率的1／24(使用12mhz时钟时，最大计数速率为500ⅺ{z)。

当主控门关闭时，经延时整形电路的延时后，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置o，为后续新的一次采样做好准备，即能锁住一次显示的时间，直到接受新的一次采样为止。显示方式采用七段led数码管显示读数，做到显示稳定、不跳变。

由at89c51构成的单片机电路如下：

图3-3 at89c51组成的单片机电路。

单片机电路由at89c51和数码管加外围电路构成，由于本设计要求三个档位的量程切换，分别是2khz、20khz、200khz，故用了三个发光二极管，其中第一个发光二极管控制2khz档位，即输入频率小于2khz时，第一个发光二极管亮；第二个发光二极管控制20khz档位，当频率大于2khz、小于20khz时，第二个发光二极管亮；同理，第三个发光二极管控制200khz档位，当频率大于20khz、小于200khz时，第三个发光二极管亮。由该电路可实现设计要求，频率从0khz~200khz的变化，**电路见第四部分。

本设计中软件设计流程图如图3-4所示。

图3-4 软件设计流程图。

本部分主要利用c语言编写单片机程序，主要包括程序初始化、频率测量、自动量程选择和程序显示几大部分，其中频率测量部分通过定时器和计数器完成。程序初始化之后，通过定时确定周期，再通过计数测量规定时间内的频率，得到的频率再经自动量程选择，即根据得到的不同频率选择不同的测量档位，最后由数码管显示出来。具体程序见附录ⅰ：

直流电源是通信系统中的必需设备，它的主要任务就是通过把交流系统整流出直流电，为通信系统的交换设备、传输设备等提供直流工作电源，其性能和质量的好坏直接关系到通信设备能否稳定运行。直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路组成。本电路主要应用整流系统和稳压器cw317 组成的电压源电路来实现最终设计，在此电路中，经过整流滤波和cw317自身的稳压作用，所以使电路的稳定性增加。

本设计主要基于输出电压，范围设计，设计原理图如下所示：

图3-5 直流稳压电源电路。

图中输出电压的可调性主要是利用cw317 使流过和上的电流近似不变这一特性实现的。当流过的电流大小不变时，则改变的阻值会使上的电位差发生相应的改变，而输出电压是和上各自电位差之和，电阻值是固定不变的，也就是其上的压差也是固定不变的，所以输出电压只跟随的阻值变化而变化，一旦值固定，则输出电压固定。由于cw317的稳压作用，输出电压不会随着负载的变化而发生变化。

cw317系列稳压器输出连续可调的正电压，稳压器内部含有过流、过热保护电路。和组成电压输出调节电路，输出电压：

的值为120~240，流经的泄放电流为5ma~10ma.。为精密可调电位器。电路中为滤波电容，接入用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。

电容与亦并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

为负载电阻。

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