近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是類似單片機(jī)等相關(guān)集成電路生產(chǎn)技術(shù)的快速堀起，推動(dòng)了儀器儀表及家電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用程序代碼來(lái)簡(jiǎn)化硬件電路的復(fù)雜程度，使其不斷向著體積小，價(jià)格低廉，功能更加多樣化、智能化的方向發(fā)展。功能齊全，價(jià)格低廉的產(chǎn)品越來(lái)越受到人們的青睞，當(dāng)然，科技的發(fā)展最先受益的 還是從事前沿科技研究領(lǐng)域的人員，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，一款好的測(cè)量設(shè)備將為他們的研究工作帶來(lái)便利的同時(shí)也減輕很多負(fù)擔(dān)。就目前而言，高端儀器設(shè)備很多均依賴進(jìn)口，研究并制造出屬于我們國(guó)家自己的高端儀器設(shè)備將是我們一直努力的方向，而且也具有非常廣闊的發(fā)展前景。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)主要由信號(hào)采集電路、放大整形電路、分頻電路、信號(hào)處理電路、電源電路和顯示電路等模塊組成。當(dāng)采集到的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路后被整形為幅度適中的矩形波后，根據(jù)其頻率的高低選擇相應(yīng)的分頻電路對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸l處理，然后單片機(jī)對(duì)分頻后的信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，再經(jīng)過(guò)處理后將結(jié)果送出去，驅(qū)動(dòng)顯示電路輸出的數(shù)字頻率信息，同時(shí)指示相應(yīng)的量程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的自動(dòng)測(cè)量和顯示。頻率計(jì)的總體工作原理框圖如圖1所示。
1,1 放大整形電路的設(shè)計(jì)
9013是一種NPN結(jié)構(gòu)的三極管，集電極和發(fā)射極之間的最高電壓25 V，集電極和基極之間的最高電壓為45 V，發(fā)射極和基極之間的最高電壓為5 V，集電極的最高電流0,5 A;三極管的最高耗散功率為0,625 W，最高的結(jié)溫為150℃，其特征頻率為150 MHz;放大倍數(shù)范圍是40倍～110倍;工作溫度范圍為-55～+150℃;74LS14是一種雙列直插式封裝具有六反相器的施密特觸發(fā)器，其工作的最高電源電壓為7 V，工作環(huán)境溫度范圍為0～70℃;三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14一起構(gòu)成的放大整形電路能夠有效的對(duì)方波，正弦波，矩形波，三角波等信號(hào)進(jìn)行放大和整形，并且能夠穩(wěn)定的輸出，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，能夠滿足本課題對(duì)0 Hz～20 MHz的頻率范圍要求。三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14構(gòu)成的放大整形電路如圖2所示。
1. 2 信號(hào)分頻部分電路設(shè)計(jì)
74LS161為二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，具有同步預(yù)置數(shù)、異步清零以及保持等功能。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器;74LS151是具有選通輸入端，互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，數(shù)據(jù)選擇端(ABC)按二進(jìn)制譯碼，以從8個(gè)數(shù)據(jù)(D0～D7)中選取1個(gè)所需的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)選擇器74LS151與計(jì)數(shù)器74LS161構(gòu)成的分頻電路能夠比較方便的完成對(duì)信號(hào)的分頻處理，通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器來(lái)控制計(jì)數(shù)器構(gòu)成的分頻器工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)量級(jí)的頻率信號(hào)進(jìn)行有效的分頻處理;為后續(xù)電路的順利進(jìn)行提供必要的保證。信號(hào)分頻模塊的電路圖如圖3所示。
1. 3 信號(hào)處理部分電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)系統(tǒng)的拓展通常是以最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。信號(hào)處理模塊主要是依靠單片機(jī)的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)是一個(gè)真實(shí)有用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)。對(duì)于AT89C51單片機(jī)而言，因?yàn)槠瑑?nèi)帶有程序存儲(chǔ)器，所以只要在芯片上外接復(fù)位電路和晶振電路就構(gòu)成了最小系統(tǒng)。單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳是用來(lái)連接晶振電路的，XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端，它是內(nèi)部時(shí)鐘工作電路及振蕩器的反向放大器的輸入端;XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的器一端，在片內(nèi)它是振蕩器的反向放大器的輸出端。RST為單片機(jī)的復(fù)位端，接復(fù)位電路，該引腳為高電平時(shí)可使單片機(jī)復(fù)位，回到初始狀態(tài)。復(fù)位電路主要包括復(fù)位開關(guān)、復(fù)位電阻和復(fù)位電容。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖4所示。
1,4 顯示部分電路設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，由于只要對(duì)信號(hào)頻率和量程進(jìn)行顯示，因而選擇4位共陽(yáng)極的數(shù)碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示所測(cè)得的頻率，選用紅、黃、綠三色的發(fā)光二極管來(lái)指示對(duì)應(yīng)的量程，分別對(duì)應(yīng)為MHz、kHz、Hz檔。由于發(fā)光二極管的工作電流較小，一般在10 mA左右，所以為了保證發(fā)光二極管的正常工作，還必須為其加上200 Ω的限流電阻。四位數(shù)碼管用來(lái)顯示頻率的測(cè)量值，當(dāng)頻率在0～9999 Hz時(shí)，B檔位指示燈(綠)點(diǎn)亮;當(dāng)頻率在10～999,9 kHz時(shí)，K檔位指示燈(黃燈)點(diǎn)亮;當(dāng)頻率在1～20MHz時(shí)，M檔位指示燈(紅燈)點(diǎn)亮。由四位共陽(yáng)極的數(shù)碼管和三色發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示電路如圖5和圖6所示。
