0 引言
本設(shè)計(jì)為參加院電子制作比賽而做。其設(shè)計(jì)的基本要求是：制作一個(gè)簡(jiǎn)易多功能計(jì)數(shù)器，能夠接收函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)周期測(cè)量、頻率測(cè)量和時(shí)間間隔測(cè)量的功能。具體有以下3項(xiàng)要求。
(1)可以用鍵盤選擇周期測(cè)量、頻率測(cè)量和時(shí)間間隔測(cè)量；
(2)周期、時(shí)間間隔測(cè)量為0．1 ms～1 s，誤差≤1％；
(3)頻率測(cè)量為1 Hz～200 kHz，誤差≤1％。
1 方案設(shè)計(jì)與論證
1．1 頻率測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)方法
方案一：直接測(cè)頻法
直接測(cè)頻法是把被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個(gè)輸入端，只有在閘門開(kāi)通時(shí)間t(以秒計(jì))內(nèi)，被計(jì)數(shù)的脈沖送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)器的值為N，由頻率定義式可以計(jì)算得到被測(cè)信號(hào)頻率為f=N／t。經(jīng)分析，本測(cè)量在低頻段的相對(duì)測(cè)量誤差較大。增大t可以提高測(cè)量精度，但在低頻段測(cè)量精度難以得到滿意的結(jié)果。
方案二：高精度測(cè)頻法
圖1預(yù)置門控信號(hào)
、基準(zhǔn)信號(hào)Fs、待測(cè)信號(hào)將待測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)分別看做被抽樣信號(hào)及抽樣脈沖，根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的理論，若對(duì)待測(cè)信號(hào)的觀察時(shí)間tw加大可減少待測(cè)信號(hào)頻域分析時(shí)高頻分量的損失，可以更完整的重構(gòu)信號(hào)。當(dāng)提高基準(zhǔn)信號(hào)的頻率，即加大信號(hào)的觀察時(shí)間，能夠大大降低誤差，對(duì)高頻段信號(hào)比較適用。
以上2種方案中，方案一立足于頻率基本定義，方案二可以用單片機(jī)軟硬結(jié)合方便地完成浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。故本設(shè)計(jì)選用方案一。
1．2 周期測(cè)量
由于周期為頻率倒數(shù)，故測(cè)周期與測(cè)頻率類似。
1．3 時(shí)間間隔測(cè)量
可利用單片機(jī)定時(shí)計(jì)算2次脈沖時(shí)間差。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 電路方框圖及說(shuō)明
本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，電路構(gòu)成如圖2所示。主要包括：信號(hào)處理電路完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的處理整形，控制電路完成對(duì)頻率、周期、時(shí)間間隔測(cè)量的控制，整個(gè)系統(tǒng)采用凌陽(yáng)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)和溫度測(cè)量的控制，顯示部分采用液晶顯示，還具有發(fā)聲功能。
2．2 單元電路設(shè)計(jì)
2．2．1 基準(zhǔn)12 MHz信號(hào)源電路
采用12 MHz晶體振蕩器及反相器構(gòu)成，如圖3所示。
2．2．2 計(jì)數(shù)器電源電路
電源電路采用LM7805構(gòu)成，如圖4所示。
2．2．3 頻率測(cè)量電路
設(shè)測(cè)得頻率為Fi，標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs，在一次測(cè)量中預(yù)置門時(shí)間為tw，被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Ni，標(biāo)推頻率信號(hào)計(jì)數(shù)值為Ns，由于分頻比相同，故：
顯然只需利用單片機(jī)統(tǒng)計(jì)觸發(fā)數(shù)目即可。
2．2．4 溫度測(cè)量
本電路采用溫度傳感器DS18B20構(gòu)成，如圖5所示。DS18820自動(dòng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再送單片機(jī)處理。
2．2．5 按鍵及液晶顯示電路
液晶采用凌陽(yáng)501液晶，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)。按鍵、液晶顯示與單片機(jī)的連接見(jiàn)圖6。
2．2．6 音頻輸出電路
由于凌陽(yáng)單片機(jī)自帶2路D／A轉(zhuǎn)換通道，且最小系統(tǒng)板上集成了功放，故本方案直接利用軟件控制發(fā)音轉(zhuǎn)換電路。
3 軟件設(shè)計(jì)
主程序流程圖見(jiàn)圖7。初始化后，先進(jìn)行按鍵掃描，當(dāng)功能選擇確定時(shí)，即進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并送LCD顯示器顯示。
4 系統(tǒng)測(cè)試及整機(jī)指標(biāo)
測(cè)試條件：室溫，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。
測(cè)試儀器：TFG2001B型數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器(0．4～40 MHz)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1～表3。
從測(cè)試結(jié)果可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)的要求。
5 結(jié)語(yǔ)
由于SPCE061A的時(shí)鐘最高可達(dá)49 MHz，32個(gè)I／O口，而且具有一定的語(yǔ)音處理功能，這些都為實(shí)現(xiàn)電路提供了非常便利的條件：
(1)量程的切換，一般會(huì)采用模擬開(kāi)關(guān)或繼電器來(lái)控制，我們?cè)谶@里只需要幾個(gè)I／O口即可實(shí)現(xiàn)該功能不需要外加任何電路，控制簡(jiǎn)單、節(jié)省成本；
(2)SPCE061A有豐富的時(shí)基中斷，我們可以采用4096Hz實(shí)現(xiàn)低頻標(biāo)準(zhǔn)頻率，程序簡(jiǎn)單而且精度高；
(3)SPCE061A定時(shí)器可以采用外部時(shí)鐘源計(jì)數(shù)，則為計(jì)算振蕩頻率提供了便利，而且計(jì)算精度較高，控制簡(jiǎn)單；
(4)SPCE061A具有語(yǔ)音處理功能，可以非常輕松的加入語(yǔ)音播報(bào)功能，使整個(gè)設(shè)計(jì)更加智能。
本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，取得了較好的效果，實(shí)現(xiàn)了規(guī)定的各項(xiàng)功能。