基于SPCE061A的多功能計數(shù)器設計

0 引言
    本設計為參加院電子制作比賽而做。其設計的基本要求是：制作一個簡易多功能計數(shù)器，能夠接收函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號，實現(xiàn)周期測量、頻率測量和時間間隔測量的功能。具體有以下3項要求。
    (1)可以用鍵盤選擇周期測量、頻率測量和時間間隔測量；
    (2)周期、時間間隔測量為0．1 ms～1 s，誤差≤1％；
    (3)頻率測量為1 Hz～200 kHz，誤差≤1％。

1 方案設計與論證
1．1 頻率測量模塊實現(xiàn)方法
    方案一：直接測頻法
    直接測頻法是把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間t(以秒計)內(nèi)，被計數(shù)的脈沖送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設計數(shù)器的值為N，由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率為f=N／t。經(jīng)分析，本測量在低頻段的相對測量誤差較大。增大t可以提高測量精度，但在低頻段測量精度難以得到滿意的結(jié)果。
    方案二：高精度測頻法
    圖1預置門控信號、基準信號Fs、待測信號將待測信號和基準信號分別看做被抽樣信號及抽樣脈沖，根據(jù)數(shù)字信號處理的理論，若對待測信號的觀察時間tw加大可減少待測信號頻域分析時高頻分量的損失，可以更完整的重構(gòu)信號。當提高基準信號的頻率，即加大信號的觀察時間，能夠大大降低誤差，對高頻段信號比較適用。

    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軟硬結(jié)合方便地完成浮點數(shù)的數(shù)學運算，實現(xiàn)高精度測量。故本設計選用方案一。
1．2 周期測量
   由于周期為頻率倒數(shù)，故測周期與測頻率類似。
1．3 時間間隔測量
   可利用單片機定時計算2次脈沖時間差。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2．1 電路方框圖及說明
    本設計采用模塊化設計，電路構(gòu)成如圖2所示。主要包括：信號處理電路完成對被測信號的處理整形，控制電路完成對頻率、周期、時間間隔測量的控制，整個系統(tǒng)采用凌陽單片機實現(xiàn)對被測信號和溫度測量的控制，顯示部分采用液晶顯示，還具有發(fā)聲功能。

2．2 單元電路設計
2．2．1 基準12 MHz信號源電路
    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 頻率測量電路
    設測得頻率為Fi，標準頻率為Fs，在一次測量中預置門時間為tw，被測信號計數(shù)值為Ni，標推頻率信號計數(shù)值為Ns，由于分頻比相同，故：
  
    顯然只需利用單片機統(tǒng)計觸發(fā)數(shù)目即可。
2．2．4 溫度測量
    本電路采用溫度傳感器DS18B20構(gòu)成，如圖5所示。DS18820自動將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再送單片機處理。

2．2．5 按鍵及液晶顯示電路
    液晶采用凌陽501液晶，內(nèi)置驅(qū)動。按鍵、液晶顯示與單片機的連接見圖6。
2．2．6 音頻輸出電路
    由于凌陽單片機自帶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 軟件設計
    主程序流程圖見圖7。初始化后，先進行按鍵掃描，當功能選擇確定時，即進行數(shù)據(jù)處理，并送LCD顯示器顯示。

4 系統(tǒng)測試及整機指標
    測試條件：室溫，實驗室環(huán)境。
    測試儀器：TFG2001B型數(shù)字合成信號發(fā)生器(0．4～40 MHz)。測試結(jié)果見表1～表3。

    從測試結(jié)果可以看出，各項指標完全滿足設計的要求。

5 結(jié)語
    由于SPCE061A的時鐘最高可達49 MHz，32個I／O口，而且具有一定的語音處理功能，這些都為實現(xiàn)電路提供了非常便利的條件：
    (1)量程的切換，一般會采用模擬開關或繼電器來控制，我們在這里只需要幾個I／O口即可實現(xiàn)該功能不需要外加任何電路，控制簡單、節(jié)省成本；
    (2)SPCE061A有豐富的時基中斷，我們可以采用4096Hz實現(xiàn)低頻標準頻率，程序簡單而且精度高；
    (3)SPCE061A定時器可以采用外部時鐘源計數(shù)，則為計算振蕩頻率提供了便利，而且計算精度較高，控制簡單；
    (4)SPCE061A具有語音處理功能，可以非常輕松的加入語音播報功能，使整個設計更加智能。
    本設計經(jīng)過實驗調(diào)試，取得了較好的效果，實現(xiàn)了規(guī)定的各項功能。