CN107342765B

CN107342765B - 一种具有灵活可调分频数功能数字分频器的设计

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Publication number: CN107342765B
Application number: CN201710701831.5A
Authority: CN
Inventors: 宋占伟; 曹宏宇; 黄琪
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2037-08-16
Also published as: CN107342765A

Abstract

本发明是一种具有灵活可调分频数功能数字分频器的设计。此技术属于电子计算机领域。所设计的数字分频器包活以下3个部分。(1)分频与置数单元；此单元是利用单片机系统与电子电路技术的结合，通过脉冲计数，可实现任意置数、进制可调的功能，通过任意预置数，能够达到灵活分频系数的效果，这是此设计中的核心部分。(2)单片机显示单元；此单元是利用STC89C51单片机最小系统与4位数码管的结合，在数码管上显示预置数，进而可以计算出分频系数。(3)模式选择单元；此单元也是通过单片机最小系统与四个按键的结合，设计出MODE模式，SELECT模式、ADD模式以及SUB模式。

Description

一种具有灵活可调分频数功能数字分频器的设计

技术领域

本发明是一种利用单片机系统而具有灵活可调分频数功能的数字分频器。此发明属于电子计算机技术领域。

背景技术

分频器是现代通信工程当中最重要的器件之一。传统的分频器使用频率单一化，整数化,有限频段化,同时无法设置多位级的预置数,而且也无法在设置好的预置数的前提下获得任意分频系数，只能在已经信号源的频率下，获得分频系数，而达不到灵活分频的效果。本设计主要解决的是在任意预置数的前提下获得任意分频系数，并且可将预置数的数值达到万位级以上的效果。

随着电子计算机技术的不断发展，将计算机技术与电子电路设计技术的有效结合，越来越成为电路设计的一种潮流。在已知信号源的频率的条件下，获得任意的频率系数，一直以来都是研究分频器的重点难题。传统的只是获得单一的分频系数，而不能同时获得多个分频系数，因此本设计克服了其难题，并且值得推广。

发明内容

本发明在传统的分频器的技术上提出了更为有效分频方法，设计出一种具有灵活可调分频数功能的数字分频器。本发明的解决传统的分频器的方案如下：一种具有灵活可调分频数功能的数字分频器包括分频与置数单元、单片机显示单元、模式选择单元；所述分频和置数单元，用于预先设置好的进制数，已经输入端的输入值，在脉冲的时钟信号下，把数值输出给单片机显示单元；所述单片机显示单元用于显示来自分频与置数单元的分频系数，以及获得的分频总位数；所述的模式选择单元，是预先设置分频与置数单元的初始置数值，进而将其值在单片机显示单元中显示。

进一步，所述分频与置数单元主要包括三个74HC573锁存器和四个74HC160计数器；所述74HC5738个的输入端接入端分别接入单片机的P0口，其输出端分别接入数码管的段选端，和计数器的输入端。

进一步，所述单片机显示单元主要包括STC89C51单片机最小化系统和外接4个数码管。STC89C51最小化系统包括单片机的时钟电路和复位电路以及串口转换芯片MAX232。四个数码管采用共阳极接法，数码管的8个段选引脚接入锁存器的数据输入端，四个位选引脚通过三极管接入电源5VVCC。

进一步，所述模式选择单元主要包括四种模式分别是MODE、SELECT、ADD、SUB。MODE按键控制GLED、BLED、RLED三种灯的亮灭，GLED表示SET设置模式，此时再按下SELECT按键，即可设置位选进而可以操作ADD、SUB按键；BLED表示WORK准备工作模式，一种就绪状态；RLED表示电源的开启，表示上电模式。SELECT按键控制着数码管的位选，当GLED灯亮时，即可按下SELECT来选择数码管的位选。ADD、SUB按键是当SELECT按键按下时，确定了数码管的位选，即可通过ADD、SUB按键下来改变数码管的数值。

进一步，所述分频与置数单元的信号源时钟频率定为2MHz，也可以是其他频率，不影响电路整体效果。

本发明的有益的效果是：本发明一种具有灵活可调分频数功能的数字分频器的整体电路结构简单。首先通过改变计数器的芯片类型即可改变进制数，进而可以任意选择八进制、十进制，十六进制数来作为预置数。其次通过单片机控制整个电路进而可以达到可编程数字化的分频效果。最后通过改变预置数的值，进而灵活的改变分频系数，实现了在进制数可调的范围之内，达到任意分频的效果。

附图说明

图1本发明的一种具有灵活可调分频数功能的数字分频器电路设计结构框图；

图2是本发明模式选择单元的电路结构图；

图3a是本发明的单片机最小系统的电路结构图；

图3b是MAX232电平转换芯片内部串行口部分原理图；

图3c是共阳数码管显示部分的电路结构图；

图4a是本发明的置数与分频单元的锁存器引脚设置图；

图4b是本发明的置数与分频单元的十进制计数器以及输出模块的引脚设置图；

图5是2M有源晶振对应的输出端在示波器上显示的波形图；

图6是第一位数码管(U4)对应的输出端TC4在示波器上显示的波形图；

图7是第二位数码管(U3)对应的输出端TC3在示波器上显示的波形图；

图8是第三位数码管(U2)对应的输出端TC2在示波器上显示的波形图；

图9是第四位数码管(U1)对应的输出端TC1在示波器上显示的波形图；

具体实施方式

以下内容将结合附图来进一步说明发明内容及其原理，所举实例皆用来解释本发明，并非限定其本发明的用途范围。

图1是本发明的一种具有灵活可调分频数功能的数字分频器电路设计结构框图。由图可知分频器由分频与置数单元、单片机显示单元，模式选择单元三个部分组成。所述三个部分模块所完成的功能如下：所述分频与置数单元，主要完成各类数据的锁存以及分频时钟脉冲系数的输出；所述单片机显示单元，主要用于数码管初始值得设定，如果是十进制数值设置范围为0～9，十六进制为0～F；所述模式选择单元，主要用于设置电路的工作模式以及选择模式，如果是按下工作模式的按键则立刻在输出端输出各类时钟信号，如果按下选择模式的按键，则会停止工作，进而进入设置模式，对数码管的位选以及段选进行数值设定，设置完之后进入工作模式，而且第二次最初工作的时候会保留第一次设置的初始值。

图2是本发明模式选择单元的电路结构图。由图可知这是用户可操作的四个按键电路以及对应得指示灯，当正常开机时，系统进入工作模式，电源指示灯红色发光二极管亮，工作模式指示灯蓝色发光二极管亮。四个按键从左到右为工作模式选择键MODE，数码管置数选择键SELECT，置数加键ADD，置数减键SUB。用户可以通过按键改变每个计数器所置的数。具体步骤如下：

步骤1：按下MODE键使系统进入设置模式，此时设置模式指示灯绿色发光二极管亮，工作模式指示灯蓝色发光二极管不亮。

步骤2：按下SELECT键选择需要置数的计数器，此时对应的数码管会亮，其余的不亮。

步骤3：按下ADD键则数码管显示的置数值增加1，当显示的数为9时，在按下此按键则回到0，按下SUB键则数码管显示的置数值减少1，当显示的数为0时，在按下此按键则回到9。

步骤4：设置完每个计数器相应的置数值后，再次按下MODE键，则此时系统进入工作模式，此时工作模式指示灯蓝色发光二极管亮，设置模式指示灯绿色发光二极管不亮，计数器按新的置数值工作。

图3a是本发明的单片机最小系统的电路结构图。由图可知该结构图是单片机(STC89C51)最小系统核心部分，包括自身的复位电路以及时钟电路；复位电路接入单片机的第9个引脚，第18、19个引脚接入时钟电路，晶振频率为11.0592MHz。单片机的P1口接入模式选择单元，P0口接入分频与置数单元。

图3b是MAX232电平转换芯片内部串行口部分原理图。当开发人员会建立起计算机与单片机之间沟通的桥梁，需要将单片机与计算机进行通信，此时需要加电平转换芯片，其数据传输具体步骤如下：

步骤1：如图3b MAX232的11引脚T1IN接入单片机的P3.1，TTL电平从单片机的TXD端发出，经过MAX232转换为RS-232电平后从MAX232的14脚T1OUT发出，再接到与其匹配的交叉串口线后，连接计算机的串口座的RXD端，至此计算机接收到了数据。

步骤2：计算机(PC机)发送数据时从PC机串口座TXD发出数据，再逆向流向单片机的RXD端P3.0接收数据。整个数据双向传递过程已完成。

图3c是共阳数码管显示部分的电路结构图。其中数码管显示的每一位对应于一片计数器的置数值，数码管从左到右依次对应计数器U4，U3，U2，U1所置数，例如U4的置数为1000，则从左到右数的第一个数码管显示为十六进制数8。开机时数码管显示的数为上次关机时用户给每个计数器置的数。

图4a是本发明分频与置数单元锁存器的引脚设置图。由图所示3块锁存器的输入端全部接入单片机的P0口，这样便于保存之前设置的置数值，由于输出端分别接入四块计数器和数码管的段选，所以需要3块锁存器。

图4b是本发明置数与分频单元的十进制计数器以及输出模块的引脚设置图。此模块的主要在工作模式下，假设数码管从左到右显示的置数值分别为u4,u3,u2,u1，有源晶振的时钟周期为T_s，以十进制数为例：

步骤1：当u1，u2，u3，u4均小于9时，则U4的进位端TC4的周期为(10-u4)*TS，U3的进位端TC3的周期为(10-u4)*(9-u3)*T_s，U2的进位端TC2的周期为(10-u4)*(9-u3)*(9-u2)*T_s，U1的进位端TC1的周期为(10-u4)*(9-u3)*(9-u2)*(9-u1)*T_s。

步骤2：当u4＝9时，而u3，u2，u1均不为9时，则U4的进位端TC4输出恒为高电平，U3的进位端TC3的周期为(10-u3)*T_s，U2的进位端TC2的周期为(10-u3)*(9-u2)*T_s，U1的进位端TC1的周期为(10-u3)*(9-u2)*(9-u1)*T_s。

步骤3：当u4＝9时，而u3，u2，u1某些位为9时，则U4的进位端TC4输出恒为高电平,计数器其余进位端输出如下：①当u3为9时，U3的进位输出端恒为高电平，当u2,u1不为9时,U2的进位端TC2的周期为(10-u2)*T_s，U1的进位端TC1的周期为(10-u2)*(9-u1)*T_s，当u2此时为9，而u1不为9时，则U2的进位端TC2恒为高电平，U1的进位端TC1的周期为(10-u1)*T_s，u1为9时则U1的进位端TC1恒为高电平。②当u3不为9时，U3的进位端TC3的周期为(10-u3)*T_s，而u2，u1某位ui为9时，其对应的计数器ui进位输出端恒为高电平，而置数不为9的那个计数器Ui进位输出端周期为(10-u3)*(9-ui)*T_s。若u2，u1均为9，则U2的进位端TC2，U1的进位端TC1均恒为高电平。

图5是本发明的2M晶振在示波器上显示的时钟波形图。理论上2M晶振周期T_s为500ns，如图5所示的波形图中所示的周期为200ns*2.5＝500ns，其值正好与理论值相符合。

图6是本发明的第一位数码管(U4)对应的输出端TC4在示波器上显示的波形图。由如图1所示框图假设第一位数码管显示的数字为7(0111)，对应的TC4的周期为(10-7)*T_s＝1500ns，分频系数N＝3。而如图6所示的波形周期为3*500ns＝1500ns，其值正好与人工计算的数值相符合。

图7是本发明的第二位数码管(U3)对应的输出端TC3在示波器上显示的波形图。再由图1所示的框图假设第二位数码管上显示的数字为6(0110)，对应的TC3的周期值为(10-7)*(9-6)*T_s＝4500ns＝4.5μs。分频系数N＝9。而如图7所示的波形周期为4.5*1＝4.5μs，其值正好与人工计算的数值相符合。

图8是本发明第三位数码管(U2)对应的输出端TC2在示波器上显示的波形图。再根据图1所示的框图假设第三位数码管上显示的数字6(0110)，对应的TC2的周期值为(10-7)*(9-6)*(9-6)*T_s＝13500ns＝13.5μs。分频系数N＝27。而如图8所示的波形周期为6.75*2us＝13.5μs，其值正好与手工计算的数值相符合。

图9是本发明第四位数码管(U1)对应的输出端TC1在示波器上显示的波形图。再根据图1所示的框图假设第四位数码管上显示的数字为4(0100)，对应的TC1的周期为(10-7)*(9-6)*(9-6)*(9-4)*T_s＝67500ns＝67.5μs，分频系数N＝135。而如图9所示波形图周期为20us*3.375＝67.5μs，其值正好与手工计算的数值相符合。

由上述手工计算与任意置数的方式可以得出，分频系数(倍数)可以得到人为想要的数值，只要设置好置的数即可。对于十进制数可以得到最大的分频系数N＝10*9*9*9＝9000(当且仅当四片数码管上的数值全是0)；同理如果是八进制的最大分频系数N＝8*7*7*7＝2744；同理如果换成十六进制数则最大的分频系数N＝16*15*15*15＝54000，因次既可以达到进制可调又可以达到了灵活分频的效果，实现了此发明的功能。

以上便是对本发明的具体实施进行的详述。

综上所述此电路利用单片机的最小化系统与电路设计的简单结合，使得电路结构以及用户操作简单，实现了任意置数与灵活分频的功能，并且分频系数可达到千位级或者万位级；如果进一步推广增加数码管的位数可以达到十万级、百万级的分频系数，因此此项发明值得进一步推广以及应用到工程实践中。

Claims

1.一种具有灵活可调分频数功能数字分频器的设计，其特征在于，包括：分频与置数单元、单片机显示单元、模式选择单元；所述分频与置数单元，用于预先设置好的初始值，作为输入端的输入值，在单片机显示单元中显示；所述单片机显示单元用于显示来自分频与置数单元的预置数值，通过示波器显示出各输出引脚的频率，进而计算出分频系数；所述的模式选择单元是用来设置工作模式和选择模式，是预先设置分频与置数单元的初始置数值，进而将其值在单片机显示单元中显示；

所述分频与置数单元包括锁存器、计数器、2MHz时钟频率有源晶振以及与非门；所述锁存器的接收端接入单片机的P0口发送的数据；所述锁存器的输出端分别接入计数器的输入端，以及单片机显示单元的数码管的段选位；所述计数器的接收端接收锁存器输出端的数值，计数器输出端输出高电平的时钟信号；所述2MHz晶振作为初始的信号源时钟频率；所述与非门的两个输入端分别接入来自计数器的输出端高电平信号，进而启动下一片计数器；

所述的单片机显示单元包括单片机最小化系统、数码管显示部分；所述单片机最小化系统包括单片机的时钟电路，复位电路以及P0口、P2口，P0口把预置数的值发送到锁存器的输入端，P2口控制模式选择单元；所述数码管显示单元的段选信号接收锁存器发送过来的预置数，这里的预置数是任意进制数，由计数器芯片类型决定；

所述的模式选择单元包括分别是MODE、SELECT、ADD、SUB；所述MODE按键控制GLED、BLED、RLED三种灯的亮灭，代表整个电路的工作模式；所述SELECT按键控制数码管的位选；所述ADD、SUB按键分别控制数码管的预置数的加减；

通过改变计数器的芯片类型改变进制数，进而任意选择八进制、十进制、十六进制数作为预置数；通过改变预置数的值，进而灵活的改变分频系数，在进制数可调的范围之内，达到任意分频的效果。

2.根据权利要求1所述的一种具有灵活可调分频数功能数字分频器的设计，其特征在于，所述的分频与置数单元的计数器的输出接入一个与非门；所述与非门的输入为计数器的输出值，当时钟的信号产生一个高电平此时下一片的计数器将被开启。

3.根据权利要求2所述的一种具有灵活可调分频数功能数字分频器的设计，其特征在于，所述分频与置数单元的置数是任意性的，置的数在数码管模块中显示。