基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

摘要：基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，目的是設(shè)計(jì)一款數(shù)字頻率計(jì)，能夠測量1 Hz～20 MHz的數(shù)字頻率，包括三角波、正弦波及方波的測量，支持0．5 V～20 V電壓。本頻率計(jì)的特點(diǎn)是突破普通單片機(jī)頻率計(jì)喜歡選用的直接測量法，選擇了高頻用多周期同步法，低頻用周期法來測量頻率。這樣可以使頻率計(jì)達(dá)到更高的精度。而且本頻率計(jì)通過程序來控制分頻芯片自動(dòng)分頻，無需測量者對信號(hào)進(jìn)行預(yù)估計(jì)，超出測量范圍會(huì)自動(dòng)警報(bào)，更加人性化。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；頻率計(jì)；自動(dòng)分頻

1 總述
單片機(jī)頻率計(jì)不僅反應(yīng)快、精度高，操作也非常人性化，而且應(yīng)用范圍大、帶寬大以及成本低廉、小巧方便。它可以用來測量一定電壓范圍內(nèi)正弦波、三角波及方波。本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)為主控制電路，配合著一定的外圍芯片及電路而設(shè)計(jì)的一款處理數(shù)字信號(hào)的高頻頻率計(jì)，測量范圍能達(dá)到1 Hz～20 MHz，其新穎之處在于用運(yùn)了兩種測頻方法，且采用自動(dòng)分頻的方式使基于單片機(jī)的頻率計(jì)能夠在低成本的前提下完成較高精度的高頻數(shù)字信號(hào)的頻率測量。

2 總體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)欲設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)，其特色是測量范圍為1 Hz～20 MHz。對待低頻和高頻信號(hào)的測量分別使用不同的測頻方法去對待。具體總的思想是以單片機(jī)為核心，被測信號(hào)先進(jìn)入信號(hào)放大電路進(jìn)行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測得正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化為方波。利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的功能對被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。該頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊：主芯片控制模塊、分頻選擇模塊、放大整形模塊、基準(zhǔn)頻率模塊和顯示模塊。各模塊作用如下：
主芯片控制模塊：以AT89S52單片機(jī)為控制核心，來完成對待測信號(hào)的計(jì)數(shù)，譯碼和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測信號(hào)周期／頻率的測量。單片機(jī)AT89S52內(nèi)部具有3個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。
分頻選擇模塊：考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù)，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。本設(shè)計(jì)使用的分頻芯片是74HC4040，選擇芯片是74LS153。
放大整形模塊：放大電路是對待測信號(hào)的放大，降低對待測信號(hào)幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測量。本設(shè)計(jì)使用的放大芯片是LT1358，整形芯片是74LS132。
基準(zhǔn)頻率模塊：為了產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的頻率，這里使用了AT89C2051。這是一款類似于AT89S51的8051內(nèi)核的非總線單片機(jī)。這里運(yùn)用其一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的頻率。
顯示模塊：鑒于大部分頻率計(jì)采用的是數(shù)碼管形式的顯示方式，為了節(jié)約用電，減小體積本設(shè)計(jì)采用液晶顯示屏顯示，融入了文字提示等信息，方便使用者觀察選擇。本設(shè)計(jì)選用LCD1602。
2．1 高頻方案
本設(shè)計(jì)對待高頻信號(hào)(>10 kHz)欲選用多周期同步測量法，在充分利用單片機(jī)計(jì)數(shù)器的條件下，實(shí)現(xiàn)更精確的測量。圖1所示即為多周期同步法測頻原理框圖。參考閘門產(chǎn)生大概的取樣時(shí)間為T，實(shí)際閘門的開啟由參考閘門和被測信號(hào)同步產(chǎn)生。當(dāng)參考閘門給出后，由隨后到來的被測信號(hào)的第一個(gè)脈沖打開兩個(gè)計(jì)數(shù)器的閘門開始計(jì)數(shù)。被測信號(hào)fx通過閘門1由計(jì)數(shù)器A計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值Nx，標(biāo)頻信號(hào)脈沖fs通過閘門2由計(jì)數(shù)器B進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值Ns。當(dāng)參考閘門關(guān)閉后，由隨后到來的被測信號(hào)脈沖關(guān)閉兩個(gè)計(jì)數(shù)器的閘門，停止計(jì)數(shù)。則被測頻率的表達(dá)式為：fx=fs×(Nx／Ns)。