基于51單片機(jī)的頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1 引　言
　　本設(shè)計(jì)綜合考慮了頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求。例如當(dāng)要求頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字，這時如果待測信號的頻率為1 Hz，則計(jì)數(shù)閘門寬度必須大于1 000 s。為了兼顧頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求，把測量工作分為兩種方法：
　　
　?。?）當(dāng)待測信號的頻率＞100 Hz時，定時／計(jì)數(shù)器構(gòu)成為計(jì)數(shù)器，以機(jī)器周期為基準(zhǔn)，由軟件產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門，計(jì)數(shù)閘門寬度＞1 s時，即可滿足頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字；
　?。?）當(dāng)待測信號的頻率＜100 Hz時，定時／計(jì)數(shù)器構(gòu)成為定時器，由頻率計(jì)的予處理電路把待測信號變成方波，方波寬度等于待測信號的周期。這時用方波作計(jì)數(shù)閘門，當(dāng)待測信號的頻率＝100 Hz，使用12 MHz時鐘時的最小計(jì)數(shù)值為10 000，完全滿足測量精度的要求。　　

本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，利用他內(nèi)部的定時／計(jì)數(shù)器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機(jī)AT89C51內(nèi)部具有2個16位定時／計(jì)數(shù)器，定時／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內(nèi)，每來一個機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器自動加1（使用12 MHz時鐘時，每1μs加1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從1到0的跳變時計(jì)數(shù)器加1，這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機(jī)器周期（24個振蕩周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時鐘頻率的1／24（使用12 MHz時鐘時，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz）。定時／計(jì)數(shù)器的工作由運(yùn)行控制位TR控制，當(dāng)TR置1，定時／計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)TR清0，停止計(jì)數(shù)。

2　頻率計(jì)的量程自動切換
　　　　使用定時方法實(shí)現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號通過頻率計(jì)的預(yù)處理電路變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波同樣加至定時／計(jì)數(shù)器的輸入腳。工作高電平是否加至定時／計(jì)數(shù)器的輸入腳；當(dāng)判定高電平加至定時／計(jì)數(shù)器的輸入腳，運(yùn)行控制位TR置1，啟動定時／計(jì)數(shù)器對單片機(jī)的機(jī)器周期的計(jì)數(shù)，同時檢測方波高電平是否結(jié)束；當(dāng)判定高電平結(jié)束時TR清0，停止計(jì)數(shù)，然后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)。這時讀出的數(shù)據(jù)反映的是待測信號的周期，通過數(shù)據(jù)處理把周期值變換成頻率值，由顯示電路顯示測量結(jié)果。

　　使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號為單片機(jī)定時／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)源，利用軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)閘門。頻率計(jì)的工作過程為：定時／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位TR置1，啟動定時／計(jì)數(shù)器工作；運(yùn)行軟件延時程序，同時定時／計(jì)數(shù)器對外部的待測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，延時結(jié)束時TR清0，停止計(jì)數(shù)。從計(jì)數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測量結(jié)果。
　　
　　測量結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，即有效數(shù)字乘以10為底的冪。這里設(shè)計(jì)的頻率計(jì)用5位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果：前3位為測量結(jié)果的有效數(shù)字；第4位為指數(shù)的符號；第5位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測量結(jié)果的顯示精度，又保證了測量結(jié)果的顯示范圍（0．100 Hz～9．99 MHz）。
　　
　　頻率計(jì)測量量程自動轉(zhuǎn)換的過程由頻率計(jì)測量量程的高端開始。由于只顯示3位有效數(shù)字，測量量程的高端計(jì)數(shù)閘門不需要太寬，例如在進(jìn)入計(jì)數(shù)器的信號頻率范圍在10．0～99．9 kHz，計(jì)數(shù)閘門寬度為10 ms即可。頻率計(jì)開始工作時使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測量，并使計(jì)數(shù)閘門寬度為最窄，完成測量后判斷測量結(jié)果是否具有3位有效數(shù)字，如果成立，將結(jié)果送去顯示，完成測量工作；否則將計(jì)數(shù)閘門寬度擴(kuò)大10倍，繼續(xù)進(jìn)行測量判斷，直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到1 s，這時對應(yīng)的進(jìn)入單片機(jī)的待測信號頻率范圍為100～999 Hz。如果測量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計(jì)則使用定時方法實(shí)現(xiàn)頻率測量。
　　
　　定時方法測量的是待測信號的周期，這種方法只設(shè)一種量程，測量結(jié)果通過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號周期轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率值，再將結(jié)果送去顯示。無論采用何種方式，只要完成一次測量，頻率計(jì)自動開始下一個測量循環(huán)，因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測量的功能，同時實(shí)現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。

3　信號預(yù)處理電路
　　
　　信號預(yù)處理電路如圖1所示，他由4級電路構(gòu)成。第1級為零偏置放大器，當(dāng)輸入信號為零或者為負(fù)電壓時，三極管截止，輸出高電平；當(dāng)輸入信號為正電壓時，三極管導(dǎo)通，輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降。零偏置放大器可把正負(fù)交替波形變換成單向脈沖，這使得頻率計(jì)既可以測量脈沖信號的頻率，也可以測量正弦波信號的頻率。放大器的放大能力實(shí)現(xiàn)了對小信號的測量，本電路可以測量幅度≥0．5 V的正弦波或脈沖波待測信號。三極管應(yīng)采用開關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第2級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器7414，他用于把放大器生成的單向脈沖變換成與TTL／CMOS電平相兼容的方波。第3級采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74160，第2級輸出的方波加到74160的CLK，當(dāng)從74160的TC輸出可實(shí)現(xiàn)10分頻（多個74160的級連可以進(jìn)一步擴(kuò)展測頻范圍）。第4級同樣采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74160，第3級輸出的方波加到他的CLK，當(dāng)從他的Q0輸出既可實(shí)現(xiàn)2分頻，且其輸出為對稱方波，方波寬度等于待測信號的周期，從而為測量信號周期提供基礎(chǔ)。