簡易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

一、概述

在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計(jì)數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一。電子計(jì)數(shù)器測頻有兩種方式：一是直接測頻法，即在一定閘門時(shí)間內(nèi)測量被測信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)；二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法適用于高頻信號(hào)的頻率測量，間接測頻法適用于低頻信號(hào)的頻率測量。本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)以AT89C52為核心，在軟件編程中采用的是C51語言，測量采用了多周期同步測量法，它避免了直接測量法對精度的不足，同時(shí)消除了直接與間接相結(jié)合方法，需對被測信號(hào)的頻率與中介頻率的關(guān)系進(jìn)行判斷帶來的不便，能實(shí)現(xiàn)較高的等精度頻率和周期的測量。

二、硬件電路設(shè)計(jì)方案

多周期同步測量法的基本思路是使被測信號(hào)與閘門之間實(shí)現(xiàn)同步化，從而從根本上消除了在閘門時(shí)間內(nèi)對被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)的±1量化誤差，使測量精度大大提高。倒數(shù)計(jì)數(shù)器就是基于該方法而設(shè)計(jì)出來的一種具有創(chuàng)新思想的測頻、測周期的儀器。它采用多周期同步測量法，即測量輸入多個(gè)（整數(shù)個(gè)）周期值，再進(jìn)行倒數(shù)運(yùn)算而求得頻率。其優(yōu)點(diǎn)是：可在整個(gè)測頻范圍內(nèi)獲得同樣高的測試精度和分辨率。

（一）系統(tǒng)級方案設(shè)計(jì)

在選擇多周期同步等精度測量法的情況下，按照自頂向下的設(shè)計(jì)方法，可以畫出該頻率計(jì)的系統(tǒng)級框圖，如圖1所示。根據(jù)測周期、頻率的原理，可以將總體框圖分為三個(gè)子系統(tǒng)：輸入通道（即前置整形電路）該部分主要由模擬電路組成的；多周期同步等精度頻率、周期的測量、控制及功能切換（中間部分），該部分基本上由數(shù)字硬件電路組成；單片機(jī)及外圍電路，包括單片機(jī)、數(shù)碼顯示。

圖 1 頻率計(jì)的系統(tǒng)方框圖

（二）子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．輸入通道的設(shè)計(jì)。輸入通道是由前置放大器和整形器組成的，所以要對前置放大器的增益和帶寬指標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。為了能準(zhǔn)確測量信號(hào)，將輸入信號(hào)經(jīng)過一個(gè)放大整形電路。其具體實(shí)施方案為：將輸入信號(hào)經(jīng)過LM358運(yùn)放放大，再通過74LS132整形，此時(shí)的信號(hào)還不能直接送入單片機(jī)，這是因?yàn)樵谟布�上CPU對INT0和INT1引腳的信號(hào)不能控制，解決這個(gè)問題要通過硬件，再配合軟件來解決。

2．預(yù)置閘門時(shí)間發(fā)生電路設(shè)計(jì)。閘門時(shí)間的確定，可以先由一個(gè)555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，將555產(chǎn)生的脈沖信號(hào)送入到74LS90十進(jìn)制計(jì)數(shù)器當(dāng)中，由于74LS90具有二-五進(jìn)制混合計(jì)數(shù)的功能，所以可以用它來實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制計(jì)數(shù)，將74LS90的輸出接到3—8線譯碼器74LS138的輸入端，再將譯碼器的輸出端接上五個(gè)發(fā)光二極管，這樣就可以實(shí)現(xiàn)硬件上的閘門時(shí)間控制。但是考慮到硬件實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性，可以通過軟件上來實(shí)現(xiàn)，就是將五個(gè)發(fā)光二極管直接接到單片機(jī)的P1口由軟件上來實(shí)現(xiàn)，通過按鍵來改變它的閘門時(shí)間。

3．?dāng)?shù)碼顯示電路的設(shè)計(jì)。該部分電路是由單向八位移位寄存器74LS164和數(shù)碼管組成的�？紤]到精度的問題，取五位計(jì)數(shù)值，采用五片74LS164級聯(lián)，同時(shí)還要顯示頻率和周期的單位，所以還需再級聯(lián)一塊74LS164，在74LS164的輸出端接六個(gè)單位指示燈，分別表示周期頻率的三個(gè)不同的單位數(shù)量級，即周期單位s，ms，μs和頻率單位Hz，KHz及MHz。移位寄存器的時(shí)鐘信號(hào)是由單片機(jī)的串行輸出口TXD腳控制。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）軟件主程序流程圖(見圖2）

（二）子程序的設(shè)計(jì)

1．鍵盤中斷服務(wù)子程序。因該頻率計(jì)的測量項(xiàng)目較多，所以在系統(tǒng)初始化時(shí)，將默認(rèn)測量項(xiàng)目設(shè)置為測頻，且預(yù)置閘門時(shí)間設(shè)置為1ms。具體做法就是在主程序的系統(tǒng)初始化部分，將測頻選擇鍵的鍵值以及預(yù)置閘門時(shí)間設(shè)置代碼寫入單片機(jī)RAM單元中去。這樣開機(jī)后即使用戶沒有選擇任何測量項(xiàng)目鍵，也能進(jìn)行頻率測量。

2．軟件計(jì)數(shù)器子程序。該頻率計(jì)所需要的不同閘門預(yù)置時(shí)間信號(hào)是由單片機(jī)產(chǎn)生的。由于預(yù)置閘門時(shí)間的范圍很寬，最大值為10s，最小值為1ms，僅用單片機(jī)中的定時(shí)器硬件是不能實(shí)現(xiàn)的，需采用軟硬件相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。其具體實(shí)現(xiàn)方案為將C/T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為由引腳高電平啟動(dòng)的方式1定時(shí)器T0，初始化將其初值設(shè)為0.該計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)過程如下：主程序首先將單片機(jī)P1.6腳置為高電平（邏輯1）發(fā)出預(yù)置閘門信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)同步電路而產(chǎn)生高電平的同步門信號(hào)，從而使單片機(jī)引腳變?yōu)楦唠娖�，C/T0定時(shí)器中的計(jì)數(shù)器就被啟動(dòng)開始計(jì)數(shù)。

3．?dāng)?shù)據(jù)處理子程序。當(dāng)事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值NA，NB被讀到單片機(jī)中后，通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，根據(jù)過去讀入并保存在單片機(jī)RAM單元中的測量項(xiàng)目的鍵值，預(yù)置閘門值代碼，判斷出所要測量的參數(shù)項(xiàng)目，對計(jì)數(shù)值NA，NB進(jìn)行相應(yīng)的處理，求出所測參數(shù)的值和單位，最后應(yīng)將參數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，再轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼顯示器的段碼（每位包含5個(gè)數(shù)字段碼和1個(gè)小數(shù)點(diǎn)）以及驅(qū)動(dòng)三個(gè)單位符號(hào)指示燈之一的位碼，作為顯示子程序的輸入數(shù)據(jù)，存放在9個(gè)RAM單元組成的顯示緩沖區(qū)中。對計(jì)數(shù)值NA，NB的處理運(yùn)算要用到除法和乘法，為了提高運(yùn)算精度，應(yīng)當(dāng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算。顯然，采用C語言來編寫這些運(yùn)算程序可大大提高編程效率。

四、結(jié)論

本系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，用C51語言編程，實(shí)現(xiàn)了對不同波形、不同頻率信號(hào)的測量。在測試時(shí)應(yīng)根據(jù)被測信號(hào)頻率的不同，選擇不同的預(yù)置閘門時(shí)間。根據(jù)測試結(jié)果，在低頻端測量誤差<0.01%，在高頻端測量誤差<0.001%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對誤差進(jìn)行分析，主要是時(shí)間計(jì)數(shù)器B沒有經(jīng)過同步門，存在±1量化誤差，這也是誤差存在的主要來源。

圖2主程序流程圖

【參考文獻(xiàn)】
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