淺析數字頻率計設計

強波

摘 要:頻率測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要。傳統的頻率計通采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構成,產品不但體積較大,運行速度慢,而且測量低頻信號時不宜直接使用。在電子技術中,頻率是最基本的參數之一,并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系,因此頻率的測量就顯得更為重要。測量頻率的方法有多種,其中電子計數器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速,以及便于實現測量過程自動化等優點,是頻率測量的重要手段之一。本文闡述了用ATmega16單片機與相關硬件和軟件設計了一個簡單的數字頻率計的過程。

關鍵詞:數字頻率計單片機設計

中圖分類號:TP27 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0037-01

頻率測量方法的優化越來越受到重視。頻率計的基本原理是用一個頻率穩定度高的頻率源作為基準時鐘,對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數,此時我們稱閘門時間為1s。閘門時間也可以大于或小于1s。閘門時間越長,得到的頻率值就越準確,但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短,測的頻率值刷新就越快,但測得的頻率精度就受影響。本文。數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器,被測信號可以是正弦波,方波或其它周期性變化的信號。如配以適當的傳感器,可以對多種物理量進行測試,比如機械振動的頻率,轉速,聲音的頻率以及產品的計件等等。因此,數字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。

1 電子式測量頻率的方法

利用電子計數式測量頻率具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速,以及便于實現測量過程自動化等一系列優點,下面將重點介紹電子計數式測量頻率的幾種方法。

(1)脈沖數定時測頻法(M法):此法是記錄在確定時間Tc內待測信號的脈沖個數Mx,則待測頻率為:

Fx=Mx/Tc

顯然,時間Tc為準確值,測量的精度主要取決于計數Mx的誤差。其特點在于:測量方法簡單;測量精度與待測信號頻率和門控時間有關,當待測信號頻率較低時,誤差較大。

(2)脈沖周期測頻法(T法):此法是在待測信號的一個周期Tx內,記錄標準頻率信號變化次數Mo。這種方法測出的頻率是:

Fx=Mo/Tx

此法的特點是低頻檢測時精度高,但當高頻檢測時誤差較大。

(3)脈沖數倍頻測頻法(AM法):此法是為克服M法在低頻測量時精度不高的缺陷發展起來的。通過A倍頻,把待測信號頻率放大A倍,以提高測量精度。其待測頻率為:

Fx=Mx/ATo

其特點是待測信號脈沖間隔減小,間隔誤差降低;精度比M法高A倍,但控制電路較復雜。

2 設計方案確定

系統采用ATmega16單片機,門控信號由T0內部的計數定時器產生,單位為1ms。由于單片機的計數頻率上限較低,所以需對高頻被測信號進行硬件欲分頻處理,最后使整個電路完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片機,使整個系統具有極為靈活的可編程性,能方便地對系統進行功能擴展與改進。

3 各部件功能及特點

ATmega16是一個基于增強地AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其具有先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間,所以ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHZ,從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接,使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數據吞吐率。

ATmega16有如下特點:16K字節的系統內可編程的Flash(具有同時讀寫的能力,即RWW),512字節EEPROM,1K字節SRAM,32個通用I/O口線,32個通用工作寄存器,用于邊界掃描的JTAG接口,支持片內調試與編程,三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C),片內/外中斷,可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口,8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC,具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器,一個SPI串行端口,以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作,而USART、兩線接口、A/D轉換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統繼續工作;掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩,所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止作;在省電模式下,異步定時器繼續運行,允許用戶保持一個時間基準,而其余功能模塊處于休眠狀態;ADC噪聲抑制模式時終CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作,以降低ADC轉換時的開關噪聲;Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行,其余功能模塊處于休眠態,使得器件只消耗極少的電流,同時具有快速啟動能力;擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續工作。

4數碼管顯示

設計采用了4個共陽的七段發光二極管實現顯示電路。

七段發光二極管(LED)數碼管

LED數碼管是目前最常用的數字顯示器,圖1為共陰管和共陽管的電路和兩種不同出線形式的引出腳功能圖。

一個LED數碼管可用來顯示一位0～9十進制數和一個小數點。小型數碼管(0.5寸和0.36寸)每段發光二極管的正向壓降,隨顯示光(通常為紅、綠、黃、橙色)的顏色不同略有差別,通常約為2～2.5V,每個發光二極管的點亮電流在5～10mA。LED數碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數字就需要有一個專門的譯碼器,該譯碼器不但要完成譯碼功能,還要有相當的驅動能力。

參考文獻

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