基于單片機的數字頻率計設計

西安外事學院 王立紅

圖1 系統原理圖

圖2 整形電路設計

圖3 整形電路仿真輸出

圖4 分頻數據選擇器

1.引言

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。本文介紹了基于單片機的數字頻率計設計與實現。

2.硬件組成電路

2.1 信號整形電路

信號整形部分主要是將待測信號整形成為能夠讓計數器識別并計數的脈沖信號。采用LM311構成的過零比較器，LM311的轉換速度為200ns，即轉換頻率為f=1/T=1/(200ns)=5MHz，帶寬增益為4MHz。

圖5 分頻電路仿真

在Multisim下的整形電路的仿真如圖2所示。

仿真輸出的波形如圖3所示。

觀察輸出的波形，當輸入信號電平大于零時，輸出高電平5V；當輸入信號電平小于零時，輸出電平0V。通過此整形電路，把正弦、三角波信號轉換為方波信號，而方波信號能夠被單片機識別進行計數。

2.2 分頻電路與數據選擇

本設計的硬件電路由單片機、信號整形電路、分頻模塊、數據選擇模塊及顯示模塊等組成，系統原理如圖1所示。待測信號通過信號整形部分，將周期信號轉換成所需要的方波，方波通過分頻器處理，由單片機來控制選擇不同的分頻信號，并將信號的頻率計數，轉化為相應的顯示代碼發往LCD輸出顯示結果。

圖6 單片機控制流程圖

分頻與數據選擇是由兩個部分組成的，即分頻部分和數據選擇部分。

分頻處理部分的作用是利用分頻來克服單片機自身計數范圍有限的缺點，間接的擴大了它的測頻范圍，采用的芯片為CD4518。通過兩片CD4518芯片得到十分頻、一百分頻、一千分頻、一萬分頻的脈沖信號。

本設計中所測頻率范圍是1Hz-1MHz。在待測頻率較大時，由于單片機自身頻率的限制，無法完成計數。AT89C52單片機采用的是12MHz晶振，當計算機識別1次計數時需要花費兩個機器周期，最大計數速度為振蕩頻率的1/24。在采用12MHz晶振的情況下，單片機的最大計數速度是12MHz×1/24=0.5MHz，即500KHz。被測信號越接近500KHz，所測得的數據誤差就越大。當待測信號頻率大于500KHz時，單片機是測不到其頻率的。為盡可能避免上述情況的發生就需要分頻器將信號頻率降低，也就是分頻，這樣單片機就能對信號正常計數了。

數據選擇部分選用的是74LS151，74LS151為互補輸出的8選1數據選擇器。將分頻器分出的十分頻、一百分頻、一千分頻、一萬分頻的脈沖信號接八路模擬開關74LS151的I1、I2、I3、I4、I5口，使用單片機控制74LS151來選擇不同分頻信號就能實現所需功能。

具體連接方式如圖4所示。

由于Multisim中沒有CD4518元器件，用類似于它的74ls390進行代替，仿真的電路圖5所示。當輸入的信號為1kHz的時候的，輸出的一級、二級、三級分頻的波形的周期分別為10ms、100ms、1s，符合分頻的要求，完成仿真。而實際中由于分頻會造成信號的失真，因此可能要加入一個濾波器，除去噪聲信號。

3.單片機控制流程設計

單片機控制流程如圖6所示。

4.結束語

本系統采用信號整形、信號分頻及數據選擇電路設計，單片機采用AT89C52，用C51語言編程，實現了對不同波形、不同頻率信號的測量。在測試時根據被測信號頻率的不同，選擇不同的預置閘門時間。根據測試結果，在低頻端測量誤差＜0.01%，在高頻端測量誤差＜0.001%，達到設計要求。對誤差進行分析，主要是計數器沒有經過同步門，存在±1量化誤差，這也是誤差存在的主要來源。

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