高精度低功耗雙路頻率計(jì)設(shè)計(jì)

【摘要】本文以AT89C51單片機(jī)為核心，基于等精度測(cè)頻原理，設(shè)計(jì)了一款高精度、低功耗多功能頻率計(jì)，可以同時(shí)測(cè)量?jī)陕奉l率范圍為1Hz-10MHz的信號(hào)的頻率，并且具有存儲(chǔ)和查詢功能，同時(shí)提供1K和1M兩路方波信號(hào)源。本文采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件模塊有控制模塊、放大整形模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)源模塊等組成，軟件模塊有頻率范圍判斷、頻率測(cè)量及頻率值的顯示等部分組成。

【關(guān)鍵詞】頻率計(jì)；等精度測(cè)量；單片機(jī)

引言

頻率計(jì)和信號(hào)源是常用的電子設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、通訊和教學(xué)等領(lǐng)域。頻率計(jì)的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)及其他變化的物理量在單位時(shí)間內(nèi)變化的頻率，而信號(hào)源的功能則是提供各種頻率的函數(shù)信號(hào)。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測(cè)量成為一項(xiàng)越來越普遍的工作，測(cè)頻原理和測(cè)頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。

早期的頻率計(jì)采用測(cè)頻法或測(cè)周法測(cè)量頻率，通常由組合邏輯電路和時(shí)序電路等硬件電路組成，產(chǎn)品體積大、運(yùn)行速度慢、測(cè)量精度不高，而現(xiàn)在市面上較為流行的頻率計(jì)雖然在測(cè)頻性能上有很大提高，但通常價(jià)格昂貴，同時(shí)功能相對(duì)單一，如頻率測(cè)量和信號(hào)源分開，存儲(chǔ)功能不完善等，不適合廣大初學(xué)者的實(shí)際需求。

1.傳統(tǒng)頻率測(cè)量方法

1.1 測(cè)頻法

由控制電路產(chǎn)生測(cè)頻所需的滿足一定時(shí)序關(guān)系的閘門信號(hào)、清零脈沖信號(hào)和鎖存脈沖信號(hào)。當(dāng)頻率計(jì)正常工作時(shí)，寬度為1s的閘門信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘使能信號(hào)，則被測(cè)信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。當(dāng)閘門信號(hào)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器即開始計(jì)數(shù)；當(dāng)閘門信號(hào)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器即停止計(jì)數(shù)，則1s的閘門時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值即為被測(cè)信號(hào)的頻率。同時(shí)，為了保證測(cè)評(píng)準(zhǔn)確，在每次閘門信號(hào)開通前提供給計(jì)數(shù)器一個(gè)清零脈沖信號(hào)，讓計(jì)數(shù)器處于零狀態(tài)，保證計(jì)數(shù)器每次都從零開始計(jì)數(shù)。

如果計(jì)數(shù)器的輸出直接譯碼顯示，則在閘門信號(hào)為高電平期間，頻率計(jì)的顯示將會(huì)隨著計(jì)數(shù)值的增加而不斷變化，不斷閃爍，人眼將難以分辨。為了防止這種現(xiàn)象，在計(jì)數(shù)器和譯碼、顯示 之間增加一鎖存電路。只有當(dāng)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)后（閘門信號(hào)由高變低后），才將計(jì)數(shù)值鎖存并譯碼顯示。為了防止顯示閃爍，鎖存信號(hào)的周期必須大于人的視覺滯留時(shí)間（約為0.1s）。

1.2 測(cè)周期法

將被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過整形后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，利用單片機(jī)查詢兩個(gè)上升沿，在此期間根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的周期為 Tc的脈沖送計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則得被測(cè)量信號(hào)的周期值Tx=Tc×N，然后取其倒數(shù)即為被測(cè)量信號(hào)的頻率。

1.3 等精度測(cè)量法

2.具體模塊電路設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)上述系統(tǒng)分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)模塊電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)微處理電路、寬帶信號(hào)放大電路、信號(hào)整形電路、雙路切換電路、10分頻電路、顯示電路、存儲(chǔ)電路、分頻驅(qū)動(dòng)電路1和分頻驅(qū)動(dòng)電路2。總體框圖如圖2所示。

（2）各模塊設(shè)計(jì)與功能如下：

1）單片機(jī)微處理電路

本電路的主芯片是AT89S52單片機(jī)，它是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器、ISP Flash存儲(chǔ)單元、32位I/O口線、看門狗定時(shí)器、2個(gè)數(shù)據(jù)指針、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。

2）寬帶信號(hào)放大電路、信號(hào)整形電路

寬帶信號(hào)放大電路的功能是對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大處理，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度的要求。型號(hào)整形電路是對(duì)一些不是方波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測(cè)量。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)讓輸入信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)模擬電路進(jìn)行信號(hào)的放大處理，兼顧了高頻和低頻信號(hào)，然后用芯片74HC14充當(dāng)比較器，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為0和1的數(shù)字信號(hào)。原理圖如圖3所示。

3）雙路切換電路

為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)，設(shè)計(jì)了雙路切換電路，如圖4所示。其工作原理為：當(dāng)選擇端信號(hào)為低電平‘0’時(shí)，芯片74HC00的 Y1口輸出為高電平‘1’，Y2口輸出為信號(hào)2的非，經(jīng)過與非門（A3 B3 Y3）后，Y3口輸出為信號(hào)2；當(dāng)選擇端信號(hào)為‘1’時(shí)，Y2口輸出為高電平‘1’，Y1口輸出為信號(hào)1的非，經(jīng)過與非門（A3 B3 Y3），Y3口輸出為信號(hào)1。

4）10分頻電路

10分頻電路如圖5所示。本電路采用74HC390異步雙二—五—十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)分頻。內(nèi)有兩組計(jì)數(shù)器，每組計(jì)數(shù)器由兩個(gè)計(jì)數(shù)器組成，1個(gè)一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和1個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它們可以單獨(dú)計(jì)數(shù)，但清零時(shí)同時(shí)清零。 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器：A時(shí)鐘，QA輸出 ；五進(jìn)制計(jì)數(shù)器：B時(shí)鐘，QD，QC，QB輸出 。信號(hào)從4端口輸入，每記滿五個(gè)數(shù)從6端口輸出一個(gè)數(shù)送入端口12，再次記滿五個(gè)數(shù)時(shí)從端口10輸出一個(gè)數(shù)送入端口1，記滿兩次時(shí)從端口3輸出一個(gè)數(shù)送入15，再次記滿兩次時(shí)從13口輸出。即每當(dāng)輸入端輸入5*5*2*2個(gè)數(shù)時(shí)，輸出端輸出一個(gè)數(shù)，也就是實(shí)現(xiàn)了100分頻。

3.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

此外，我們對(duì)兩路信號(hào)的輸出頻率進(jìn)行了測(cè)量，其頻率分別為1K和1M，沒有誤差。

4.結(jié)束語

本頻率計(jì)的測(cè)量范圍是1Hz～10MHz，自帶量程自動(dòng)切換，1KHZ、1MHZ標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)源功能。可以同時(shí)測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的頻率。具有成本低、精度高、多功能等優(yōu)點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)、電子制作和生產(chǎn)流水線。具有廣闊的市場(chǎng)潛力。

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項(xiàng)目資助（編號(hào)：JG00613JX07 SZDG2013016）。