基于單片機的高精度數字頻率計的設計與實現

康嘉寧 楊抒濃 王云天 付麗華

沈陽工學院信息與控制學院

基于單片機的高精度數字頻率計的設計與實現

康嘉寧 楊抒濃 王云天 付麗華

沈陽工學院信息與控制學院

本文提出了一個基于單片機的高精度數字頻率計的設計。該設計以51單片機為微處理器，包括放大電路、整形電路、分頻電路和顯示電路，可以實現方波、三角波、正弦波的頻率檢測，最后通過程序控制，實現小信號、高精度的頻率檢測，從而完成具有數字顯示的功能頻率計的設計。該數字頻率計具有操作簡單、檢測精度高、顯示直觀等特點。

單片機 小信號 高精度 頻率計

數字頻率計(Digital Frequency Meter)是采用數字電路設計而成的能實現對周期性變化信號頻率測量的儀器。頻率計主要用于測量正弦波、矩形波、三角波和尖脈沖等周期信號的頻率值，其擴展功能可以測量信號的周期和脈沖寬度。

測量頻率的方法有很多，按照其工作原理分為無源測量法、比較法、示波器法和計數法等。本設計中采用的是直接測頻法，能直接計數單位時間內被測信號的脈沖數，然后以數字形式顯示頻率值。這種方法測量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測頻的需要。

1 數字頻率計工作原理

數字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率，工作原理如下：

頻率是單位時間（1S）內信號發生周期變化的次數。如果能夠在給定的1S時間內對信號波形計數，便可以獲得被測信號的頻率。數字頻率計首先必須獲得相對穩定與準確的時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數字電路識別的脈沖信號，然后通過計數器獲得單位時間內的脈沖個數，將其換算后顯示出來。

數字頻率計由四部分組成，包括放大電路、整形電路、分頻電路、以MCU為核心的控制單元和顯示電路，工作原理如下：

待測試的小信號，首先經過放大電路，放大后的信號，進入整形電路，整形電路的輸出信號為方波，連接MCU的輸入管腳，最后通過程序控制實現計數功能，再經過運算，將單位時間內的計數信息，轉換為頻率信息，顯示到液晶屏上。

2 數字頻率計硬件電路設計

根據工作原理，本電路的設計方案如下：

2.1 放大電路

放大電路的核心芯片為OPA690，實現對微小信號的放大。工作時，只對于幅值低于100mV的信號進行放大，反之，直接進入整形電路。

2.2 整形電路

通過整形電路，將正弦波、三角波和波形不佳的正弦波等轉化成矩形波。整形電路以MAX913為核心電路，實現對信號的整形。

2.3 分頻電路

對于頻率較高的信號，啟動分頻電路：二分頻或者四分頻，將信號的頻率降低到51單片機可以檢測出來的范圍內。對于頻率小于10MHz的信號，可以直接進入MCU的輸入端口。

2.4 MCU控制電路

在本設計中，采用了STC12C5206AD單片機作為微處理器，實現信號的檢測、計數、運算和顯示的驅動。為了實現精確計數，采用40MHz的有源晶振。

通過編程，實現對被測信號的下降沿檢測，即計數功能。在計數完畢后，將當期的頻率和周期信息，顯示到LCD上。

2.5 顯示單元

本設計中，以LCD1602作為顯示器，顯示分為兩行，每行可以顯示16個字符，包括數字和英文字符。

3 數字頻率計軟件設計

軟件程序包括如下3個部分：

3.1 初始化

初始化包括：系統的設置、液晶屏的初始化和顯示和定時中斷的參數設置。

3.2 信號檢測和計數

在完成初始化后，對信號進行檢測，每當檢測到一個下降沿時，計數自動加1。計時結束時，判斷當前的狀態否為分頻，然后對當前的數據進行相應的處理。

3.3 數據運算

根據計數的值與定時中斷的計數值，進行運算，然后計算出頻率和周期。為了實現精確計算，頻率和周期均采用float型的變量，計算的結果保留4位小數。

3.4 顯示驅動

顯示內容如下：

第一行顯示頻率的數值，保留4位小數，自動顯示頻率的單位：Hz，kHz和MHz；

第二行顯示被檢測信號的周期信息，保留4位小數，自動顯示周期的單位：S，mS和uS。

通過精確的計算，實現了數字頻率計的高精度等級的測量和直觀的顯示。

4 結論

在電子技術領域，頻率是一個最基本的參數。許多物理量，例如：溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動、位移、速度等通過傳感器轉換成信號頻率，然后用數字頻率計來測量。因此，數字頻率計作為一種最基本的測量儀器以其測量精度高、速度快、操作簡便、數字顯示等特點被廣泛應用。尤其是將數字頻率計與微處理器相結合，可實現測量儀器的多功能化、程控化和智能化。隨著現代科技的發展，基于數字式頻率計組成的各種測量儀器、控制設備、實時監測系統已應用到國際民生的各個方面。

[1]李雷等編.電子技術應用實驗教程[M].電子科技大學出版社，2006

[2]趙亮.跟我學51單片機系列教程(九)-單片機簡易頻率計[J].電子制作，2011年09期

[3]STC12C5206AD數據手冊[EB/OL].http://stcmcu.cn.china.cn

康嘉寧，楊抒濃，王云天，沈陽工學院，學生。

付麗華（通訊作者），1972年6月，女，滿族，遼寧人，沈陽工學院，副教授。