基于單片機的頻率計設計

安佳琪

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的頻率計設計

安佳琪

遼寧錦州渤海大學工學院

頻率對于電子技術而言是很重要的參數，同時在電量的領域有著重大的應用，所以掌握頻率的測量有著重要的影響意義。設計一種基于單片機的頻率提高了測量的精確性。本文設計的頻率計的核心器件是單片機，同時設計中還包括了顯示數據以及輸入信號模塊和提供時鐘顯示的功能實現。本文的編程語言采用的是匯編，本文選用了模塊化的設計思想，這對于頻率測量的范圍起到了很大的提高作用。

單片機 測量 頻率計

1 前言

使用單片機頻率計具有效率高，易于操作，速度快，交互友好等等優點在電路中對頻率進行測量是十分重要的，然后將測量的結果顯示在顯示器中，進一步實現頻率的測量。通過頻率的測量能夠很快地找到問題的源頭，從而對相應的問題進行適當的處理。關于測量頻率的方式，以往的頻率計選擇的是測頻法，前提是需要進行電路的整體結構設計，通常而言如果信號是低頻的，那么針對該種信號就不能采用單片機的技術。現今的數字頻率計所采用的方法相對于以往而言比較簡單，通常通過對信號進行微分，放大等操作后能夠生成具有一定周期的窄脈沖信號，將所形成的信號和主門的輸入端相連，另一部分則是基電路，通過該電路能夠形成閘門脈沖，將具有一定周期的脈沖信號經過主門，從而實現計數器計數的操作。關于頻率工作的原理主要是將需要測量的信號進行頻率測定，通過也需要測量脈沖的個數。如果閘門設定的時間越長，那么對應的頻率值測量出的結果也會更加精確。

2 頻率計數部分工作原理

關于系統硬件設計部分，比較重要的一個電路就是信號的預處理。其中關于信號的預處理電路的組成主要包括了四級的電路。其中的第一級電路是零偏置的放大器，如果輸入信號的電壓是為負值時，三極管的狀態就會是截止的，而且此時輸出信號的電平是高電平，如果輸入的信號時對應的電壓是正數時，三極管就會導通，而且電壓的輸入值和電壓的上升是成反比的。通過零偏置放大器可以把正弦波樣的正負交替波形向單向的脈沖進行轉化，從而頻率計就可以對方波的信號進行測量，同時還可以對正弦波信號進行測量。由于三極管選擇的是開關三極管，所以可以確保放大器響應高頻時效果很好。

第二級中添加的是反相器7414，該器件中附帶著觸發器。第三級中的同步計數器是十進制的，而且型號是74160。第四級中和第三級采用的同步計數器是一樣的，在同步計數器的CLK中添加來自第三級輸出的方波，接著同步計數器的Q0能夠實現2分頻，產生的波形就是對稱的方波，其中該對稱方波寬度和待測信號周期是一樣的，而信號周期的測量都是以這些為基礎的。顯示電路中的選擇的顯示方式是靜態的。將頻率的測量值經過譯碼，接著再經過89C51串行口。存儲的方式選擇的是同步移位。接著取出89C51中輸出的數據，74164時鐘輸入口CP就會接收這些數據。74164中進行的過程是數據的轉化，這是一個串行數據向并行數據轉化的過程。74164中輸出的8位并行數據會一一和8段LED對應，最終將數據顯示出來。采取的該方法中的主程序不涉及對顯示器進行掃描，該方法也可以擴展顯示位數。頻率計原理圖如圖1所示。

圖1 頻率計原理圖

3 系統硬件設計

頻率計中的電路主要涉及到了與非門、分頻器以及計數器等器件，其中電路中的閘門功能的實現是通過P3.1引腳控制的，如果執行了程序指令之后P3.1變為高電平，此時就會打開閘門，當時間是1s之后執行相應的指令P3.1的電平變為低電平，從而關閉閘門，如果閘門開啟的時間是1s的話，被測的方波信號就會先進行與門運算，經過級聯之后，會大大地擴大計數器的范圍。

3.1 計數

本文設計的計數功能的實現采用的74LS393有2個。其中的一個74LS393主要是當作是計數器中的低4位，而另一個74LS393是當作計數器中的高4位。這個2個74LS393的連接方式是級聯的，低4位的74LS393的引腳1會和信號源相互連接，時鐘信號主要是來自信號源。當信號源的電平發生改變的時候，比如從高電平向變低電平發生變化時，計數器就會計數開始。而高4位的74LS393引腳13是和低4位的74LS393的引腳6相互連接，時鐘信號是來自引腳6。當低4位的74LS393計數是滿的狀態時，低4位的74LS393的引腳6就會形成一個溢出，此時引腳6中的電平就會從高電平向低電平變化，從而高4位的74LS393就會計數開始。74LS393的輸出端口和單片機的P0口一一對應連接。

3.2 顯示器電路

單片機還對信號自身的頻率進行計數的處理，最后將這個結果以代碼的形式發送到LCD上將結果進行呈現。顯示器電路中選擇的顯示器是7SEGLED是共陰極的。本文選擇的的顯示器是8位LED，顯示的數據是8位有效數字，頻率信號的頻率是60MHz。

其中原理圖中的74LS393的邏輯功能表如表1所示。

表1 邏輯功能表

3.3 內部計數器計數法

內部計數器計數法的原理圖如圖2所示。內部計數器計數法主要是計算輸入的脈沖波的數目，這里的計數器是單片機自帶的。該計數器的最大優點就是所投入的成本比較低，而且沒有涉及到外部的計數器，其次大大地減少了程序員的工作量，使得編程更容易實現。本文設計的頻率計所選擇的單片機是AT89C51單片機，內部計數器中的計數功能設置為T1，其中，T0是定時。頻率信號是從T1端輸入的。輸入時鐘信的頻率的最高值是小于單片機晶振頻率的1/24。同時定時的時間設置是不可以為1s，因此溢出中斷會進行多次，這樣就直接導致了頻率測量中存在的誤差，因此需要盡量地減少誤差。在該部分的程序設計中主要包括了顯示部分以及修正部分和轉化BCD碼等，其中的修正部分與機器周期有著直接的聯系。

圖2 內部計數器計數法的工作原理

4 系統軟件的設計

系統的軟件設計部分采用的方法是自頂向下的模塊化，將系統進行拆分為多個子模塊，而對系統的程序是進行統一地管理。程序部分主要的功能有顯示數據，運算數據以及測量數據等。頻率測量主程序流程圖如圖3所示。

采取計數之前需要先對計數器進行清零處理。接著，根據接收到的命令將閘門打開，通過計數器記錄進入閘門的時間值。當延時子程序結束以后，讓計數器停止運行，計數器的停止是通過停止指令實現的。按照程序中的步驟進一步通過單片機進行計數器值的讀取。

圖3 頻率測量主程序流程圖

5 結語

作為集成性芯片電路中的一種，單片機中具備了大規模的集成系統，由于單片機的存在從而確保了中斷系統以及定時計數功能的實現，模擬數字信號之間的轉化和數字模擬信號的轉換等。通過頻率計能夠對頻率信號進行精確地測量，而且頻率計的主要作用就是測量頻率信號，頻率計中的組成部分主要包括了輸入輸出電路，顯示電路以及時基T電路等。

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