關(guān)于調(diào)頻信號(hào)測(cè)試的數(shù)字頻率計(jì)的單元電路設(shè)計(jì)

山東省廣播電影電視局蒙山轉(zhuǎn)播臺(tái) 陳利新

1.引言

數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制碼來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。作為一種基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，已在教學(xué)、科研、高精度儀器測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。

在模擬電路和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)源可產(chǎn)生各種頻率范圍的信號(hào)，如果能直接讀出其頻率，可以給實(shí)驗(yàn)者帶來(lái)很大的方便。所以頻率計(jì)是實(shí)驗(yàn)箱中很重要的組成部分，而購(gòu)買設(shè)計(jì)好的頻率計(jì)成本較高，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的頻率計(jì)，完善了實(shí)驗(yàn)箱的功能，具有較好的使用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)中使用信號(hào)的頻率不是很高，所以要求設(shè)計(jì)的頻率計(jì)測(cè)量的頻率范圍在1Hz---10MHz之間。能夠測(cè)量任何該頻率段內(nèi)的周期信號(hào)的頻率，延時(shí)要小，測(cè)量迅速，以十進(jìn)制數(shù)顯示，便于讀數(shù)，單位以Hz或KHz顯示，自動(dòng)轉(zhuǎn)換單位。

2.整形電路設(shè)計(jì)

整形電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)，即只有高電平和低電平的離散信號(hào)。所以我們選擇電壓比較器作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路，將非矩形信號(hào)變換成矩形信號(hào)。對(duì)比較器的選擇主要從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)傳播延遲時(shí)間：這是選擇比較器最重要的參數(shù)，延遲時(shí)間包括信號(hào)通過(guò)元器件產(chǎn)生的傳輸延時(shí)和信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間，顯然只有延遲時(shí)間短了，才能使整個(gè)處理時(shí)間縮短；

(2)電源電壓：傳統(tǒng)的比較器需要±15V雙電源供電或高達(dá)36V的單電源供電，這些產(chǎn)品在工業(yè)控制中仍有需求，但是，從市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)看，目前大多數(shù)應(yīng)用需要比較器工作在電池電壓所允許的單電源電壓范圍內(nèi)，而且，比較器必須具有低電流、小封裝的特點(diǎn)，有些應(yīng)用中還要求比較器具有關(guān)斷功能；

(3)功耗：對(duì)于所有器件來(lái)說(shuō)，當(dāng)然功耗越低越好，但在此需要權(quán)衡比較器的速度與功耗，找到兩者的最佳結(jié)合；

(4)門限電壓：可以通過(guò)設(shè)置外圍器件來(lái)確定門限電壓的大小，門限電壓越大電路抗干擾能力越強(qiáng)，但是靈敏度就會(huì)變差，因此，要根據(jù)具體需要確定門限值大小。

考慮到以上因素，這里選擇使用TI公司的芯片LM311，其引腳圖如圖1。

輸入信號(hào)通過(guò)電阻R1接入LM311的引腳2，這樣不至于使引腳2因輸入電流過(guò)大而燒壞芯片。當(dāng)輸入電壓大時(shí)，為了不毀害芯片，需要在引腳2上接二極管來(lái)保護(hù)芯片。引腳3是負(fù)輸入端，但如果直接接地，在引腳2上即使有微小的波動(dòng)(干擾信號(hào))也會(huì)導(dǎo)致輸出端輸出脈沖。因此，引腳3不可直接接地，通過(guò)在引腳3和8腳接分壓電阻，設(shè)置門限電壓。引腳8接+5伏電源，電阻R3、R4分壓，R4:R3≈1:20，即門限電壓為0.25V(R3=4.7K，R4=220)，當(dāng)輸入電壓小于0.25V時(shí)，輸出不變，從而使電路具有了一定的抗干擾能力。LM311輸出電路為集電極開(kāi)路的門電路(OC門)，因此還需在輸出腳7加上拉電阻R5。從而可得整形電路如圖2。

3.計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

整形后，對(duì)于低頻信號(hào)，其上升沿變化比較緩慢，且疊加有高頻信號(hào)，計(jì)數(shù)電路可能將此抖動(dòng)誤認(rèn)為輸入脈沖對(duì)其計(jì)數(shù)，為避免這種錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，可使低頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器，從而消除上升沿的抖動(dòng)，而對(duì)高頻信號(hào)，經(jīng)濾波器后被濾除。因此在濾波前就應(yīng)把低頻和高頻分開(kāi)，在這里使用反相器74HC14(Philips公司產(chǎn))，使高頻信號(hào)不經(jīng)反相器，而低頻信號(hào)經(jīng)反相器后濾波，得到較規(guī)則的矩形信號(hào)。

得到的矩形信號(hào)要輸入到單片機(jī)中，這里使用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機(jī)，它是一種低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，管腳少，體積小，且功能強(qiáng)。片內(nèi)含2KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀FLASH程序存儲(chǔ)器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，T0、T1，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行通信口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。

AT89C系列與MCS-51系列單片機(jī)相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序的寫(xiě)入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路的體積更小。AT89C2051的管腳圖如圖3。

AT89C2051的1腳為復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效，單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳上加持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就可完成復(fù)位操作。復(fù)位電路常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。這里采用上電自動(dòng)復(fù)位。它是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要VCC的上升時(shí)間不超過(guò)1mS，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。這里時(shí)鐘頻率選擇12MHz時(shí)，C取10uF，R取10k。

圖1 LM311引腳圖

圖2 整形模塊電路

圖3 AT89C2051引腳圖

在此使用AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率，基本測(cè)量過(guò)程為：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1(T1)的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位TR置1，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作；同時(shí)運(yùn)行定時(shí)/計(jì)數(shù)器0(T0)定時(shí)1s，T0定時(shí)1s時(shí)間到TR1清0，停止計(jì)數(shù)。當(dāng)外部輸入信號(hào)產(chǎn)生由1到0的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1。每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間對(duì)外部輸入引腳采樣，如果在第一個(gè)機(jī)器周期中采得的值為1，下一個(gè)機(jī)器周期中采得的值為0，則在緊跟著的再下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1的期間計(jì)數(shù)器加1。因此確定一次負(fù)跳變要花兩個(gè)機(jī)器周期，即24個(gè)振蕩周期，這就要求外部輸入的計(jì)數(shù)脈沖的最高頻率為振蕩器頻率的1/24。這里單片機(jī)選用12MHz的晶振，允許的最高輸入頻率為500KHz，對(duì)于在高的頻率，單片機(jī)無(wú)法正確計(jì)數(shù)。

要想對(duì)高頻信號(hào)測(cè)量頻率，就需要先分頻。單片機(jī)根據(jù)頻率的大小選擇對(duì)信號(hào)進(jìn)行100分頻或10分頻或不分頻，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。這里選用ST公司生產(chǎn)的芯片74HC390，整形后的信號(hào)，低頻送入反相器74HC14，高頻送入分頻器74HC390，先進(jìn)行10分頻，10分頻后在經(jīng)過(guò)另一片74HC390輸出經(jīng)100分頻后的信號(hào)，這樣理論上單片機(jī)就可以對(duì)500K×100即50MHz的信號(hào)測(cè)頻。頻率小于500KHz的信號(hào)不需要分頻就可測(cè)量頻率值，頻率范圍在500KHz—5MHz內(nèi)的信號(hào)要經(jīng)過(guò)10分頻才能測(cè)量頻率，頻率范圍在5MHz—50MHz內(nèi)的信號(hào)要經(jīng)過(guò)100分頻才能測(cè)量頻率。由于頻率值可能超過(guò)計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值65535而使計(jì)數(shù)器溢出，這里定時(shí)器只定時(shí)100mS，技術(shù)完成后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理，得到信號(hào)的真正頻率值。具體的單片機(jī)是對(duì)不分頻的信號(hào)測(cè)頻，還是對(duì)10分頻的信號(hào)測(cè)頻，還是對(duì)100分頻的信號(hào)測(cè)頻，就要通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器選擇。這里選用ST公司生產(chǎn)的芯片74HC253作為數(shù)據(jù)選擇器選擇出輸入到單片機(jī)的信號(hào)。不分頻的信號(hào)輸入到74HC253的10腳，10分頻的信號(hào)輸入到74HC253的11腳，100分頻的信號(hào)輸入到74HC253的12腳，通過(guò)單片機(jī)的P1.5和P1.6位控制數(shù)據(jù)選擇器的地址位A和B。計(jì)數(shù)模塊的硬件電路如圖4。

4.顯示電路設(shè)計(jì)

最后要把處理完的數(shù)據(jù)在顯示電路中顯示。這里選用6位8段共陽(yáng)LED數(shù)碼管顯示。LED顯示方式有兩種，靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。雖然靜態(tài)顯示亮度高，接口編程也比較容易，但占用的口線較多，六位顯示就需要6個(gè)鎖存器，這樣電路所用的器件較多、連線比較繁瑣，所以采用動(dòng)態(tài)顯示方式。這就需要首先確定位選，對(duì)該位送段碼顯示，然后延時(shí)一定時(shí)間，選定下一位，再送段碼顯示，如此循環(huán)。

工作過(guò)程為：

首先確定位選：由單片機(jī)的P1.2、P1.3、P1.4作為3-8譯碼器74HC138的輸入，74HC138的輸出決定了數(shù)碼管的選擇位。每個(gè)數(shù)碼管的公共端與一個(gè)接有高電平的PNP三極管的集電極相連，三極管的基極與3-8譯碼器的輸出相連，通過(guò)軟件編程設(shè)置單片機(jī)的P1.2、P1.3、P1.4位，就設(shè)置了3-8譯碼器的輸入，3-8譯碼器的輸出只有一位為低電平，與這一位連接的三極管就處于飽和狀態(tài)，集電極與發(fā)射極間的飽和管壓降只有0.7V，三極管的集電極電壓為：5V-0.7V(二極管壓降)-0.7V(飽和管壓降)=3.6V，與這一個(gè)三極管連接的數(shù)碼管就被選中；3-8譯碼器的其它位輸出高電平，三極管處于截至狀態(tài)，集電極為低電平，相應(yīng)的數(shù)碼管不被點(diǎn)亮，所以三極管在這里起到了開(kāi)關(guān)的作用。

圖4 計(jì)數(shù)模塊電路

圖5 顯示模塊電路

圖6 電源電路

圖7 單位顯示電路

圖8 數(shù)字頻率計(jì)硬件電路圖

其次送斷碼：選中數(shù)碼管后，單片機(jī)就可以通過(guò)串行口將要在該位數(shù)碼管上顯示的數(shù)的段碼送入鎖存器74HC164。由于74HC164的最高輸出電壓可達(dá)電源電壓，而數(shù)碼管中的發(fā)光二極管的最大電流為20MA，所以要在其輸出端加限流電阻，其大小為：VCC÷Imax≈200

顯示模塊的硬件電路如圖5。

5.其它電路

(1)電源電路

電源電路產(chǎn)生的＋5V電源為電路中所有芯片和數(shù)碼管提供了工作電壓，經(jīng)查閱，這些芯片和數(shù)碼管的靜態(tài)電流為：

2.5MA+80MA+12MA+20×6mA≈215MA

則電源電路輸出端電阻等效為：

5V÷215MA

輸入端等效電阻為：

R=12V÷(5V÷215MA)≈516

延遲時(shí)間：RC≈5×10mS

計(jì)算得：C≈100uF

電路如圖6。

(2)單位顯示部分電路

P1口可輸出達(dá)20MA的電流，所以可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。一般發(fā)光二極管工作電流取10毫安，最多不超過(guò)20毫安，P1口輸出最大電壓為2.4V，所以可計(jì)算得限流電阻為：2.4V÷20MA≈100，電路如圖7。

(3)濾波電路：

為濾除各芯片內(nèi)的噪聲，可在每個(gè)芯片的電源和地之間接入濾波電容。

至此，單元電路已設(shè)計(jì)完畢，可得到頻率計(jì)的硬件電路，如圖8。

6.總結(jié)

此數(shù)字頻率計(jì)單元電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試，很好地達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，符合設(shè)計(jì)要求。

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