基于單片機的數(shù)字頻率計設(shè)計

西安外事學院 王立紅

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 整形電路設(shè)計

圖3 整形電路仿真輸出

圖4 分頻數(shù)據(jù)選擇器

1.引言

在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)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(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)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(shù)字頻率計設(shè)計與實現(xiàn)。

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(shù)器識別并計數(shù)的脈沖信號。采用LM311構(gòu)成的過零比較器，LM311的轉(zhuǎn)換速度為200ns，即轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為方波信號，而方波信號能夠被單片機識別進行計數(shù)。

2.2 分頻電路與數(shù)據(jù)選擇

本設(shè)計的硬件電路由單片機、信號整形電路、分頻模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊及顯示模塊等組成，系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的顯示代碼發(fā)往LCD輸出顯示結(jié)果。

圖6 單片機控制流程圖

分頻與數(shù)據(jù)選擇是由兩個部分組成的，即分頻部分和數(shù)據(jù)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(shù)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(shè)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(shù)。AT89C52單片機采用的是12MHz晶振，當計算機識別1次計數(shù)時需要花費兩個機器周期，最大計數(shù)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(shù)速度是12MHz×1/24=0.5MHz，即500KHz。被測信號越接近500KHz，所測得的數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)了。

數(shù)據(jù)選擇部分選用的是74LS151，74LS151為互補輸出的8選1數(shù)據(jù)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(guān)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(xiàn)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(shè)計

單片機控制流程如圖6所示。

4.結(jié)束語

本系統(tǒng)采用信號整形、信號分頻及數(shù)據(jù)選擇電路設(shè)計，單片機采用AT89C52，用C51語言編程，實現(xiàn)了對不同波形、不同頻率信號的測量。在測試時根據(jù)被測信號頻率的不同，選擇不同的預(yù)置閘門時間。根據(jù)測試結(jié)果，在低頻端測量誤差＜0.01%，在高頻端測量誤差＜0.001%，達到設(shè)計要求。對誤差進行分析，主要是計數(shù)器沒有經(jīng)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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