基于單片機的數(shù)字頻率計設計

沈亞鈞

（太原理工大學機械學院，山西太原 030024）

1 總述

單片機頻率計［1］不僅反應快、精度高，操作也非常人性化，而且應用范圍大、帶寬大以及成本低廉、小巧方便。它可以用來測量一定電壓范圍內(nèi)正弦波、三角波及方波。本設計是基于單片機為主控制電路，配合著一定的外圍芯片及電路而設計的一款處理數(shù)字信號的高頻頻率計，測量范圍能達到1 Hz～20 MHz，其新穎之處在于用運了兩種測頻方法，且采用自動分頻［2］的方式使基于單片機的頻率計能夠在低成本的前提下完成較高精度的高頻數(shù)字信號的頻率測量。

2 總體設計

本設計欲設計一款基于單片機的數(shù)字頻率計［3-5］，其特色是測量范圍為1 Hz～20 MHz。對待低頻和高頻信號的測量分別使用不同的測頻方法去對待。具體總的思想是以單片機為核心，被測信號先進入信號放大電路進行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測得正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化為方波。利用單片機的計數(shù)器和定時器的功能對被測信號進行計數(shù)。編寫相應的程序可以使單片機自動調(diào)節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。該頻率計系統(tǒng)設計共包括五大模塊:主芯片控制模塊、分頻選擇模塊、放大整形模塊、基準頻率模塊和顯示模塊。各模塊作用如下:

主芯片控制模塊:以AT89S52單片機為控制核心，來完成對待測信號的計數(shù)，譯碼和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量。單片機AT89S52內(nèi)部具有3個16位定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。

分頻選擇模塊:考慮單片機外部計數(shù)，使用12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。本設計使用的分頻芯片是74HC4040，選擇芯片是74LS153。

放大整形模塊:放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量。本設計使用的放大芯片是LT1358，整形芯片是74LS132。

基準頻率模塊:為了產(chǎn)生一個標準的頻率，這里使用了AT89C2051。這是一款類似于AT89S51的8051內(nèi)核的非總線單片機。這里運用其一個定時器產(chǎn)生一個穩(wěn)定的頻率。

顯示模塊:鑒于大部分頻率計采用的是數(shù)碼管形式的顯示方式，為了節(jié)約用電，減小體積本設計采用液晶顯示屏顯示，融入了文字提示等信息，方便使用者觀察選擇。本設計選用LCD1602。

2.1 高頻方案

本設計對待高頻信號（＞10 kHz）欲選用多周期同步測量法［6］，在充分利用單片機計數(shù)器的條件下，實現(xiàn)更精確的測量。圖1所示即為多周期同步法測頻原理框圖。參考閘門產(chǎn)生大概的取樣時間為T，實際閘門的開啟由參考閘門和被測信號同步產(chǎn)生。當參考閘門給出后，由隨后到來的被測信號的第一個脈沖打開兩個計數(shù)器的閘門開始計數(shù)。被測信號fx通過閘門1由計數(shù)器A計數(shù)，得到計數(shù)值Nx，標頻信號脈沖fs通過閘門2由計數(shù)器B進行計數(shù)，得到計數(shù)值Ns。當參考閘門關閉后，由隨后到來的被測信號脈沖關閉兩個計數(shù)器的閘門，停止計數(shù)。則被測頻率的表達式為:fx=fs×（Nx/Ns）。

多周期同步法的測量誤差主要由Ns產(chǎn)生［7，8］。當頻率較低（＜10 kHz），且測量信號信噪比較?。?0 dB）時，觸發(fā)誤差較大，是誤差的主要來源。當被測頻率大于10 kHz時，誤差取決于標頻信號的準確度和分辨率帶來的誤差，兩者基本相當。所以低頻測量時，運用多周期測量法誤差會很大［9，10］。

圖1 多周期同步測頻法

圖2 高頻測量原理

如圖2所示，高頻測量時首先利用單片機的定時器T0進行軟件分頻，根據(jù)定時時間的不同分出一個或幾個閘門信號，利用這些不同周期的閘門去做不同的基準時間。對于不同基準時間內(nèi)的頻率測量，其精度是不同的，隨著基準時間的加長，精度會越來越高。測頻時，根據(jù)測量精度要求，預置閘門T0控制起閉時間為t，開啟T0，同時放出待測信號和標準信號。這時計數(shù)器T2和計數(shù)器T1分別對待測信號fx和標準信號fc（頻率已知）同時計數(shù)，當預置閘門控制時間Tn到達閘門關閉時，兩個計數(shù)器停止計數(shù)。若兩個計數(shù)器T2、T1的計數(shù)值分別為M和N，則待測頻率的值為fx=fc×（M/N）。

2.2 低頻方案選擇

對低頻段信號（＜10 kHz）的信號采用周期測頻法。周期測量法也是頻率測量的一種常用方法，而且常常用于低頻的測量［11，12］。其原理是在被測頻率fx的一個周期內(nèi)Tx，記錄標準頻率fc的變化次數(shù)M，則有fc=M/Tx，即待測信號頻率為fx=fc/M。采用這種方法時，我只用到了單片機的T2定時器，由于T2定時器擁有捕獲功能，可以在被測信號脈沖的下降沿到來之際實現(xiàn)對此時時間的捕獲，這樣在被測頻率兩個下降沿之間就形成一個周期，產(chǎn)生兩次捕獲，而這兩側(cè)捕獲的時間差就是被測頻率的周期，其頻率就是周期的倒數(shù)。運用這種方法可以對頻率為65 535 Hz以內(nèi)的頻率進行測量，如圖3所示。

圖3 低頻測量原理

3 結(jié)論

本論文中對高頻測量進行了軟件仿真，從表1中我們可以看出，隨著所測頻率的位數(shù)的增大，頻率的誤差越小。在甚低頻階段，由于仿真時只開啟高頻測量，用的是多周期同步測量法，所以可以看到由于基準頻率±1的誤差而引起的±1的誤差，而對于甚低頻及低頻的測量，±1的誤差是極其影響測量效果的。這和理論預測的效果是完全吻合的。由于一些不明原因，低頻測量程序無法得到仿真。如果低頻測量程序可以開啟的話，在低頻測量時就會轉(zhuǎn)化成周期法測量。這樣由于低頻的頻率很低，其周期很大，所以單片機的反應速度是可以跟得上的，從而避免了±1的誤差，使得低頻測量也可以達到誤差為0%。對于中頻及高頻階段，我們可以在表中看到，雖然差值隨著頻率的增大而越來越大，但是誤差百分比卻越來越小，尤其對于高頻的測量，其誤差可以小到十萬分之幾，完全可以滿足一般用戶的需求。

由此，該頻率計驗證了多周期同步測量法對中高頻信號的測量能力是不錯的，但是對于低頻及甚低頻的測量卻缺陷很大。而正好周期法的優(yōu)點就是測量低頻信號非常準確。這兩種方法的結(jié)合正好彌補了兩者的缺陷［13］，凸顯了兩者的優(yōu)點。再加上智能分頻使單片機的測量帶寬提高了一千倍以上，僅用幾個芯片搭成的低成本簡單電路，使該頻率計擁有了不錯的性價比。

表1 測量值對比表

［1］劉竹琴，白澤生.一種基于單片機的數(shù)字頻率計的實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術，2010（1）:90-96.

［2］朱雪枝，王學偉.自動分頻法寬量程頻率測量技術及實現(xiàn)［J］.北京化工大學學報2004，31（1）:91-93.

［3］陳明莉.單片機精確測量信號頻率［J］.軟件導刊，2007（4）:13-14.

［4］凌振寶，葉劍峰，孫正光.多功能數(shù)字頻率計的設計與研究［J］.吉林大學學報（信息科學版），2011（4）:95-101.

［5］李育紅.基于STC12C5A08S2.單片機頻率計的設計與實現(xiàn)［J］.科學之友，2011（16）:151.

［6］Hong Qunhuan，Song Shile，Xiao Zhihong.Design of Digital Frequency Meter Based on Synchronous Frequency Measurement Method［C］.2010 2nd International Conference on Computer Technology and Development 2010:97-700.

［7］梁文海，麥文，張健，等.一種高精度頻率測量的研究與實現(xiàn)［J］.四川師范大學學報（自然科學版），2008，31（3）:376-378.

［8］張晶.數(shù)字測頻方法的研究［J］.吉林廣播電視大學學報，2005（4）:88-91.

［9］鄒魏華.低成本高精度相檢寬帶頻率計的開發(fā)［D］（碩士學位論文）.西安:西安電子科技大學，2008.

［10］王玉蘭.基于低采樣率的高頻信號精密數(shù)字化測量方法研究［D］（碩士學位論文）.北京:中國科學院研究生院，2010.

［11］李坤峪，袁海文，劉穎異.一種高可靠性的頻率測量系統(tǒng)［J］.電源世界，2012（1）:41-44.

［12］ANDRIA NEMAT.A High Resolution Digital Frequency Meter for Low Frequencies［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1990，39（4）:376-382，667.

［13］黃盛霖，沈聰輝，趙曉娟，等.利用最佳分頻實現(xiàn)高精度頻率測量［J］.兵工自動化2011，30（9）:68-71.