高精度低功耗雙路頻率計設(shè)計

【摘要】本文以AT89C51單片機為核心，基于等精度測頻原理，設(shè)計了一款高精度、低功耗多功能頻率計，可以同時測量兩路頻率范圍為1Hz-10MHz的信號的頻率，并且具有存儲和查詢功能，同時提供1K和1M兩路方波信號源。本文采用模塊化設(shè)計，硬件模塊有控制模塊、放大整形模塊、顯示模塊、存儲模塊、標準方波信號源模塊等組成，軟件模塊有頻率范圍判斷、頻率測量及頻率值的顯示等部分組成。

【關(guān)鍵詞】頻率計；等精度測量；單片機

引言

頻率計和信號源是常用的電子設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電子測量、通訊和教學(xué)等領(lǐng)域。頻率計的基本功能是測量正弦信號、方波信號及其他變化的物理量在單位時間內(nèi)變化的頻率，而信號源的功能則是提供各種頻率的函數(shù)信號。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。

早期的頻率計采用測頻法或測周法測量頻率，通常由組合邏輯電路和時序電路等硬件電路組成，產(chǎn)品體積大、運行速度慢、測量精度不高，而現(xiàn)在市面上較為流行的頻率計雖然在測頻性能上有很大提高，但通常價格昂貴，同時功能相對單一，如頻率測量和信號源分開，存儲功能不完善等，不適合廣大初學(xué)者的實際需求。

1.傳統(tǒng)頻率測量方法

1.1 測頻法

由控制電路產(chǎn)生測頻所需的滿足一定時序關(guān)系的閘門信號、清零脈沖信號和鎖存脈沖信號。當頻率計正常工作時，寬度為1s的閘門信號作為計數(shù)器的時鐘使能信號，則被測信號作為計數(shù)器的時鐘輸入。當閘門信號為高電平時，計數(shù)器即開始計數(shù)；當閘門信號為低電平時，計數(shù)器即停止計數(shù)，則1s的閘門時間內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)值即為被測信號的頻率。同時，為了保證測評準確，在每次閘門信號開通前提供給計數(shù)器一個清零脈沖信號，讓計數(shù)器處于零狀態(tài)，保證計數(shù)器每次都從零開始計數(shù)。

如果計數(shù)器的輸出直接譯碼顯示，則在閘門信號為高電平期間，頻率計的顯示將會隨著計數(shù)值的增加而不斷變化，不斷閃爍，人眼將難以分辨。為了防止這種現(xiàn)象，在計數(shù)器和譯碼、顯示 之間增加一鎖存電路。只有當計數(shù)器停止計數(shù)后（閘門信號由高變低后），才將計數(shù)值鎖存并譯碼顯示。為了防止顯示閃爍，鎖存信號的周期必須大于人的視覺滯留時間（約為0.1s）。

1.2 測周期法

將被測量信號經(jīng)過整形后轉(zhuǎn)換成方波信號，利用單片機查詢兩個上升沿，在此期間根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的周期為 Tc的脈沖送計數(shù)器進行計數(shù)，設(shè)計數(shù)值為N，則得被測量信號的周期值Tx=Tc×N，然后取其倒數(shù)即為被測量信號的頻率。

1.3 等精度測量法

2.具體模塊電路設(shè)計

（1）根據(jù)上述系統(tǒng)分析，本系統(tǒng)設(shè)計包括以下幾個模塊電路：單片機微處理電路、寬帶信號放大電路、信號整形電路、雙路切換電路、10分頻電路、顯示電路、存儲電路、分頻驅(qū)動電路1和分頻驅(qū)動電路2?？傮w框圖如圖2所示。

（2）各模塊設(shè)計與功能如下：

1）單片機微處理電路

本電路的主芯片是AT89S52單片機，它是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8kBytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器、ISP Flash存儲單元、32位I/O口線、看門狗定時器、2個數(shù)據(jù)指針、3個16位定時器/計數(shù)器和一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，功能強大的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。

2）寬帶信號放大電路、信號整形電路

寬帶信號放大電路的功能是對待測信號進行放大處理，降低對待測信號幅度的要求。型號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。

為了簡化設(shè)計，本設(shè)計讓輸入信號先經(jīng)過一個模擬電路進行信號的放大處理，兼顧了高頻和低頻信號，然后用芯片74HC14充當比較器，把信號轉(zhuǎn)換為0和1的數(shù)字信號。原理圖如圖3所示。

3）雙路切換電路

為了實現(xiàn)同時測量兩路信號，設(shè)計了雙路切換電路，如圖4所示。其工作原理為：當選擇端信號為低電平‘0’時，芯片74HC00的 Y1口輸出為高電平‘1’，Y2口輸出為信號2的非，經(jīng)過與非門（A3 B3 Y3）后，Y3口輸出為信號2；當選擇端信號為‘1’時，Y2口輸出為高電平‘1’，Y1口輸出為信號1的非，經(jīng)過與非門（A3 B3 Y3），Y3口輸出為信號1。

4）10分頻電路

10分頻電路如圖5所示。本電路采用74HC390異步雙二—五—十進制加法計數(shù)器實現(xiàn)分頻。內(nèi)有兩組計數(shù)器，每組計數(shù)器由兩個計數(shù)器組成，1個一位二進制計數(shù)器和1個五進制計數(shù)器，它們可以單獨計數(shù)，但清零時同時清零。 二進制計數(shù)器：A時鐘，QA輸出 ；五進制計數(shù)器：B時鐘，QD，QC，QB輸出 。信號從4端口輸入，每記滿五個數(shù)從6端口輸出一個數(shù)送入端口12，再次記滿五個數(shù)時從端口10輸出一個數(shù)送入端口1，記滿兩次時從端口3輸出一個數(shù)送入15，再次記滿兩次時從13口輸出。即每當輸入端輸入5*5*2*2個數(shù)時，輸出端輸出一個數(shù)，也就是實現(xiàn)了100分頻。

3.實驗測試結(jié)果

此外，我們對兩路信號的輸出頻率進行了測量，其頻率分別為1K和1M，沒有誤差。

4.結(jié)束語

本頻率計的測量范圍是1Hz～10MHz，自帶量程自動切換，1KHZ、1MHZ標準方波信號源功能?？梢酝瑫r測量兩路信號的頻率。具有成本低、精度高、多功能等優(yōu)點。可廣泛應(yīng)用于實踐教學(xué)、電子制作和生產(chǎn)流水線。具有廣闊的市場潛力。

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項目資助（編號：JG00613JX07 SZDG2013016）。