基于Arduino的高精密數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

顏謙和，顏珍平

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001)

0 引言

準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)中的頻率響應(yīng)、濾波電路中設(shè)計(jì)的選頻網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)源的設(shè)計(jì)等都需要測(cè)量頻率[1]，頻率測(cè)量的精密度決定了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精密性，因此實(shí)現(xiàn)頻率的精密測(cè)量至關(guān)重要。

頻率測(cè)量的方法有多種，其中應(yīng)用計(jì)數(shù)法原理制成的數(shù)字式頻率測(cè)量?jī)x器具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化[2-7]。其工作原理為測(cè)量通過測(cè)量一定閘門時(shí)間內(nèi)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。

當(dāng)前的許多簡(jiǎn)易頻率計(jì)大多采用CPLD或者PFGA進(jìn)行設(shè)計(jì)[8-11]，因?yàn)镃PLD和FPGA的采樣頻率、響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)寬頻率的快速測(cè)量，但是CPLD和FPGA比較貴，編程設(shè)計(jì)難度大。本文擬基于Arduino，設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易高精度數(shù)字頻率計(jì)，采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用mega2560單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，可實(shí)現(xiàn)50 mV～2 V的正弦波和矩形波的頻率精準(zhǔn)測(cè)量。測(cè)量范圍能夠達(dá)到1 Hz～10 MHz，測(cè)量精度達(dá)到0.000 1 Hz。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主要包括電源電路、放大與整形電路、單片機(jī)主控電路、分頻電路、顯示電路、閘門信號(hào)產(chǎn)生電路等[12-13]。采用Arduino系列中的新型芯片mega2560設(shè)計(jì)并制作一個(gè)閘門時(shí)間為1 s的數(shù)字頻率計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和周期的測(cè)量。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

本設(shè)計(jì)采用LM7805穩(wěn)壓芯片提供5 V電壓供電。全波電路圖如圖2所示，具體組成：引入12～24 V交流電壓、經(jīng)過二極管整流、電容簡(jiǎn)單濾波、LM7805穩(wěn)壓和2.5 V為基準(zhǔn)的模擬信號(hào)地。

圖2 電源電路圖

2.2 放大與整形電路

放大與整形電路由NE5534構(gòu)成。NE5534構(gòu)成的閉環(huán)放大器將輸入為FX的周期信號(hào)引入正弦波、矩形波，進(jìn)行同相放大。將電源電壓設(shè)為5 V，當(dāng)輸入電壓信號(hào)幅值比較大時(shí)，將放大后的波形控制在5 V以內(nèi)，NE5534構(gòu)成的過零比較器對(duì)放大器的輸出進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。

具體的電路圖如圖3和圖4所示。

圖4 信號(hào)整形電路圖

圖3 信號(hào)放大電路圖

2.3 閘門電路設(shè)計(jì)

閘門信號(hào)產(chǎn)生電路由頻率為32.768 kHz的晶振電路、CD4060構(gòu)成的14級(jí)分頻器和CD4013構(gòu)成的2級(jí)分頻器組成，當(dāng)晶振單路提供的32.768 kHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率經(jīng)過CD4060和CD4013構(gòu)成的16級(jí)分頻(32768/216)得到頻率為0.5 Hz的方波，由此就產(chǎn)生了1 s的閘門信號(hào)。電路如圖5所示。

圖5 1 s閘門信號(hào)產(chǎn)生電路圖

2.4 分頻電路設(shè)計(jì)

通過CD4060進(jìn)行多級(jí)分頻，具體電路如圖6所示。

圖6 分頻電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序主要完成硬件的初始化、信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的顯示功能。具體流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

//主題程序：

if(fre>100000)Fre_Text(1);

else Fre_Text(0);//頻率大于100 kHz，選擇16分頻

Fre_crol();//分頻

Data_Display();顯示

//準(zhǔn)備工作：

#include //LCD官方庫

#include

long count，fre,dr_high,dr_low;//計(jì)數(shù)、頻率、高、低電平量化。

int i;

float wide,sum;//占空比、累加零時(shí)變量

const int rs=8，en=9，d4=10，d5=11，d6=12，d7=13;

LiquidCrystal lcd(rs，en，d4，d5，d6，d7);//LCD顯示初始化

//初始化：

lcd.begin(16，2);

pinMode(4,OUTPUT);//閘門控制信號(hào),高電平開啟

PinMode(2,INPUT);//原信號(hào)

pinMode(3,INPUT);//4級(jí)分頻

pinMode(18,INPUT);//8級(jí)分頻

pinMode(19,INPUT);//12級(jí)分頻

pinMode(20,INPUT);//1s閘門信號(hào)

3.1 頻率的獲取

頻率獲取代碼：

digitalWrite(HIGH,4);//打開閘門

while(digitalRead(20));count=0;//準(zhǔn)備

while(!digitalRead(20));//等待高電平到來

attachInterrupt(signment，int1，F(xiàn)ALLING);

//中斷0，2管腳，上升沿觸發(fā)方式

while(digitalRead(20));//等待測(cè)試結(jié)束

if(signment)fre=count*16；else fre=count;

if(count>=2)fre=fre-1；

detachInterrupt(signment);//關(guān)閉中斷int0。

其流程圖如圖8所示。

圖8 頻率生成函數(shù)流程圖

3.2 占空比的計(jì)算

占空比獲取代碼：

while(!digitalRead(20));//等待開始信號(hào)

wide=0;

for(i=0;i<20;i++){

dr_low=0,dr_high=0;//清零

while(digitalRead(signment));//等待低電平

while(!digitalRead(signment))dr_low++;//低脈寬

while(digitalRead(signment))dr_high++;//高脈寬

sum=(dr_low*1.0/(dr_low+dr_high))*100;

wide=wide+sum;

}

wide=wide/20;

digitalWrite(LOW,4);//關(guān)閉閘門

其流程圖如圖9所示。

圖9 占空比計(jì)算流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

通過軟硬件的設(shè)計(jì)，在具體測(cè)試之前，采用Proteus軟件進(jìn)行功能仿真。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如ArdiunoIDE等軟件。支持大量的外圍芯片和存儲(chǔ)器，具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。該軟件是集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件。

具體仿真測(cè)試時(shí)，采用矩形波為例進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從仿真結(jié)果看，設(shè)計(jì)符合要求。

圖10 仿真結(jié)果圖

5 測(cè)試

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)實(shí)際的頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)試，同樣，采用矩形波為例，測(cè)試100 Hz和1 kHz情況矩形波的占空比，測(cè)量范圍從30%到接近90%，而且在測(cè)試過程中防止程序中出現(xiàn)測(cè)試盲點(diǎn)，采用跳躍式測(cè)試方式，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 矩形波(100 Hz)

表2 矩形波(1 kHz)

在占空比測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)頻率計(jì)進(jìn)行頻率的具體測(cè)試，依次測(cè)試信號(hào)幅值為50 mV、100 mV、500 mV、1 V、1.5 V、2 V下10 Hz～100 kHz的頻率測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。數(shù)據(jù)顯示，1 kHz的頻率測(cè)量幾乎零誤差，總體測(cè)量精度達(dá)0.000 01，占空比精度0.01。

表3 頻率測(cè)試數(shù)據(jù)表

具體的測(cè)試圖如圖11所示。

圖11 頻率測(cè)量示波器顯示測(cè)試圖

6 結(jié)束語

本文在分析現(xiàn)有數(shù)字頻率計(jì)存在的缺陷出發(fā)，提出一種新的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，基于Arduino，完成了一款簡(jiǎn)易高精度數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思路，完成了電源電路、放大與整形電路、單片機(jī)主控電路、分頻電路、顯示電路、閘門信號(hào)產(chǎn)生電路等硬件設(shè)計(jì)，運(yùn)用mega2560單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，軟件設(shè)計(jì)后進(jìn)行了仿真測(cè)試和具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，該頻率計(jì)可實(shí)現(xiàn)50 mV～2 V的正弦波和矩形波的頻率精準(zhǔn)測(cè)量。測(cè)量范圍能夠達(dá)到1 Hz～10 MHz。測(cè)量精度達(dá)到0.000 1 Hz。